MPPT: Perturb & Observe เทียบกับ Incremental Conductance

อินเวอร์เตอร์กริดทุกตัวที่ขายในไทยวันนี้มีอัลกอริทึม การติดตามจุดกำลังไฟฟ้าสูงสุด (Maximum Power Point Tracking – MPPT) ฝังอยู่ในเฟิร์มแวร์ ทำหน้าที่ปรับแรงดันทำงานของแผงให้อยู่ที่จุดกำลังไฟฟ้าสูงสุดตลอดเวลา ใบสเปคของหลายแบรนด์เขียนว่าอัลกอริทึม Incremental Conductance (IncCond) “แม่นยำกว่า” Perturb & Observe (P&O) โดยไม่มีตัวเลขกำกับ และผู้ซื้อไม่น้อยเลือกอินเวอร์เตอร์จากคำโฆษณานี้ทั้งที่ยังไม่เห็นตัวเลขจริง งานวิจัยที่ทดสอบทั้งสองอัลกอริทึมตามมาตรฐาน EN 50530 (Sera et al., 2013) วัดส่วนต่างประสิทธิภาพการติดตามได้เพียง 0.02% ในสภาวะแสงคงที่ และ 0.13% ในสภาวะแสงเปลี่ยนแปลง — เล็กกว่าที่การตลาดมักอ้างมาก การเลือกอัลกอริทึมจึงเป็นเรื่องงบประมาณเซ็นเซอร์และการประมวลผล ไม่ใช่พลังงานที่ได้เพิ่มขึ้น สิ่งที่กระทบผลผลิตไฟจริงบนหลังคาไทยคือว่าอินเวอร์เตอร์ตัวนั้นสแกนหาจุดสูงสุดที่แท้จริง (Global MPP) ได้ถูกต้องหรือไม่ เมื่อมีเงาบังบางส่วนจากต้นไม้ ถังน้ำ หรืออาคารข้างเคียง

P&O ปรับแรงดันทีละก้าวแล้ววัดผลว่ากำลังเพิ่มหรือลด

Perturb and Observe (P&O) ทำงานด้วยการก่อกวน (perturb) แรงดันทำงานของแผงทีละก้าวเล็ก ๆ ผ่านการปรับอัตราส่วนการทำงาน (Duty Cycle) ของสวิตช์กำลัง แล้วสังเกต (observe) ว่ากำลังไฟฟ้าขาออกเปลี่ยนไปในทิศทางใด ก่อนตัดสินใจว่าจะก่อกวนซ้ำในทิศทางเดิมหรือกลับทิศในรอบถัดไป

หากการก่อกวนในทิศทางหนึ่ง เช่น เพิ่มแรงดัน ทำให้กำลังเพิ่มขึ้น อัลกอริทึมจะตีความว่ากำลังเคลื่อนที่เข้าใกล้ MPP และสั่งก่อกวนทิศทางเดิมต่อในรอบถัดไป หากกำลังลดลง แสดงว่ากำลังเคลื่อนออกห่างจาก MPP จึงกลับทิศทาง วนรอบนี้ซ้ำต่อเนื่องหลายร้อยครั้งต่อวินาที

จุดที่ต้องเข้าใจคือ พฤติกรรมนี้ทำให้จุดทำงานแกว่งอยู่รอบ MPP ตลอดเวลาโดยการออกแบบของอัลกอริทึมเอง ไม่ใช่ข้อบกพร่องของการเขียนโปรแกรม เพราะ P&O ไม่มีกลไกที่บอกให้ “หยุด” เมื่อถึงจุดสูงสุด (Islam et al., 2018) ภายใต้สภาวะที่ความเข้มแสงเปลี่ยนเร็ว เช่น มีเมฆเคลื่อนผ่าน P&O อาจตัดสินใจผิดทิศทางชั่วขณะ ที่เรียกกันว่า drift เพราะมันแยกไม่ออกว่ากำลังที่เปลี่ยนไปมาจากการก่อกวนของตัวเองหรือจากความเข้มแสงที่เปลี่ยน กว่าจะกู้คืนทิศทางที่ถูกต้องได้ก็สูญเสียพลังงานไปแล้วบางส่วน (Islam et al., 2018) เทคนิค Adaptive Step-Size P&O ซึ่งลดขนาดก้าวก่อกวนเมื่อใกล้ MPP ช่วยบรรเทาทั้งการแกว่งและการ drift ได้ในระดับหนึ่ง แต่ตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงช้าลง

