基于回测和曲线拟合的光伏最大功率追踪方法技术领域
本发明涉及一种光伏最大功率追踪方法，特别是涉及一种基于回测和曲线
拟合的光伏最大功率追踪方法。
背景技术
随着光伏发电系统在世界范围内的部署，光伏发电系统也渐渐暴露出了许
多问题。光伏电池板价格依然偏高，这使光伏发电系统的投资成本较高；光伏
电池工作效率偏低，光伏电池不能完全的发挥其效能。
现有条件下光伏电池的价格无法大幅的下降，只能尽可能的提高光伏电池
的工作效率来充分利用太阳能，这需要良好的控制算法，特别是光伏最大功率
跟踪控制算法。通过光伏最大功率跟踪控制算法能使光伏电池一直工作在最大
功率点，实现功率的最大输出，提升整个系统的效率。
最先被人们应用来做光伏最大功率跟踪控制的算法是固定电压法(CVT)，
即固定光伏阵列的输出电压不变，该电压是依据光伏电池的输出P-U曲线来确
定的。固定电压法控制最为简单，容易实现，运行也稳定可靠，当前仍有一些
系统采用该算法。但固定电压法动态特性不好，不能应对外界环境的变化，如
环境温度、光照强度的变化等，这会使光伏阵列损失一定的能量。
为了应对外界环境的不断变化，做到真正的跟踪控制，人们又研究出了扰
动观察法(P&O)，俗称爬山法。该算法基于光伏电池的输出P-V曲线，定时
的给光伏阵列增加扰动，增加或减小输出电压，并观察扰动前后输出功率的变
化，根据比较结果决定下一次扰动的方向，从而寻找到最大功率工作点。该算
法真正实现了光伏阵列最大功率的动态跟踪，同时对检测电路的要求较低，是
现在应用最为广泛的最大功率跟踪控制算法之一。但扰动观察法也有自身的不
足，如跟踪到最大功率点后会在其附近来回振荡，损失掉部分能量。
在扰动观察法被不断应用的同时，为了适应更加快速的环境变化，实现光
伏系统对最大功率点的快速跟踪，有学者提出了电导增量法(INC)。电导增量
法通过分析光伏电池输出P-V曲线，提出通过计算输出电导增量的方法来决定
跟踪方向。该算法通过计算的方法实现最大功率跟踪，其反应速度快，容易实
现快速跟踪控制，比较适合于外界环境变化较快的区域使用，但同时电导增量
法也有其缺点，如要求的检测电路精度高，控制器运算速度要求快等。
发明内容
为克服上述现有技术存在的不足，本发明之一目的在于提供一种基于回测
和曲线拟合的光伏最大功率追踪方法，其采用回测并结合插值法拟合光伏电池
的P-U曲线，通过计算的方式来确定MPP(最大功率点)，减小了在MPP附近
的来回扰动，大幅降低了由此带来的效率损耗。
本发明之另一目的在于提供一种基于回测和曲线拟合的光伏最大功率追踪
方法，其对于光照突变的场合能够快速识别响应，而且在MPP附近扰动较少，
适合大功率光伏组件的MPPT场合。
为达上述及其它目的，本发明提出一种基于回测和曲线拟合的光伏最大功
率追踪方法，包括如下步骤：
步骤一，通过回测的方式，保证同一时刻MPPT控制器至少获得3个光伏
组件的工作点；
步骤二，利用以回测方式获得的光伏组件的三个工作点，根据预设的MPPT
追踪方向判断依据，判断当前光伏组件工作点和最大功率点之间的位置关系，
并判断是否出现光照突变；
步骤三，于出现光照突变情况时，根据最新测得的数据，重新以最小扰动
寻找最大功率点；
步骤四，当测得的光伏组件的工作点接近最大功率点时，通过回测得到的
光伏电池P-U曲线上的三个数据点，使用拉格朗日插值方式来拟合光伏组件的
近似P-U曲线。
进一步地，步骤一包括：
步骤1.1，控制系统在开机的时候检测光伏电池组件开路电压，设定光伏电
池输出电压初始参考值为，测量此时的电池组件输出电压和输出功率，记录为
