光伏系统最大功率点跟踪方法
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强度；ISCK 为 250C 和 1000 W/m2 条件下的短路电流； IL 为光照产生的光伏电流；EG 为硅的禁带宽度；B， A 为理想系数；Tr=301.180K 为参考温度；Ior 为 Tr 下电池单元的饱和电流；Rsh 和 Rs 为等效电阻。
根据光伏电池的等效电路以及输出特性方程， 用光伏电池输出电压、电流和功率之间的关系可以
2 光伏电池特性
单块光伏电池的简化等值电路如1图1所示，电 气特性可由式（1）表示。
IL
Rs +
Rsh
U RL
Id
Ish
Βιβλιοθήκη Baidu
I
图 1 光伏电池等效电路
I
=
IL
−
I
O
⎧ ⎨exp ⎩
⎡ ⎢⎣
q AkT
(U
+
IR
S
)⎥⎦⎤
−
⎫ 1⎬
⎭
−
U
+ IRs R sh
（1）
IO
=
⎡T
I
or
⎢ ⎣
Tr
⎤ ⎥ ⎦
3
exp
功率等于变换器输出功率；
②负载两端电压（蓄电池电压或电网电压）恒
定不变。
根据假设可得式(6)，式中 K 为常数。
PPV = Pout = ULIL UL = K
（6）
所以：
PPV ∝ IL
（7）
将式(7)带入式(5)化简得：
( ) Dk+1 = Dk + ΔD sign(ΔD) sign ILk − ILk−1 （8）
L1
+ C1
Vpv
_
VT1
Iout
L2 C2
D1
C3 Vout +
图 9 光伏充电系统主电路 Fig.9 Main circuit of photovoltaic charging system
图 10 为两者最大功率跟踪时的光伏阵列电压 对比。在 7:00~16:00 这段时间内，每隔 30 分钟进 行采样记录。图 11 为两者最大功率跟踪时的最大 输出功率对比。可以看出应用本文方案的样机输出 功率不但保持了很好的跟踪持续性，且波动更小。
式（8）为直流电流控制最大功率点跟踪判断
依据，可知：该方法仅需一个电流传感器，根据负
载电流大小直接进行扰动方向判断，不再需要对光
伏电池输出电压和输出电流进行检测及功率计算，
简化算法，降低成本。
这种方法通过周期跟踪电流有效值 I，调节脉
宽控制量 M，使得变换器输出电流有效值 I 始终维 持最大可输出量，从而实现光伏阵列的最大功率输
I/A P/W
P/W
得到如图 2 所示的 U-I 以及 U-P 特性曲线。
4
ISC IMP3P
1000W/M2
最大功率点(MPP)
2
80
60 PMPP 40
1
20
0
0
0
5
10
15 UMPP20UOC 25
U/V
图 2 光伏电池输出特性曲线
3 扰动观测法原理
扰动观测法的工作原理为[2-3]：设 Dk+1 和 Dk 分 别为第 k+1、k 时刻变换器占空比；△D 为扰动控制 量； Pk 和 Pk-1 分别为第 k、k-1 时刻光伏电池输出 功率；符号函数 sign()作如下定义：
实验参数为：光伏阵列开路电压 Vpv=480V， C2=1.5uF，L1 = L2 =44uH，C4=5uF，L3 =700uH，并 网电压 Vg=223V。
图 7 为并网输出电流软启动后进行最大功率点 跟踪的光伏阵列电压 Vpv 与并网电流 Ig 波形。可以 看出应用本文方案最大功率跟踪速度快，光伏阵列
⎧sign(x) = 1 (x ≥ 0) ⎩⎨sign(x) = −1 (x < 0)
（4）
进行最大功率点跟踪时，若 Pk 大于 Pk-1，则继 续同方向增大变换器占空比；否则减小变换器占空 比。因而下一次的占空比可由式（5）决定：
Dk+1 = Dk + ΔD sign(ΔD) sign(Pk − ) Pk−1 （5）
输出电压波动小，并网功率始终维持最大。 图 8 为单相并网波形电网电压 Vg 和并网电流 Ig
实验波形，可以看出电网电压存在 THD=3.8%的畸 变时（这是电网质量问题，与本实验无关），并网 电流不受电网影响，仍然保持较好的正弦性， THD=3.2%。
图 6 电流型光伏并网主电路