งานจำลองหนึ่งชิ้น (Shakoor & Taha, 2022) วัดประสิทธิภาพการติดตามของ P&O ได้ 99.9-99.995% ในช่วงความเข้มแสง 500-1000 W/m² และอุณหภูมิ 15-50°C แต่ในกรณีความเข้มแสงต่ำมากเฉพาะจุด (300 W/m², 25°C) ตัวเลขลดลงเหลือ 68.17% ด้วยชุดจูนตัวควบคุม PI ค่าหนึ่งที่ใช้ในงานวิจัยนั้น — นี่คือผลจากการจำลองชิ้นเดียวที่จูนพารามิเตอร์เฉพาะแบบ ไม่ควรอ่านเป็นคุณสมบัติทั่วไปของ P&O ทุกการติดตั้ง

Incremental Conductance เปรียบเทียบความชันของเส้นโค้ง P-V แล้วหยุดเมื่อถึงจุดสูงสุด

Incremental Conductance (IncCond) หาตำแหน่ง MPP โดยเปรียบเทียบค่าความนำเพิ่ม (incremental conductance, dI/dV) กับค่าความนำสถิตกลับเครื่องหมาย (-I/V) ที่จุดทำงานปัจจุบัน แล้วปรับแรงดันตามผลต่างของทั้งสองค่า

ที่จุด MPP อนุพันธ์ของกำลังต่อแรงดันมีค่าเป็นศูนย์ (dP/dV = 0) เมื่อกระจายพจน์ P = IV ด้วยกฎผลคูณ จะได้ dP/dV = I + V·(dI/dV) = 0 หรือจัดรูปใหม่เป็น dI/dV = -I/V ด้านซ้ายคือค่าความนำเพิ่มที่วัดได้จากการเปลี่ยนแปลงของกระแสและแรงดันระหว่างสองรอบการสุ่ม ด้านขวาคือค่าความนำสถิต ณ ปัจจุบันกลับเครื่องหมาย (Islam et al., 2018)

• หาก dI/dV > -I/V แสดงว่าอยู่ทางซ้ายของ MPP (แรงดันต่ำเกินไป) ต้องเพิ่มแรงดัน
• หาก dI/dV < -I/V แสดงว่าอยู่ทางขวาของ MPP (แรงดันสูงเกินไป) ต้องลดแรงดัน
• หาก dI/dV = -I/V แสดงว่าอยู่ที่ MPP พอดี ไม่ต้องปรับแรงดัน

ข้อได้เปรียบเชิงโครงสร้างของ IncCond คือเงื่อนไขข้อสุดท้ายนี้เอง เมื่อสมการสมดุลแล้ว อัลกอริทึมจะหยุดก่อกวน ไม่แกว่งไปมารอบ MPP เหมือน P&O และเมื่อความเข้มแสงเปลี่ยนเร็ว มันแยกทิศทางการเปลี่ยนแปลงของกระแสและแรงดันได้ชัดกว่า จึงมีโอกาสหลงทิศน้อยกว่า P&O ในทางทฤษฎี ต้นทุนของความแม่นยำนี้คือการคำนวณที่ซับซ้อนกว่า ต้องการเซ็นเซอร์วัดกระแสและแรงดันที่มีความละเอียดสูงกว่า และไวต่อสัญญาณรบกวนมากกว่า เพราะอัตราส่วน dI/dV คำนวณจากค่าความต่างเล็ก ๆ ระหว่างรอบการสุ่ม ซึ่งขยายสัญญาณรบกวนตามไปด้วย (Islam et al., 2018)