(Ub,Pb)；
步骤1.2，给MPP电路一个扰动电压ΔUref，通过扰动光伏电池组件的输出
电压记录另外两个工作点，该两个工作点对应的电池组件输出电压
Ua＝Ub-ΔUref，Uc＝Ub+ΔUref，记录对应的工作点(Ua,Pa)，(Uc,Pc)，根据Pa,Pb,Pc关
系确定下一步追踪方向，并确定下一步的扰动电压幅度ΔUref；
步骤1.3，以步骤1.2中最接近最大功率点的工作点的电压作为新的电压起
点，以经过PI环节得到新的扰动电压ΔUref为扰动步长，继续回测的方法，再测
两个点，并记录对应的功率，再通过步骤1.2的方式判断下一步的扰动方向和步
长大小。
进一步地，于步骤1.1中，控制系统在开机的时候检测光伏电池组件开路电
压Uoc，设定光伏电池输出电压初始参考值为0.8Uoc。
进一步地，于步骤1.2中，ΔUref＝0.01Uoc。
进一步地，于步骤四之前，还包括：
增加追踪停止判据，以根据该追踪停止判据停止对光伏组件最大功率的追
踪。
进一步地，该追踪停止判据为max{|Pb-Pa|，|Pb-Pc|}＜ε，当符合此判据时，判
断光伏组件输出功率已达到最大功率点，停止对光伏组件最大功率的追踪。
进一步地，于步骤1.2中，确定好追踪方向后，根据当前功率相对电压的变
化率e1，通过一个PI控制器决定下一步的扰动电压幅度ΔUref。
进一步地，在远离最大功率点时以较大步长逼近，接近最大功率点时以较
小扰动进行。
进一步地，于步骤1.3中，采取最新测得的光伏电池输出工作点作为最新的
基准工作点，再根据本发明提出的最小扰动步长ΔUref＝0.01Uoc和回测方式来决定
下一步的追踪方向。
进一步地，于步骤四之后，还包括：
在该光伏组件的近似P-U曲线被拟合出来后，通过数学计算的方式得到曲
线的最大功率点对应的光伏组件电压，再通过控制器设定电池组件的参考工作
电压为此计算得到的电压值。
与现有技术相比，本发明一种基于回测和曲线拟合的光伏最大功率追踪方
法基于回测的方式，保证MPPT控制器可以通过光伏组件的3个工作点来判断
当前光伏组件工作点和最大功率点之间位置关系，而且可以避免光照突变时算
法失效，在接近最大功率点时，回测得到的3个工作点可以被用来拟合光伏组
件的P-U曲线，采用数学计算的方法来寻找最优解，可以减少硬件上的效率损
失，能够最大程度提高光伏组件的效率。
附图说明
图1为本发明一种基于回测和曲线拟合的光伏最大功率追踪方法的步骤流
程图；
图2为本发明光伏电池输出功率与电压关系曲线示意图；
图3为本发明具体实施例之基于回测和曲线拟合的光伏最大功率追踪方法
流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术
人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明
亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基
于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
图1为本发明一种基于回测和曲线拟合的光伏最大功率追踪方法的步骤流
程图。如图1所示，本发明一种基于回测和曲线拟合的光伏最大功率追踪方法，
包括如下步骤：
步骤101，通过回测的方式，保证同一时刻MPPT(MaximumPowerPoint
Tracking，最大功率追踪)控制器至少获得3个光伏组件的工作点。
