MPPT Algorithm

Introduction 

This is an algorithm implemented in the PV Inverter to continuously adjust the impedance received by the PV array so that the PV system operates close to the MPP (Maximum Power Point) of the PV panel when conditions such as solar irradiance, temperature, and load change.

1. P&O(Perturbation & Observation)

작동 원리

1. Perturbation: 시스템의 동작점을 작은 폭으로 변화시킴.

2. Observation: Perturbation으로 인한 출력 전력의 변화를 관찰함.

3. 전력 변화의 방향에 따라 다음 Perturbation의 방향을 결정함.

4. 반복: MPP(Maximum Power Point)에 도달할 때까지 1~3 반복함.

장단점

장점

- 단순성: 구현이 간단하고 복잡한 수식이 없음.

- 범용성: 다양한 PV System에 적용 가능함.

- 적응성: 환경 조건 변화에 대응 가능함.

 

단점

1) 정상 상태에서 출력전압/출력전류가 지속적으로 진동함.(Chattering)

2) 급격한 환경 변화에 대한 대응이 느릴 수 있습니다.

P&O 알고리즘의 구현

1. 현재 전압/ 전류 측정(센싱)

2. 현재 전력 계산(P = V * I)

3. 이전 전력값과 비교

4. 전력 변화에 따른 섭동 방향 결정

5. 새로운 레퍼런스 전압 설정

6. 다음 주기(시간)에 1번 회귀

동작 로직

1. 전압 증가 후 전력 증가: 같은 방향으로 Perturbation

2. 전압 증가 후 전력 감소: 반대 방향으로 Perturbation 

3. 전압 감소 후 전력 증가: 같은 방향으로 Perturbation

4. 전압 감소 후 전력 감소: 반대 방향으로 Perturbation

Power voltage curve according to I-V, P-V characteristics

 

Perturbation & Observation Algorithm Block diagram

2. IC(Incremental Conductance)

작동원리 

IC Algorithm은 PV array의 Incremental Conductance(ΔI/ΔV)와 순간 전도도(I/V)를 비교하는 것을 기반으로 하여

Power Curve의 inclination를 분석하여 MPP(Maximum Power Point)를 추적한다.

 

분석 구간

MPP                  :  ΔP/ΔV = 0

Left Side MPP   :  ΔP/ΔV > 0

Right Side MPP :  ΔP/ΔV < 0

알고리즘 단계

1. 전류 및 전압 측정

2. ΔI, ΔV 계산

3. ΔI/ ΔV와 -I/V 비교

    ΔI/ΔV = -I/V, 

    ΔI/ΔV > -I/V, MPP 좌측(전압 증가)

    ΔI/ΔV < -I/V, MPP 우측(전압 감소)

4. Vref 조정

5. 반복

 

장점

- High tracking accuracy in steady state
- Excellent performance even under rapidly changing atmospheric conditions

- When MPP is reached, the surrounding vibrations are eliminated.

단점

- It is more complex to implement than simple algorithms like P&O.
- It requires more sensors for current and voltage measurements.

 

성능

- Faster convergence and more stable operation than P&O, especially under various conditions
- Typical settling time is about 0.1 seconds

 

Power voltage curve according to I-V, P-V characteristics

 

Incremental Conductance Block diagram

 

전력은 전압과 전류의 곱으로 정의된다. 

전력을 전압에 대해 미분을 하면 다음과 같다. 

 

3. ESC(Extremum Seeking Control)

모델 없는 실시간 적응형 제어 알고리즘으로, 시스템의 동특성을 정확히 알지 못하는 상황에서도 최적의 동작점을 찾을 수 있다.

특징

모델 독립성: System Model에 대한 사전 지식없이 작동가능

실시간 적응: 변화하는 System Parameter에 적응 가능

최적화 기반: 목적함수(Ex. Output Power)를 최대화하는 방향으로 제어

작동 원리

1. 변조: 낮은 진폭의 정현파 신호로 제어 파라미터(예: 태양전지 전압)를 섭동
2. 시스템 응답: 시스템이 섭동에 반응하여 목적 함수 값 변화
3. 복조: 목적 함수 신호에 변조 신호와 동일한 주파수의 정현파를 곱함
4. 파라미터 업데이트: 복조된 신호를 적분하여 제어 파라미터 값 갱신

MPPT에서의 ESC 적용

효율적인 MPP 추적: 태양전지의 비선형적 특성에도 불구하고 MPP 효과적으로 추적 가능

환경변화 대응: 일사량, 온도 증의 변화에 실시간으로 적응 가능

안정성: Lyapunov 안정성 분석을 통해 전역 안정성 보장 가능