P&O กับ Incremental Conductance วัดประสิทธิภาพต่างกันจริงเพียง 0.02-0.13%

เมื่อทดสอบทั้งสองอัลกอริทึมภายใต้มาตรฐานเดียวกัน ส่วนต่างประสิทธิภาพการติดตามที่วัดได้มีเพียงเศษเสี้ยวของเปอร์เซ็นต์ ไม่ใช่ช่องว่างขนาดใหญ่อย่างที่เอกสารการตลาดบางฉบับสื่อ

มาตรฐานที่ใช้วัดประสิทธิภาพการติดตาม MPPT ของอินเวอร์เตอร์กริดคือ EN 50530 (CENELEC) ซึ่งแยกการวัดเป็นสองส่วน คือ static MPPT efficiency ที่ทดสอบภายใต้เส้นโค้ง I-V คงที่ และ dynamic MPPT efficiency ที่ทดสอบขณะความเข้มแสงกำลังเปลี่ยนแปลงระหว่างการทดสอบ (EN 50530:2010+A1:2013, ข้อมูล ณ เดือนกรกฎาคม 2569) Sera, Mathe, Kerekes, Spataru และ Teodorescu (2013) ทดสอบ P&O และ IncCond ตามขั้นตอนนี้ และวัดส่วนต่างระหว่างสองอัลกอริทึมได้เพียง 0.02% ในสภาวะ static และ 0.13% ในสภาวะ dynamic ผู้วิจัยสรุปว่า P&O และ IncCond ให้ผล “เทียบเท่ากัน” ในทางปฏิบัติสำหรับการอิมพลีเมนต์ที่ดี (Sera et al., 2013)

ผลนี้ไม่ได้ขัดแย้งกับข้อได้เปรียบเชิงโครงสร้างของ IncCond ที่อธิบายไปข้างต้น — IncCond หยุดก่อกวนที่ MPP จริง ไม่แกว่งโดยการออกแบบ ขณะที่ P&O แกว่งตลอดเวลา นี่เป็นข้อเท็จจริงทางวิศวกรรมที่ถูกต้อง แต่พลังงานที่สูญเสียจากการแกว่งของ P&O ในทางปฏิบัตินั้นเล็กมาก จนวัดต่างจาก IncCond ได้ไม่ถึง 0.15 จุดเปอร์เซ็นต์ การเลือกอัลกอริทึมจึงควรตัดสินจากงบประมาณเซ็นเซอร์และการประมวลผลของผู้ผลิต — ไม่ใช่จากตัวเลขพลังงานที่อ้างว่าได้เพิ่มขึ้น

หัวข้อ	Perturb & Observe (P&O)	Incremental Conductance (IncCond)
กลไกการทำงาน	ก่อกวน duty cycle ทีละก้าว แล้ววัดทิศทางการเปลี่ยนแปลงของกำลัง	เปรียบเทียบ dI/dV กับ -I/V จากอนุพันธ์ของ P = IV ที่ MPP
พฤติกรรมที่สภาวะคงที่	แกว่งรอบ MPP ตลอดเวลาโดยการออกแบบ	หยุดก่อกวนเมื่อถึง MPP แทบไม่แกว่ง
พฤติกรรมเมื่อแสงเปลี่ยนเร็ว	เสี่ยงตัดสินใจผิดทิศทางชั่วขณะ (drift)	แยกทิศทางจาก dI, dV ได้ชัดกว่า หลงทิศน้อยกว่าในทางทฤษฎี
ต้นทุนเซ็นเซอร์ / การประมวลผล	ต่ำ อ่านค่า V, I คำนวณง่าย	สูงกว่า ต้องการเซ็นเซอร์ความละเอียดสูง ไวต่อสัญญาณรบกวนกว่า
ประสิทธิภาพที่วัดได้จริง (EN 50530)	ส่วนต่างระหว่างสองอัลกอริทึมวัดได้ 0.02% (static) และ 0.13% (dynamic) — ผู้วิจัยสรุปว่าเทียบเท่ากันในทางปฏิบัติ

ตัวเลขข้างต้นวัดจากเส้นโค้ง P-V ที่มียอดเดียว (single-peak) — สถานการณ์ในสภาพหลังคาที่ไม่มีเงาบังเลย บนหลังคาจริงในไทย ตัวแปรที่ทำให้ผลผลิตหายไปมากกว่าส่วนต่าง 0.13% หลายเท่าคือการมีเงาบังบางส่วน