本步骤通过回测的方式来避免光照突变造成的追踪方向错误，具体包括如
下：
1、控制系统在开机的时候检测光伏电池组件开路电压Uoc，设定光伏电池输
出电压初始参考值为0.8Uoc，根据相关文献，光伏电池组件在此输出电压时很接
近MPP(最大功率点)。测量此时的电池组件输出电压和输出功率，记录为
(Ub,Pb)。
2、给MPP电路一个扰动电压ΔUref＝0.01Uoc，通过扰动光伏电池组件的输出
电压记录另外两个工作点，这两个工作点对应的电池组件输出电压
Ua＝Ub-ΔUref，Uc＝Ub+ΔUref。记录对应的工作点(Ua,Pa)，(Uc,Pc)。根据Pa,Pb,Pc关
系判断下一步追踪方向，并确定下一步的扰动电压幅度ΔUref。如图2所示，如
果Pa＜Pb＜Pc，则Uc更加接近MPP(最大功率点)。确定好追踪方向后，这里当
前功率相对电压的变化率e1，即通过一个PI控制器决定下一步的扰动电
压幅度ΔUref。从而保证了追踪的步长是自适应的，在远离MPP时以较大步长逼
近，接近MPP时又以较小扰动进行，保证不会在MPP附近来回扰动，减小损
耗。
3、确定好扰动方向和步长后，以步骤2中最接近最大功率点的工作点的电
压(Uc)作为新的电压起点，以经过PI环节得到新的扰动电压ΔUref为扰动步长，
继续回测的方法，再测两个点Uc-ΔUref和Uc+ΔUref，并记录对应的功率，再通过
上述方式(步骤2的判断方式)判断下一步的扰动方向和步长大小。这里的
Uc-ΔUref是回测的一个光伏电池工作点，本发明相比传统算法，增加了这一步
骤，本发明针对光照突变情况的判据需要这个工作点数据。
步骤102，利用以回测方式获得的光伏组件的三个工作点，根据预设的MPPT
追踪方向判断依据，判断当前光伏组件工作点和最大功率点之间的位置关系，
并判断是否出现光照突变。具体描述如下：
如图2所示，控制器通过设定一个基本的工作点Ub,给光伏电池组件一个扰
动工作电压ΔUref，控制器会记录光伏电池在Ub左右两个点Ua和Uc的功率值，如
果在Ua时光照发生突然增强了，检测到的功率将会是Pa'，从图2曲线可以看到
Pa'＞Pb。如果采用传统的扰动观察法，Ua＜Ub而Pa'＞Pb，则根据光伏电池的P-U
曲线，得出当前Ua在MPP右侧，因此下一步的追踪方向是减少光伏电池的输出
电压。结合图2，此时继续减小光伏组件的输出电压，光伏组件的输出功率将会
进一步减小，这种追踪方向是错误的。
而采用本发明的回测法测得的三个工作点，Ua＜Ub＜Uc，而却出现了Pa'＞Pb且
Pc＞Pb，通过MPPT追踪方向判断依据，可以确定出现了光照突变情况。
步骤103，于出现光照突变情况时，根据最新测得的数据，重新以最小扰动
寻找最大功率点。
当判断出出现了光照突变情况时，本发明将采取最新测得的光伏电池输出
工作点(Ua,Pa')作为最新的基准工作点，再根据本发明提出的最小扰动步长
ΔUref＝0.01Uoc和回测方式来决定下一步的追踪方向。
步骤104，当测得的光伏组件的工作点接近最大功率点时，通过回测得到的
光伏电池P-U曲线上的三个数据点，使用拉格朗日插值方式来拟合光伏组件的
近似P-U曲线。光伏组件的近似P-U曲线被拟合出来后，通过数学计算的方式
得到曲线的最大功率点对应的光伏组件电压，再通过控制器设定电池组件的参
考工作电压为此计算得到的电压值。
较佳的，在步骤104之前，还包括如下步骤：
增加追踪停止判据，以根据该追踪停止判据停止对光伏组件最大功率的追
踪。
通过上述步骤，本发明可以很好的避免在MPP(最大功率点)的左侧或右