图 7 光伏系统启动和最大功率点跟踪过程
0
5
10 15 20 25
U/V
图 3 扰动观测法原理
返回
图 4 直接电流控制最大功率点跟踪流程
对于输出电压不稳定的情况，例如电网波动和 蓄电池电压改变，该方法也同样适用。如图 5，当 光伏板输出功率为等功率曲线 a 时，若电网电压由 V1 降低至 V2，且瞬时调制深度 M 不变，并网电流 I 会因电压降低而增大，逆变器工作点 A 自动移至 B 点，此时功率不变依然在等功率曲线 a 上。系统 依然按照 MPPT 程序调节调制深度 M，使得输出功 率 P=U×I ，同样维持最大可输出功率。当此时光 照强度再次变强时，若电网电压维持 V2 不变，则 输出电流上升到 C 点，为等功率曲线 b，功率增大。 反之，当并网电压升高时也可用同样控制方法取得 很好的效果。
摘要：在传统的光伏系统最大功率点跟踪（MPPT）策略中，扰动观测法是检测系统的输入电压电流，计算其输入功率并 使其达到最大。本文在分析了光伏电池特性及数学模型的基础上，提出了一种以系统输出电流最大为目标、不依赖光伏电池 输出特性检测的最大功率点跟踪策略。最后，通过电流型光伏并网逆变器和光伏充电器的实验结果，该方案的可行性和正确 性得到了验证。
图 8 并网电压、电流和电流谐波分析
为了验证该方案的实用性和稳定性，本文又制 作了一台 2kW 光伏充电器实验样机，配 1960W 光 伏 电 池 阵 列 ， 开 路 电 压 为 330V ， 与 SMA SunnyBoy3800 型光伏并网逆变器（配 3360W 光伏 电池阵列，开路电压 480V）进行全天跟踪对比。
出。图 4 为直接电流控制最大功率点跟踪算法流程。
开始
电流采样
重复上述操作，直到光伏电池工作于 Pn 点。
60
Pn-1 Pn
P4
40
P2 P3
P5
P1
20
Y
I=Iold
I >Iold Y
DIR=0 Y
D = D + ΔD
N
N
D = D − ΔD
DIR=0
Y
DIR = 1 D = D − ΔD
N
DIR = 0 D = D + ΔD
传统扰动观测法需要对光伏电池输出电压和
电流同时进行采样。如果能够根据变换器输出电流
作为判断依据进行最大功率点跟踪，则不仅可以省
去两个传感器，而且不需乘法运算。降低系统成本
的同时提高了跟踪的快速性。直接电流控制最大功
率点跟踪法正是基于这点提出的，下面将具体分析
其工作原理。
先作两个假设：
①变换器自身功率损耗为零，即光伏电池输出
关键词：光伏系统，最大功率点跟踪，蓄电池充电 Keywords: photovoltaic system, Maximum power point tracking, Battery charging
1 引言
光伏电池板受器件本身特性的影响，转换效率 仍然很低、造价较高，严重制约了光伏发电产业的 发展。同时，光伏电池的输出特性受日照强度、环 境温度、负载等外部因素的影响，使得光伏电池的 输出功率极不稳定。因此，根据光伏电池输出特性 进 行 最 大 功 率 点 跟 踪 （ Maximum Power Point Tracking, MPPT），使光伏电池工作在最大功率点附 近，可以有效提高系统输出功率及对太阳能的利用 率，促进光伏发电系统推广应用[1]。
图 3 为外部环境不变时光伏电池输出 U-P 曲 线。设光伏电池初始工作点 P2，对控制系统施加扰
动量 ΔD ，工作点移至 P3，输出功率增大，说明施
加的扰动量使光伏电池输出功率向增大的方向运 行，可以继续增加相同扰动；若施加的扰动为
- ΔD ，则系统工作在 P1 点，须施加相反的扰动量；
4 直接电流控制最大功率点跟踪
图 5 并网电压变化时的最大功率点跟踪
5 实验验证及结果分析
为了验证以上方案，本文进一步制作了一台 3kW 单相电流型光伏并网逆变器实验样机。在该系 统中（如图 6 所示）：通过改变高频逆变调制深度 M，使得并网电流 Ig 维持可输出的最大值，即光伏 阵列到达了当时最大可输出功率。其中，VT1~4 构成 高频逆变部分，开关频率 fS=20kHz。L1、L2、C3 构 成导抗变换器[4,5,6]，实现电压源向电流源的转换， T1 为 1:2 的高频逆变器、D1~4 为高频整流桥，TV5~6 为工频逆变。