เงาบังบางส่วนทำให้เส้นโค้ง P-V มีหลายจุดสูงสุด และเป็นจุดที่อัลกอริทึมพื้นฐานพลาดบ่อยที่สุด

เมื่อแผงบางแผงในสตริงเดียวกันได้รับแสงไม่เท่ากัน ไดโอดบายพาสจะทำให้เส้นโค้ง P-V ของทั้งสตริงมีจุดสูงสุดมากกว่าหนึ่งจุด และอัลกอริทึมไต่ระดับพื้นฐานอย่าง P&O หรือ IncCond มีความเสี่ยงที่จะหยุดอยู่ที่จุดสูงสุดเฉพาะที่ (local maximum) แทนที่จะเป็นจุดสูงสุดจริง (global maximum) ของทั้งสตริง

บนหลังคาบ้านและอาคารพาณิชย์ในไทย สาเหตุของเงาบังบางส่วนที่พบบ่อยไม่ใช่แค่เมฆเคลื่อนผ่านชั่วคราว แต่รวมถึง:

• เงาต้นไม้ที่ทอดยาวขึ้นตามช่วงเวลาของวัน โดยเฉพาะช่วงเช้าและบ่ายแก่
• ถังเก็บน้ำหรือแท้งก์บนดาดฟ้า
• อาคารข้างเคียงที่สร้างสูงขึ้นภายหลังการติดตั้งแผง
• เสาอากาศ ปล่องระบายอากาศ หรือของเกะกะอื่น ๆ บนหลังคาที่ทอดเงาข้ามแผงบางแผงในสตริงตลอดวัน ไม่ใช่แค่ชั่วขณะ

เมื่อกลุ่มเซลล์ในแผงถูกบัง ไดโอดบายพาสจะนำกระแสของสตริงให้ไหลอ้อมกลุ่มเซลล์ที่ถูกบังนั้น แทนที่จะปล่อยให้เซลล์ที่ถูกบัง (ซึ่งผลิตกระแสได้น้อยกว่า) เป็นตัวจำกัดกระแสของทั้งสตริง (กลไกไดโอดบายพาสและเส้นโค้ง I-V ระดับแผงเป็นหัวข้อของบทความแยกต่างหาก) ผลลัพธ์คือเส้นโค้ง P-V ของสตริงไม่เรียบเป็นยอดเดียวอีกต่อไป แต่มีจุดสูงสุดย่อยแทรกอยู่ระหว่างทาง อัลกอริทึมไต่ระดับแบบดั้งเดิมไม่มีวิธีแยกแยะว่าจุดสูงสุดที่เจอเป็นจุดสูงสุดเฉพาะที่หรือจุดสูงสุดจริง เพราะมันรู้แค่ทิศทางความชันของกำลังในบริเวณใกล้ตัวเท่านั้น (Islam et al., 2018)

จากงานติดตั้งของเราเอง ปริมาณการสูญเสียจากเงาบังที่เห็นในระบบจริงมักใกล้เคียงกับที่แบบจำลองประเมินไว้ตั้งแต่ขั้นออกแบบ ซึ่งมีนัยเชิงปฏิบัติสองข้อ ข้อแรกคือการจำลองเงาก่อนติดตั้งเชื่อถือได้มากพอที่จะใช้ตัดสินใจเรื่องสถาปัตยกรรมระบบ ไม่ใช่แค่เอกสารประกอบการขาย ข้อที่สองคือเมื่อผลจำลองชี้ว่าการสูญเสียจากเงาสูงเกินกว่าจะยอมรับได้ เราจะเสนอ Power Optimizer หรือ Micro Inverter ตั้งแต่ขั้นออกแบบ แทนที่จะหวังให้อัลกอริทึม MPPT ของ string inverter ตัวเดียวไปแก้ปัญหาเงาให้ทั้งระบบภายหลัง

