光伏逆變器MPPT算法嵌入式實現(xiàn)：變步長擾動觀察法的定點數(shù)優(yōu)化
引言
在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）算法是提高光伏逆變器效率的關(guān)鍵技術(shù)。擾動觀察法（Perturb and Observe，P&O）因其簡單易實現(xiàn)而被廣泛應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)的擾動觀察法存在步長固定的缺陷，可能導(dǎo)致跟蹤速度與精度難以兼顧。同時，在嵌入式系統(tǒng)中，浮點數(shù)運算會消耗大量資源，定點數(shù)優(yōu)化成為提升系統(tǒng)性能的重要手段。本文將探討變步長擾動觀察法的原理及其在光伏逆變器嵌入式實現(xiàn)中的定點數(shù)優(yōu)化方法。
擾動觀察法原理與變步長改進
（一）傳統(tǒng)擾動觀察法原理
傳統(tǒng)擾動觀察法通過周期性地改變光伏陣列的輸出電壓（或電流），觀察輸出功率的變化，從而調(diào)整工作點向最大功率點移動。若功率增加，則保持?jǐn)_動方向；若功率減小，則改變擾動方向。但固定步長在快速變化的工況下可能跟蹤速度慢，在穩(wěn)定狀態(tài)附近又易產(chǎn)生振蕩。
（二）變步長擾動觀察法改進
變步長擾動觀察法根據(jù)功率變化量動態(tài)調(diào)整擾動步長。功率變化量大時，采用大步長以加快跟蹤速度；功率變化量小時，采用小步長以提高跟蹤精度。
假設(shè)光伏陣列的輸出功率為P，輸出電壓為V，功率變化量為ΔP=P(k)?P(k?1)，電壓變化量為ΔV=V(k)?V(k?1)。步長調(diào)整公式可表示為：
定點數(shù)優(yōu)化原理
在嵌入式系統(tǒng)中，浮點數(shù)運算需要專門的浮點運算單元，會增加硬件成本和運算時間。定點數(shù)運算通過將小數(shù)部分用整數(shù)表示，利用整數(shù)運算來實現(xiàn)近似的小數(shù)運算，能夠有效減少資源占用。
定點數(shù)表示方法為：Q
m,n
，其中m為整數(shù)位數(shù)，n為小數(shù)位數(shù)，數(shù)值x的定點數(shù)表示為x
fixed
=x×2
n
。
嵌入式實現(xiàn)與代碼示例
（一）系統(tǒng)初始化
在嵌入式系統(tǒng)中，首先需要對相關(guān)變量進行初始化，并設(shè)置定點數(shù)表示格式。
c
// 定義定點數(shù)格式，假設(shè)Q12.4格式，即整數(shù)12位，小數(shù)4位
#define Q_FORMAT 4
#define INT_TO_FIXED(x) ((int32_t)((x) * (1 << Q_FORMAT)))
#define FIXED_TO_INT(x) ((x) >> Q_FORMAT)
#define FIXED_MUL(a, b) (((int64_t)(a) * (b)) >> Q_FORMAT)
// 初始化變量
int32_t voltage_fixed = INT_TO_FIXED(24.0); // 初始電壓，24V，定點數(shù)表示
int32_t power_fixed_prev = 0;
int32_t power_fixed_curr = 0;
int32_t delta_power_fixed = 0;
int32_t delta_voltage_fixed = 0;
int32_t step_size_fixed = INT_TO_FIXED(0.5); // 初始步長，0.5V
// 功率閾值設(shè)定
int32_t power_threshold1_fixed = INT_TO_FIXED(10.0); // P_th1，10W
int32_t power_threshold2_fixed = INT_TO_FIXED(2.0); // P_th2，2W
// 步長系數(shù)
int32_t k1_fixed = INT_TO_FIXED(1.5);
int32_t k2_fixed = INT_TO_FIXED(1.0);
int32_t k3_fixed = INT_TO_FIXED(0.3);
（二）變步長擾動觀察法實現(xiàn)
c
void mppt_control() {
// 模擬獲取當(dāng)前功率（實際中通過采樣電路獲?。?
power_fixed_curr = get_current_power(); // 獲取當(dāng)前功率的定點數(shù)表示
// 計算功率變化量
delta_power_fixed = power_fixed_curr - power_fixed_prev;
// 計算電壓變化量（假設(shè)每次擾動固定電壓）
delta_voltage_fixed = step_size_fixed;
// 更新上一次功率值
power_fixed_prev = power_fixed_curr;
// 根據(jù)功率變化量調(diào)整步長
if (ABS(delta_power_fixed) > power_threshold1_fixed) {
step_size_fixed = FIXED_MUL(k1_fixed, delta_voltage_fixed);
} else if (ABS(delta_power_fixed) > power_threshold2_fixed) {
step_size_fixed = FIXED_MUL(k2_fixed, delta_voltage_fixed);
} else {
step_size_fixed = FIXED_MUL(k3_fixed, delta_voltage_fixed);
}
// 調(diào)整電壓（根據(jù)擾動方向）
if (delta_power_fixed > 0) {
voltage_fixed += step_size_fixed;
} else {
voltage_fixed -= step_size_fixed;
}
// 輸出調(diào)整后的電壓（定點數(shù)轉(zhuǎn)實際值用于控制）
float voltage_actual = FIXED_TO_FLOAT(voltage_fixed);
// 將voltage_actual用于控制光伏逆變器的輸出電壓
}
// 輔助函數(shù)：定點數(shù)轉(zhuǎn)浮點數(shù)
float FIXED_TO_FLOAT(int32_t fixed) {
return (float)fixed / (1 << Q_FORMAT);
}
// 輔助函數(shù)：計算絕對值（定點數(shù)）
int32_t ABS(int32_t x) {
return (x < 0) ? -x : x;
}
結(jié)論
通過采用變步長擾動觀察法并對其進行定點數(shù)優(yōu)化，能夠在光伏逆變器的嵌入式實現(xiàn)中有效提高MPPT算法的跟蹤速度和精度，同時減少資源占用。在實際應(yīng)用中，開發(fā)者可以根據(jù)具體硬件平臺的性能和光伏系統(tǒng)的特點，進一步調(diào)整定點數(shù)格式和步長調(diào)整策略，以實現(xiàn)最佳的MPPT效果。
下載文檔