Abstract: In conventional maximum power point tracking（MPPT）strategy of photovoltaic System , the disturbance observation technology needs to measure the input voltage and current in order that the input power is maximized. With the analysis of characteristic and mathematic model of photovoltaic cell , a MPPT strategy is proposed in this paper which aims at getting maximum output current and doesn’t need to get the output characteristic of photovoltaic cell. The experiment results of a current source PV grid-connected inverter and a PV charger verify the availability and correctness of the proposed method.
扰动观测法通过给变换器叠加一个占空比扰 动量，通过周期性检测光伏电池输出电压和电流并 计算输出功率，由此功率判断施加扰动量的方向， 从而达到最大功率点跟踪。该方法跟踪速度快，但 由于检测器件多，成本高。
本文在扰动观测法的基础上，提出一种直接电 流控制最大功率点跟踪方法，仅以变换器输出电流 的大小作为判断依据，进行最大功率点跟踪控制， 简化控制算法，同时省去扰动观测法中的电压传感 器，降低系统成本。
⎡ ⎢ ⎢⎣
qEG Bk
⎜⎜⎝⎛
1 Tr
−
1 T
⎟⎟⎠⎞⎥⎥⎦⎤
（2）
IL [= ISCR + KI (T − 25)]λ 100
（3）
式中，I—单元电池输出电流；U—单元电池输出电 压；I0 为单元电池反向饱和电流；T 为单元电池的 热力学温度（K）；k 为波兹曼常数；q 为电子电荷
电量；KI 为 ISCK 下的短路电流温度系数； λ 为日照
致谢 本文承上海市教委重点科研基金 (06ZZ03)、台达电力 电子科教发展基金(DREO2006017)，特此致谢。
图 10 光伏电池输出电压比较 Fig.10 The output voltage comparison of PV cell
参考文献 1 张强, 刘建政, 李国杰. 单相光伏并网逆变器瞬时电流
基于电流直接控制的光伏电池最大功率点跟踪策略
A Maximum Power Point Tracking Strategy Of Photovoltaic Cell Based On Direct Current Control
上海大学自动化系 崔开涌 Email: arnakin@126.com 陈国呈 张翼 俞俊杰
充电系统（如图 9 所示），采用 Cuk 电路[7-8]， 维持充电电流 Iout 最大值的调节量为 VT1 占空比 D。 电路实验参数为：光伏阵列开路电压 Vpv=320V， 蓄电池电压 Vout=220V~270V，C1= C3=2200uF，L1 = L2 =700uH，C2=2uF，VT1 开关频率 fS=10kHz。
行了改进，提出了一种以输出电流最大为目标、不 依赖光伏电池输出特性检测的直接电流控制最大 功率点跟踪策略。通过电流型光伏并网逆变器和光 伏充电器的实验结果验证了该方案的可行性和正 确性。本方案具有结构简单，控制方便，成本低， 效率高，传感器精度要求不高等特点，不仅适用于 天气条件变化较快的场合，对于输出电压变化较大 的场合也有很好的跟踪效果。同时并网电流不受电 网电压影响，可以实现高功率因数电流源并网。