เพื่อแก้ปัญหานี้ ฟังก์ชัน Global MPPT (GMPPT) จึงถูกพัฒนาขึ้นเป็นชั้นเพิ่มเติมเหนืออัลกอริทึมไต่ระดับ GMPPT ทำงานโดยกวาดแรงดัน (สแกน) ตลอดช่วงตั้งแต่ใกล้แรงดันวงจรเปิด (Voc) ลงมาจนถึงแรงดันต่ำสุดที่ยอมรับได้ เพื่อสร้างแผนที่กำลังไฟฟ้าทั้งเส้นโค้งแล้วระบุตำแหน่งจุดสูงสุดจริง จากนั้นจึงส่งต่อให้อัลกอริทึม P&O หรือ IncCond ไต่เข้าล็อกที่จุดนั้นอย่างละเอียด การสแกนจะถูกกระตุ้นเป็นช่วง ๆ หรือเมื่อระบบตรวจพบว่ากำลังลดลงผิดปกติจากที่แบบจำลองคาดไว้ (Islam et al., 2018)

ผลกระทบจากการพลาด Global MPP มักมากกว่าส่วนต่าง 0.02-0.13% ระหว่าง P&O กับ IncCond หลายเท่า เพราะการติดอยู่ที่จุดสูงสุดเฉพาะที่อาจทำให้ทั้งสตริงทำงานที่กำลังต่ำกว่าจุดจริงอย่างมีนัยสำคัญตลอดช่วงเวลาที่มีเงาบัง นี่คือเหตุผลที่คำตอบของบทความนี้ไม่ใช่ “เลือก IncCond เพราะแม่นยำกว่า” แต่เป็น “ตรวจว่าอินเวอร์เตอร์รองรับ Global MPPT หรือไม่”

สิ่งที่ควรเช็คบนดาต้าชีทอินเวอร์เตอร์ ก่อนตัดสินใจเรื่อง MPPT

รายการที่มีผลต่อผลผลิตไฟจริงมากกว่าชื่ออัลกอริทึม MPPT ที่ระบุในโบรชัวร์ คือจำนวนช่อง MPPT อิสระ ช่วงแรงดันทำงาน และว่าอินเวอร์เตอร์รองรับ Global MPPT / Multiple Peak Scan หรือไม่

• จำนวนช่อง MPPT อิสระ — string inverter ทั่วไปมี 1-3 ช่อง (ขึ้นกับรุ่น) แต่ละช่องคุมสตริงแยกจากกัน ยิ่งมีหลายช่อง ยิ่งแยกสตริงที่มีเงาบังออกจากสตริงที่ไม่มีเงาได้ ลดผลกระทบจาก mismatch ระหว่างสตริง
• ช่วงแรงดันทำงาน MPPT (MPPT operating voltage range) — ต้องครอบคลุมแรงดันของแผงที่ใช้งานจริงตลอดทั้งปี รวมช่วงอุณหภูมิสูงสุด-ต่ำสุดของพื้นที่ติดตั้ง
• ฟังก์ชัน Global MPPT / Multiple Peak Scan — ผู้ผลิตบางรายระบุชัดเจนในสเปคชีท บางรายไม่ระบุเลย ควรสอบถามตรง ๆ หากพื้นที่ติดตั้งมีเงาบังบางส่วนแม้เพียงบางช่วงเวลาของวัน
• ทางเลือกสถาปัตยกรรมระดับแผง — หากพื้นที่ติดตั้งมีเงาบังถาวรบางจุด เช่น ปล่องควันหรืออาคารสูงบังแผง 1-2 แผงตลอดวัน การใช้ Power Optimizer หรือ Micro Inverter ซึ่งให้ MPPT อิสระแยกทุกแผง จะตัดปัญหา mismatch ทิ้งทั้งหมด แลกกับต้นทุนต่อวัตต์ที่สูงขึ้น รายละเอียดเปรียบเทียบสถาปัตยกรรมทั้งสามแบบและเงื่อนไขที่แต่ละแบบคุ้มค่า อ่านเพิ่มเติมได้ที่ String / Optimizer / Micro Inverter เลือกแบบไหน

