MPPT ติดตามจุดกำลังสูงสุด: P&O Incremental Conductance เงาบังบางส่วน และ Global MPPT

ทำไมต้องมี MPPT: โหลดกำหนดจุดทำงาน พื้นฐาน

ถ้าต่อแผงตรงกับตัวต้านทาน $R$ จุดทำงานคือจุดตัดของเส้นโค้ง I-V กับเส้นตรง $I = V/R$ มีค่า $R$ เพียงค่าเดียวที่ทำให้จุดตัดอยู่ที่ MPP:

คอนเวอร์เตอร์คือ “หม้อแปลงความต้านทาน”

ในสถานะคงตัวและไม่คิดการสูญเสีย คอนเวอร์เตอร์ DC-DC ทำให้แผงมองเห็นความต้านทานที่ขึ้นกับ duty $D$:

ผลที่ตามมา: บั๊กทำได้เฉพาะ $R_{in} \ge R_L$ บูสต์ทำได้เฉพาะ $R_{in} \le R_L$ บั๊ก-บูสต์และ Ćuk ทำได้ทั้งสองทาง และ เครื่องหมายการควบคุมกลับกัน: ในบั๊ก เพิ่ม $D$ แล้วแรงดันแผงลด ในบูสต์ เพิ่ม $D$ แล้วแรงดันแผงลดเช่นกัน (เพราะดึงกระแสมากขึ้น) — ต้องตั้งทิศให้ถูกในโค้ด หรือควบคุมผ่านลูปแรงดันขาเข้า $V_{ref}$ แทนการคุม $D$ ตรง ๆ

เมื่อโหลดเป็นแบตเตอรี่ แรงดันขาออกเกือบคงที่ คอนเวอร์เตอร์จึงเลือกแรงดันแผงได้อิสระ: บั๊ก $V_{pv} = V_{bat}/D$ และบูสต์ $V_{pv} = V_{bat}(1-D)$

อัลกอริทึม P&O และ Incremental Conductance กลาง

ในทางปฏิบัติทั้งสองวิธีให้ประสิทธิภาพใกล้กันมากเมื่อปรับพารามิเตอร์ดี ความต่างอยู่ที่ ขนาดก้าว และ คาบการขยับ:

• ก้าวใหญ่: ตามแสงที่เปลี่ยนเร็วทัน แต่แกว่งรอบ MPP มาก (สูญเสียตาม $\Delta V^2$)
• ก้าวเล็ก: แม่นในสภาวะคงที่ แต่ตามไม่ทันเมฆ ต้องเลือกก้าวไม่เล็กกว่าความละเอียดของ PWM และ ADC (มิฉะนั้นขยับแล้วไม่มีอะไรเปลี่ยน)
• คาบสั้นเกินไป: วัดก่อนคอนเวอร์เตอร์เข้าที่ (โดยเฉพาะตัวเก็บประจุขาเข้าใหญ่และลูปแรงดันช้า) อัลกอริทึมจะตัดสินใจผิด ต้องรอให้ $V_{pv}$ เข้าที่ก่อนเสมอ
• ก้าวแปรผัน: $\Delta V = k\,|\Delta P/\Delta V|$ ก้าวใหญ่เมื่อไกล MPP ก้าวเล็กเมื่อใกล้

วิธีสัดส่วนง่ายมาก (หยุดจ่ายสั้น ๆ วัด $V_{oc}$ แล้วตั้ง $V_{ref}$) แต่ไม่ใช่ MPP จริงและเสียพลังงานตอนหยุดวัด ใช้เป็นจุดเริ่มต้นของ P&O หรือในวงจรราคาถูก

เงาบังบางส่วนและ Global MPPT กลาง

เมื่อบางกลุ่มเซลล์ถูกบัง บายพาสไดโอดนำ เส้น P-V มีหลายยอด (ดูหน้าเซลล์) P&O และ InC เป็นวิธีไต่เขา จึงหยุดที่ยอดใกล้ที่สุด ซึ่งอาจไม่ใช่ยอดสูงสุด ลองในแล็บด้านล่าง: กด “ใบไม้บัง 1 ช่อง” — P&O ที่เริ่มจากฝั่ง $V_{oc}$ ติดที่ ≈ 150 W ขณะที่ global MPP ≈ 340 W

วิธีหา global MPP

1. Periodic scan ทุก 5–15 นาที กวาด $V_{ref}$ จากประมาณ $0.95V_{oc}$ ลงมาถึงขอบล่างของช่วง MPPT บันทึกยอดที่ดีที่สุด แล้วกลับไปทำ P&O รอบยอดนั้น เสียพลังงานระหว่างกวาด 0.1–0.3 %
2. Event-triggered scan กวาดเมื่อกำลังเปลี่ยนเกินเกณฑ์ หรือเมื่อแรงดันที่ MPP ต่ำผิดสัดส่วนจาก $N_s \times 0.8 V_{oc,mod}$
3. ใช้ความรู้โครงสร้าง ยอดของสตริงที่มีบายพาสไดโอดมักอยู่ใกล้ $k\times 0.8\,V_{oc,sub}$ จึงตรวจเฉพาะจุดเหล่านั้น (ลดเวลากวาด)
4. Metaheuristics (PSO, GWO, ฯลฯ) ในงานวิจัย — ต้องเทียบกับ scan อย่างง่ายอย่างเป็นธรรม เพราะ scan ก็ทำได้ดีในอินเวอร์เตอร์จริง
5. แก้ที่ระดับฮาร์ดแวร์ optimizer/micro-inverter ทำ MPPT ระดับแผง ไม่มีปัญหาหลายยอดระดับสตริง

