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改进的基于输出电流的光伏电池最大功率
点跟踪策略
胡贤新，王小昆*
作者简介：胡贤新（1986-），男，硕士研究生，主要从事光伏并网系统的控制研究. E-mail:
（中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏 徐州 221008）
摘要：针对基于输出参数的最大功率点跟踪控制算法动态响应慢的问题，本文通过两种途径
予以解决，一是减小母线电容的大小，二是采用变步长的扰动观察法。相比于传统的最大功
率点跟踪控制算法需要同时检测系统的输入电压和电流两个量，基于输出参数的最大功率点
跟踪控制算法仅需检测一个量。另外为了减小输入功率的误差，本文检测输出电流。这样在
满足系统的动态响应的同时，不仅节约了成本，而且提高了系统的功率密度。仿真和实验结
果验证了该方案的可行性和正确性。
关键词：最大功率点跟踪；Boost；输出参数；变步长
中图分类号：TM615
A Modified Control Method of Photovoltaic Maximum
Power Point Based on Output Current
Hu Xianxin, Wang Xiaokun
(School of Information and Electrical Engineering,China University of Mining and Technology,
JiangSu XuZhou 221008)
Abstract: To modify the dynamic performance of the control method of photovoltaic maximum power
point based on output parameters, this paper adopts two methods, which is to decrease the DC link
capacitance and adopt the perturb & observe method with variable step. Contrary to the control method
having to measure the input voltage and current, the method based on the output parameters need only
one measurement. In addition, it is reasonable to measure the output current to decrease the error of the
input power. It can economize the cost and raise the power density. The simulation and the experiment
result verify the availability and correctness of the proposed method.
Keywords:Maximum power point tracking;Boost;output parameter;variable step
0 引言
光伏发电作为一种具有广阔前景的绿色能源，已成为国内外研究的热点。但光伏电池的
转换效率较低，造价偏高，严重制约了该产业的发展。如何最大限度的利用太阳能电池所产
生的能量以及减少光伏发电系统的总成本，是所有研究人员需要面临的问题，这也是推广光
伏发电系统应用的主要课题[1][2]。
目前最大功率点跟踪控制方法主要有扰动观察法、电导增量法、短路电流法、模糊控制、
滑模变结构控制等，但这些算法都是以光伏电池的输入功率为控制变量，这就需要同时检测
光伏电池的输入电压和电流。由于需要两个检测器件，成本比较高。
本文仅通过检测负载端电流的变化，调节 Boost电路的占空比，使输出电流达到最大值，
间接实现最大功率点的跟踪控制。通过在光照突变情况和负载突变情况下的跟踪情况的仿真
和实验验证，该算法是可行的。
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1 输出参数控制原理
图 1 Boost变换器主电路
Main circuit of Boost converter
在 DC-DC变换器中，当输入功率最大时，输出功率亦达到最大值。
文献[3]和文献[4]中指出，输出电压、输出电流与输入功率是单调函数关系。这样我们
可以只检测一个参数(输出电压或输出电流)，控制其达到最大值，就可实现输入功率的最大
功率点的跟踪控制，在简化控制算法的同时，也节省了一个传感器。
文献[3]中指出输出电压对输入功率的灵敏度比输出电流对输入功率的灵敏度大，即在相
同误差的情况下，由输出电压引起的误差更大。为了减小输入功率的误差，检测输出电流更
合理。本文采用 Boost电路作为主电路，其电路如图 1所示。
2 改进的输出电流控制策略
传统的输出电流控制策略的缺点
在输入参数控制中，扰动观察法是应用比较广泛的一种最大功率点跟踪算法，而其在输
出电流控制控制中也是一种比较常见的控制算法。在本文中，为了便于比较，均采用扰动观
察法控制。
文献[5]中指出，基于输入参数的扰动观察法，系统的动态性能主要受输入电容 C1影响，
C1 越小，系统的动态响应就越快；而基于输出电流的扰动观察法，其动态性能不仅与输入
电容 C1有关，而且还受输出电容 C2的影响，C2越大，系统的动态响应就越慢。而在实际的
光伏发电系统中，为了确保母线电压的稳定性，C2 一般都选择比较大的值，这就严重影响
了输出电流控制的动态响应。
另外，与输入参数控制一样，步长的大小将决定基于输出电流控制的最大功率点的跟踪
速度，步长较小时光伏阵列很可能长时间工作于低功率输出区，当步长较大时最大功率点附