หากไม่แน่ใจว่าการลงทุนเพิ่มใน Power Optimizer คุ้มกับปริมาณเงาที่หลังคาของคุณมีจริงหรือไม่ ให้ประเมินระยะคืนทุนด้วยเครื่องคำนวณ ROI เทียบกับส่วนต่างค่าไฟที่คาดว่าจะสูญเสียจากเงาบังต่อปี

ดูรีวิวอินเวอร์เตอร์ที่ผ่านการทดสอบจริง พร้อมสเปคจำนวนช่อง MPPT และช่วงแรงดันทำงานของแต่ละรุ่น ได้ที่หมวดอินเวอร์เตอร์

หมายเหตุ: ทีมงาน Sunny Thailand เป็นบริษัทออกแบบและติดตั้งระบบโซล่าเซลล์ (EPC) ด้วย ข้อสังเกตข้างต้นมาจากงานติดตั้งจริงประกอบกับงานวิจัยที่เปิดเผยต่อสาธารณะ ไม่ใช่การจัดอันดับหรือโปรโมทอินเวอร์เตอร์ยี่ห้อใดยี่ห้อหนึ่งเป็นการเฉพาะ

สรุปเชิงวิศวกรรม

ส่วนต่างประสิทธิภาพการติดตามที่วัดได้ระหว่าง P&O กับ IncCond อยู่ที่ 0.02% (สภาวะแสงคงที่) และ 0.13% (สภาวะแสงเปลี่ยนแปลง) ตามมาตรฐาน EN 50530 — เล็กเกินกว่าจะเป็นเกณฑ์ตัดสินใจหลักในการเลือกอินเวอร์เตอร์ ข้อได้เปรียบเชิงโครงสร้างของ IncCond ที่หยุดก่อกวนเมื่อถึง MPP เป็นจริง แต่แลกมาด้วยต้นทุนเซ็นเซอร์และการประมวลผลที่สูงกว่า ตัวแปรที่กระทบผลผลิตไฟจริงบนหลังคาไทยมากกว่าหลายเท่าคือการมีเงาบังบางส่วนที่ทำให้เส้นโค้ง P-V มีหลายจุดสูงสุด และอัลกอริทึมพื้นฐานที่ไม่มี Global MPPT อาจติดอยู่ที่จุดสูงสุดเฉพาะที่ ก่อนเลือกอินเวอร์เตอร์ ให้ตรวจจำนวนช่อง MPPT ช่วงแรงดันทำงาน และฟังก์ชัน Global MPPT / Multiple Peak Scan มากกว่าชื่ออัลกอริทึมที่ระบุในโบรชัวร์

อ้างอิง

1. Sera, D., Mathe, L., Kerekes, T., Spataru, S.V., & Teodorescu, R. (2013). “On the Perturb-and-Observe and Incremental Conductance MPPT Methods for PV Systems.” IEEE Journal of Photovoltaics, 3(3), 1070-1078. https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2013.2261118 — เข้าถึงเมื่อ 18 ก.ค. 2569
2. Islam, H., Mekhilef, S., Shah, N.B.M., Soon, T.K., Seyedmahmousian, M., Horan, B., & Stojcevski, A. (2018). “Performance Evaluation of Maximum Power Point Tracking Approaches and Photovoltaic Systems.” Energies, 11(2), 365. https://doi.org/10.3390/en11020365 — เข้าถึงเมื่อ 18 ก.ค. 2569
3. Shakoor, A.M., & Taha, H.H. (2022). “Modelling and Simulation of Perturb and Observe MPPT Algorithm Based on The PI Controller for Photovoltaic System.” Kurdistan Journal of Applied Research, 7(2), 71-83. DOI: 10.24017/Science.2022.2.6. https://kjar.spu.edu.iq/index.php/kjar/article/view/750 — เข้าถึงเมื่อ 18 ก.ค. 2569
4. EN 50530:2010 + A1:2013 — “Overall efficiency of grid connected photovoltaic inverters.” CENELEC TC 82 (2010, amended 2013). https://www.evs.ee/en/evs-en-50530-2010 — เข้าถึงเมื่อ 18 ก.ค. 2569