โค้ด C สำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์ กลาง

โครงสร้างที่แนะนำ: ลูปเร็ว (ทุกคาบ PWM หรือทุก 10–50 µs) คุมแรงดันแผงให้เท่ากับ $V_{ref}$ ด้วย PI (ดู ควบคุมดิจิทัล) และลูป MPPT ช้า (ทุก $T_p$) ปรับ $V_{ref}$ ค่าที่วัดต้องกรองเฉลี่ยตลอดคาบ $T_p$

/* MPPT: เรียกทุก Tp (เช่น 100 ms) ด้วยค่าเฉลี่ยของ v, i ในคาบนั้น */
#define STEP   0.5f     /* V ต่อก้าว (≥ ความละเอียดของลูปแรงดัน) */
#define VMIN   (0.55f * VOC_STC)
#define VMAX   (0.95f * VOC_STC)

static float v_prev, p_prev, i_prev, vref = 0.80f * VOC_STC;

void mppt_po(float v, float i)                 /* Perturb & Observe (T4) */
{
    float p = v * i, dv = v - v_prev, dp = p - p_prev;
    if (dp != 0.0f) {
        if ((dp > 0.0f) == (dv > 0.0f)) vref += STEP;   /* dP/dV > 0: ซ้าย MPP */
        else                              vref -= STEP;   /* dP/dV < 0: ขวา MPP */
    }
    vref = fminf(fmaxf(vref, VMIN), VMAX);
    v_prev = v; p_prev = p;
}

void mppt_inc(float v, float i)                /* Incremental Conductance (T3) */
{
    float dv = v - v_prev, di = i - i_prev;
    if (fabsf(dv) < 1e-3f) {                    /* แรงดันไม่เปลี่ยน: ดูกระแส (แสงเปลี่ยน) */
        if (di > 0.0f) vref += STEP; else if (di < 0.0f) vref -= STEP;
    } else {
        float g = di * v + i * dv;              /* = v·dv·(dI/dV + I/V) คูณไขว้ ไม่ต้องหาร */
        g = (dv > 0.0f) ? g : -g;
        if (g > EPS) vref += STEP; else if (g < -EPS) vref -= STEP;
    }
    vref = fminf(fmaxf(vref, VMIN), VMAX);
    v_prev = v; i_prev = i;
}

• ป้องกันเพิ่มเติม: ถ้าแบตเต็มหรือโหลดรับไม่ได้ ให้เปลี่ยนจากโหมด MPPT เป็นโหมดคุมแรงดัน/กระแสขาออก (curtail) โดยเลื่อน $V_{ref}$ ไปทางขวาของ MPP (ฝั่ง $V_{oc}$) ซึ่งเสถียรกว่าฝั่งซ้าย
• ตอนเริ่มต้น: เริ่มที่ $0.8V_{oc}$ ที่วัดได้จริง (T8) และใช้ soft-start
• ทดสอบด้วยแหล่งจ่ายจำลองแผง (PV simulator / solar array simulator) หรือแหล่งจ่ายต่อตัวต้านทานอนุกรม ก่อนใช้แผงจริง (ดู แหล่งจ่ายทดสอบ)

ทดลองในซิมูเลเตอร์คอนเวอร์เตอร์

แล็บด้านล่างจำลองแผง 36 เซลล์ต่อบั๊กคอนเวอร์เตอร์ที่มี P&O MPPT ระดับการสวิตช์จริง ดูช่อง 1 (แรงดันแผง) และช่อง 2 (กระแสแผง) ไต่ขึ้นหา MPP แล้วแกว่งรอบจุดนั้น ลองเปลี่ยนแสง G ระหว่างจำลอง หรือเปลี่ยนโหลด แล้วดูว่า MPPT ตามได้เร็วแค่ไหน ฉบับเต็มอยู่ที่ แล็บจำลองคอนเวอร์เตอร์

ประเด็นระดับปริญญาโท ขั้นสูง

• Drift ของ P&O เมื่อแสงเพิ่มต่อเนื่อง (ramp) — แก้ด้วย dP-P&O ที่แยกผลของแสงด้วยการวัดกลางคาบ
• Model-based / extremum seeking control ใช้ ripple ของการสวิตช์เป็นสัญญาณขยับเอง (ripple correlation control) ตอบสนองระดับ kHz
• MPPT ในอินเวอร์เตอร์เฟสเดียว: กำลังกระเพื่อม 100 Hz บน DC-link ทำให้ $V_{pv}$ กระเพื่อม — ต้องเลือกช่วงวัดและ C ให้เหมาะ (ดู อินเวอร์เตอร์)
• เสถียรภาพของลูปแรงดันขาเข้า: ความต้านทานพลวัตของแผงเปลี่ยนจากบวกมากใกล้ $V_{oc}$ ไปเป็นค่าน้อยใกล้ $I_{sc}$ — gain ของ plant เปลี่ยนตามจุดทำงาน ตัวชดเชยต้องเสถียรทั้งช่วง (ดู ออกแบบตัวชดเชย)
• ทดสอบตาม EN 50530 ด้วยโปรไฟล์แสงขึ้นลงแบบ ramp ที่กำหนด วัด static และ dynamic MPPT efficiency