近的波动又会加大，造成能量损失。
改进的输出电流控制策略
为了克服上述的缺点，本文从输出电容和步长两个方面进行解决。
系统参数设计
文献[6]指出，在单相光伏逆变器中，通过对母线电压的预测控制，可以允许母线电压有
大约 10%的纹波，这样就大大的减小母线电容的取值，即 C2的值。由 节的分析可知，
输出电流控制的动态响应也随之提高。
本文采用一块光伏板，其开路电压为 44V，短路电流为 ，最大功率点电压为 ，
最大功率点电流为 。根据上述的要求对 Boost的各个参数进行设计[5]，选取电感 4mH ,
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输入电容 C1为 20μF，输出电容 C2为 300μF。
图 2算法流程图
Flowchart of the algorithm
变步长的输出电流控制
针对扰动观察法的缺点，本文采用变步长扰动观察法提高其动态性能。其流程图如图 2
所示（△D1>△D2）。
设定一个阈值ε，当电流的变化的绝对值大于ε时，大致有三种情况：1.当前电流远离
系统在最大功率点时的电流；2.光照突变时，电流相应的产生较大的变化；3.负载突变时，
电流相应的产生较大的变化。以上三种情况下，均需要采用较大步长，以提高跟踪速度。当
电流的变化的绝对值小于ε时，可以看成当前电流接近于系统在最大功率点时的电流，这时
采用较小的步长，以提高跟踪精度，避免系统在最大功率点附近产生振荡，造成不必要的损
失。
3 仿真验证
根据上面的分析，搭建基于输出电流的最大功率点跟踪控制仿真模型。如图 3所示。图
3(a)是主电路仿真图，图 3(b)是基于输出电流的最大功率点控制仿真图。
为了验证算法的可行性，对光照突变情况下的参数变化进行仿真，仿真结果如图 4所示。
由图 4可知输出电流与输入功率之间为单调函数关系，即当输入功率达到最大时，输出电流
也达到最大。说明基于输出电流的最大功率点跟踪控制策略是可行的。
(a) 基于输出电流控制的主电路仿真图
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(b) 基于输出电流的最大功率点跟踪控制仿真图
图 3基于输出电流控制的仿真图
The simulation model via output current
0 1400
500
600
700
800
900
时间/s
光照
/ W
/m
2
(a) 光照突变情况
(b) 输入功率、输出电流波形
图 4 光照突变时输入功率、输出电流波形
Simulation results of abrupt change of illuminance
另外，本文对在光照突变时基于输入参数控制和基于输出电流控制的控制效果进行对比
分析，如图 5所示。图 5(a)是光照的突变情况，图 5(b)和图 5(c)都是在此情况下所得的结果。
两者均采用变步长的扰动观察法。从图 5(b)和图 5(c)可以看出，基于输出电流控制的算法在
启动时略慢于基于输入参数控制的算法，不过这种劣势不是很大。另外，在光照突变时，基
于输出电流控制的算法与基于输入参数控制的算法的跟踪速度差不多。
0
500
600
700
800
900
时间/s
光
照
/ W
/m
2
(a) 光照突变情况
0
20
40
60
80
100
120
140
时间/s
功率
/ W
(b) 基于输出电流的跟踪情况
0
20
40
60
80
100
120
140
时间/s
功
率
/ W
(c) 基于输入参数的跟踪情况
图 5 基于输出电流和基于输入参数的控制在光照突变时最大功率点跟踪情况的比较
The comparison of simulation results of abrupt change of illuminance via output current and input
parameters
4 实验验证
为了验证以上方案，本文搭建了一个 Boost 电路的实验平台进行验证。实验结果如图
6~图 8 所示。图 6 表示启动时刻的输入电压、电流和输出电压、电流的波形。图 7 和图 8
表示负载突变时的输入电压、电流和输出电压、电流的波形。其中图 7是从 11Ω切换到 22
Ω，图 8是从 22Ω切换到 44Ω。可以看出基于输出电流的最大功率点跟踪的动态响应比较
快，而且稳态误差也较小。
5 结论
通过仿真分析和实验验证表明基于输出电流的变步长扰动观察法是可行的。在光照条件
0 10
20
40
60
80
100
120
140
时间/s
功
率
/W
电
流
/A
输入功率
输出电流的20倍
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变化和负载突变时，系统有很好的动态性能。相比于传统的最大功率点跟踪控制算法需要同
时检测系统的输入电压和电流两个量，基于输出电流的最大功率点跟踪控制算法仅需检测一
个量。这样在满足系统的动态响应的同时，不仅节约了成本，而且提高了系统的功率密度，
这有利于推广光伏发电系统的应用。
时间(50ms/格)
图 6 启动时刻的输入电压、电流
和输出电压、电流
Experimental results at
start-up instant
时间(25ms/格)
图 7 负载从 11Ω突变到 22Ω时
的输入功率、电流和输出电流、
电压波形
Experimental results during
load transients (11Ω-22Ω)
时间(25ms/格)
图 8 负载从 22Ω突变到 44Ω时
的输入功率、电流和输出电流、
电压波形
Experimental results during
load transients(22Ω-44Ω)
[参考文献] (References)
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