检测与补偿控制[J]. 2007,31(10):50-53. 2 Case M J, Joubert M J, Harrison T A. A novel photovoltaic
根据光伏电池的等效电路以及输出特性方程， 用光伏电池输出电压、电流和功率之间的关系可以
2 光伏电池特性
单块光伏电池的简化等值电路如1图1所示，电 气特性可由式（1）表示。
IL
Rs +
Rsh
U RL
Id
Ish
Βιβλιοθήκη Baidu
I
图 1 光伏电池等效电路
I
=
IL
−
I
O
⎧ ⎨exp ⎩
⎡ ⎢⎣
q AkT
(U
+
IR
S
)⎥⎦⎤
−
⎫ 1⎬
⎭
−
U
+ IRs R sh
（1）
IO
=
⎡T
I
or
⎢ ⎣
Tr
⎤ ⎥ ⎦
3
exp
功率等于变换器输出功率；
②负载两端电压（蓄电池电压或电网电压）恒
定不变。
根据假设可得式(6)，式中 K 为常数。
PPV = Pout = ULIL UL = K
（6）
所以：
PPV ∝ IL
（7）
将式(7)带入式(5)化简得：
( ) Dk+1 = Dk + ΔD sign(ΔD) sign ILk − ILk−1 （8）
L1
+ C1
Vpv
_
VT1
Iout
L2 C2
D1
C3 Vout +
图 9 光伏充电系统主电路 Fig.9 Main circuit of photovoltaic charging system
图 10 为两者最大功率跟踪时的光伏阵列电压 对比。在 7:00~16:00 这段时间内，每隔 30 分钟进 行采样记录。图 11 为两者最大功率跟踪时的最大 输出功率对比。可以看出应用本文方案的样机输出 功率不但保持了很好的跟踪持续性，且波动更小。
式（8）为直流电流控制最大功率点跟踪判断
依据，可知：该方法仅需一个电流传感器，根据负
载电流大小直接进行扰动方向判断，不再需要对光
伏电池输出电压和输出电流进行检测及功率计算，
简化算法，降低成本。
这种方法通过周期跟踪电流有效值 I，调节脉
宽控制量 M，使得变换器输出电流有效值 I 始终维 持最大可输出量，从而实现光伏阵列的最大功率输
I/A P/W
P/W
得到如图 2 所示的 U-I 以及 U-P 特性曲线。
4
ISC IMP3P
1000W/M2
最大功率点(MPP)
2
80
60 PMPP 40
1
20
0
0
0
5
10
15 UMPP20UOC 25
U/V
图 2 光伏电池输出特性曲线
3 扰动观测法原理
扰动观测法的工作原理为[2-3]：设 Dk+1 和 Dk 分 别为第 k+1、k 时刻变换器占空比；△D 为扰动控制 量； Pk 和 Pk-1 分别为第 k、k-1 时刻光伏电池输出 功率；符号函数 sign()作如下定义：
实验参数为：光伏阵列开路电压 Vpv=480V， C2=1.5uF，L1 = L2 =44uH，C4=5uF，L3 =700uH，并 网电压 Vg=223V。
图 7 为并网输出电流软启动后进行最大功率点 跟踪的光伏阵列电压 Vpv 与并网电流 Ig 波形。可以 看出应用本文方案最大功率跟踪速度快，光伏阵列
⎧sign(x) = 1 (x ≥ 0) ⎩⎨sign(x) = −1 (x < 0)
（4）
进行最大功率点跟踪时，若 Pk 大于 Pk-1，则继 续同方向增大变换器占空比；否则减小变换器占空 比。因而下一次的占空比可由式（5）决定：
Dk+1 = Dk + ΔD sign(ΔD) sign(Pk − ) Pk−1 （5）
输出电压波动小，并网功率始终维持最大。 图 8 为单相并网波形电网电压 Vg 和并网电流 Ig
实验波形，可以看出电网电压存在 THD=3.8%的畸 变时（这是电网质量问题，与本实验无关），并网 电流不受电网影响，仍然保持较好的正弦性， THD=3.2%。
图 6 电流型光伏并网主电路
图 7 光伏系统启动和最大功率点跟踪过程
0
5
10 15 20 25
U/V
图 3 扰动观测法原理
返回
图 4 直接电流控制最大功率点跟踪流程
对于输出电压不稳定的情况，例如电网波动和 蓄电池电压改变，该方法也同样适用。如图 5，当 光伏板输出功率为等功率曲线 a 时，若电网电压由 V1 降低至 V2，且瞬时调制深度 M 不变，并网电流 I 会因电压降低而增大，逆变器工作点 A 自动移至 B 点，此时功率不变依然在等功率曲线 a 上。系统 依然按照 MPPT 程序调节调制深度 M，使得输出功 率 P=U×I ，同样维持最大可输出功率。当此时光 照强度再次变强时，若电网电压维持 V2 不变，则 输出电流上升到 C 点，为等功率曲线 b，功率增大。 反之，当并网电压升高时也可用同样控制方法取得 很好的效果。
摘要：在传统的光伏系统最大功率点跟踪（MPPT）策略中，扰动观测法是检测系统的输入电压电流，计算其输入功率并 使其达到最大。本文在分析了光伏电池特性及数学模型的基础上，提出了一种以系统输出电流最大为目标、不依赖光伏电池 输出特性检测的最大功率点跟踪策略。最后，通过电流型光伏并网逆变器和光伏充电器的实验结果，该方案的可行性和正确 性得到了验证。
图 8 并网电压、电流和电流谐波分析
为了验证该方案的实用性和稳定性，本文又制 作了一台 2kW 光伏充电器实验样机，配 1960W 光 伏 电 池 阵 列 ， 开 路 电 压 为 330V ， 与 SMA SunnyBoy3800 型光伏并网逆变器（配 3360W 光伏 电池阵列，开路电压 480V）进行全天跟踪对比。
出。图 4 为直接电流控制最大功率点跟踪算法流程。
开始
电流采样
重复上述操作，直到光伏电池工作于 Pn 点。
60
Pn-1 Pn
P4
40
P2 P3
P5
P1
20
Y
I=Iold
I >Iold Y
DIR=0 Y
D = D + ΔD
N
N
D = D − ΔD
DIR=0
Y
DIR = 1 D = D − ΔD
N
DIR = 0 D = D + ΔD
传统扰动观测法需要对光伏电池输出电压和
电流同时进行采样。如果能够根据变换器输出电流
作为判断依据进行最大功率点跟踪，则不仅可以省
去两个传感器，而且不需乘法运算。降低系统成本
的同时提高了跟踪的快速性。直接电流控制最大功
率点跟踪法正是基于这点提出的，下面将具体分析
其工作原理。
先作两个假设：
①变换器自身功率损耗为零，即光伏电池输出
关键词：光伏系统，最大功率点跟踪，蓄电池充电 Keywords: photovoltaic system, Maximum power point tracking, Battery charging
1 引言
光伏电池板受器件本身特性的影响，转换效率 仍然很低、造价较高，严重制约了光伏发电产业的 发展。同时，光伏电池的输出特性受日照强度、环 境温度、负载等外部因素的影响，使得光伏电池的 输出功率极不稳定。因此，根据光伏电池输出特性 进 行 最 大 功 率 点 跟 踪 （ Maximum Power Point Tracking, MPPT），使光伏电池工作在最大功率点附 近，可以有效提高系统输出功率及对太阳能的利用 率，促进光伏发电系统推广应用[1]。
图 3 为外部环境不变时光伏电池输出 U-P 曲 线。设光伏电池初始工作点 P2，对控制系统施加扰
动量 ΔD ，工作点移至 P3，输出功率增大，说明施
加的扰动量使光伏电池输出功率向增大的方向运 行，可以继续增加相同扰动；若施加的扰动为
- ΔD ，则系统工作在 P1 点，须施加相反的扰动量；
4 直接电流控制最大功率点跟踪
图 5 并网电压变化时的最大功率点跟踪
5 实验验证及结果分析
为了验证以上方案，本文进一步制作了一台 3kW 单相电流型光伏并网逆变器实验样机。在该系 统中（如图 6 所示）：通过改变高频逆变调制深度 M，使得并网电流 Ig 维持可输出的最大值，即光伏 阵列到达了当时最大可输出功率。其中，VT1~4 构成 高频逆变部分，开关频率 fS=20kHz。L1、L2、C3 构 成导抗变换器[4,5,6]，实现电压源向电流源的转换， T1 为 1:2 的高频逆变器、D1~4 为高频整流桥，TV5~6 为工频逆变。
Abstract: In conventional maximum power point tracking（MPPT）strategy of photovoltaic System , the disturbance observation technology needs to measure the input voltage and current in order that the input power is maximized. With the analysis of characteristic and mathematic model of photovoltaic cell , a MPPT strategy is proposed in this paper which aims at getting maximum output current and doesn’t need to get the output characteristic of photovoltaic cell. The experiment results of a current source PV grid-connected inverter and a PV charger verify the availability and correctness of the proposed method.
扰动观测法通过给变换器叠加一个占空比扰 动量，通过周期性检测光伏电池输出电压和电流并 计算输出功率，由此功率判断施加扰动量的方向， 从而达到最大功率点跟踪。该方法跟踪速度快，但 由于检测器件多，成本高。
本文在扰动观测法的基础上，提出一种直接电 流控制最大功率点跟踪方法，仅以变换器输出电流 的大小作为判断依据，进行最大功率点跟踪控制， 简化控制算法，同时省去扰动观测法中的电压传感 器，降低系统成本。
⎡ ⎢ ⎢⎣
qEG Bk
⎜⎜⎝⎛
1 Tr
−
1 T
⎟⎟⎠⎞⎥⎥⎦⎤
（2）
IL [= ISCR + KI (T − 25)]λ 100
（3）
式中，I—单元电池输出电流；U—单元电池输出电 压；I0 为单元电池反向饱和电流；T 为单元电池的 热力学温度（K）；k 为波兹曼常数；q 为电子电荷
电量；KI 为 ISCK 下的短路电流温度系数； λ 为日照
致谢 本文承上海市教委重点科研基金 (06ZZ03)、台达电力 电子科教发展基金(DREO2006017)，特此致谢。
图 10 光伏电池输出电压比较 Fig.10 The output voltage comparison of PV cell
参考文献 1 张强, 刘建政, 李国杰. 单相光伏并网逆变器瞬时电流
基于电流直接控制的光伏电池最大功率点跟踪策略
A Maximum Power Point Tracking Strategy Of Photovoltaic Cell Based On Direct Current Control
上海大学自动化系 崔开涌 Email: arnakin@126.com 陈国呈 张翼 俞俊杰
充电系统（如图 9 所示），采用 Cuk 电路[7-8]， 维持充电电流 Iout 最大值的调节量为 VT1 占空比 D。 电路实验参数为：光伏阵列开路电压 Vpv=320V， 蓄电池电压 Vout=220V~270V，C1= C3=2200uF，L1 = L2 =700uH，C2=2uF，VT1 开关频率 fS=10kHz。
行了改进，提出了一种以输出电流最大为目标、不 依赖光伏电池输出特性检测的直接电流控制最大 功率点跟踪策略。通过电流型光伏并网逆变器和光 伏充电器的实验结果验证了该方案的可行性和正 确性。本方案具有结构简单，控制方便，成本低， 效率高，传感器精度要求不高等特点，不仅适用于 天气条件变化较快的场合，对于输出电压变化较大 的场合也有很好的跟踪效果。同时并网电流不受电 网电压影响，可以实现高功率因数电流源并网。
检测与补偿控制[J]. 2007,31(10):50-53. 2 Case M J, Joubert M J, Harrison T A. A novel photovoltaic