侧光照突变时产生的误判的问题。同时，本发明通过增加一个判据
max{|Pb-Pa|,|Pb-Pc|}＜ε，当符合此判据时，认为光伏组件输出功率已达到MPP(最
大功率点)，停止对光伏组件最大功率的追踪。
以下将配合图3及图2通过一具体实施例来说明本发明之基于回测和曲线
拟合的光伏功率追踪方法：
控制系统在开机的时候检测光伏电池组件开路电压Uoc，设定光伏电池输出
电压初始参考值为0.8Uoc，测量此时的电池组件输出电压和输出功率，记录为
(Ub,Pb)。给MPP电路一个扰动电压ΔUref＝0.01Uoc，通过扰动光伏电池组件的输
出电压记录另外两个工作点，这两个工作点对应的电池组件输出电压
Ua＝Ub-ΔUre，Uc＝Ub+ΔUref,记录对应的工作点(Ua,Pa)，(Uc,Pc)。根据Pa,Pb,Pc关
系判断下一步追踪方向。如图2所示，如果Pa＜Pb＜Pc，则Uc更加接近MPP。确
定好追踪方向后，这里当前功率相对电压的变化率e1，即通过一个PI
控制器决定下一步的扰动电压幅度ΔUref。从而保证了追踪的步长是自适应的，
在远离MPP时以较大步长逼近，接近MPP时又以较小扰动进行，保证不会在
MPP附近来回扰动，减小损耗。确定好扰动方向和步长后，以Uc作为新的电压
起点，以经过PI环节得到新的扰动电压ΔUref为扰动步长，继续回测的方法，再
测两个点Uc-ΔUref和Uc+ΔUref，并记录对应的功率，再通过上述方式判断下一步
的扰动方向和步长大小，这里的Uc-ΔUref是回测的一个光伏电池工作点。
如上所述，控制器通过设定一个基本的工作点Ub,给光伏电池组件一个扰动
工作电压ΔUref，控制器会记录光伏电池在Ub左右两个点Ua和Uc的功率值，如果
在Ua时光照发生突然增强了，检测到的功率将会是Pa'，从图2曲线可以看到
Pa'＞Pb。如果采用传统的扰动观察法，Ua＜Ub而Pa'＞Pb，则根据光伏电池的P-U
曲线，得出当前Ua在MPP右侧，因此下一步的追踪方向是减少光伏电池的输出
电压。此时继续减小光伏组件的输出电压，光伏组件的输出功率将会进一步减
小，然而这种追踪方向是错误的。
采用本发明的回测法测得的三个工作点，Ua＜Ub＜Uc，而却出现了Pa'＞Pb且
Pc＞Pb，因此增加预设的MPPT追踪方向判断依据，可以确定出现了光照突变，
本发明将采取最新测得的光伏电池输出工作点(Ua,Pa')作为最新的基准工作点，
再根据本发明提出的最小扰动步长ΔUref＝0.01Uoc和回测方式来决定下一步的追
踪方向。
可见，本发明避免了在MPP的左侧或右侧光照突变时误判的问题。同时，
可以增加一追踪停止判据max{|Pb-Pa|,|Pb-Pc|}＜ε，当符合此判据时，认为光伏组
件输出功率已达到MPP，停止对光伏组件最大功率的追踪。下表1为本发明具
体实施例中MPPT追踪方向判断依据：
表1MPPT追踪方向判据
如表1中，当出现Pb＞Pa＞Pc或Pb＞Pc＞Pa时，说明光伏电池的MPP已经在
(Ua,Uc)这个电压区间了，当回测的光伏电池的三个工作点满足这一条件时，不
再回测，使用插值拟合的方法，光伏电池输出功率可由式(1)得出：
P = U ( I L G - I O S { exp [ q α K T ( U + IR S ) ] - 1 } - U + IR S R s h ) - - - ( 1 ) ]]>
该表达式较为繁琐，实际的工程应用中不可能求解此方程来寻找光伏电池
的MPP。本发明提出的MPP方法，由于回测法有3个光伏电池工作点，因此采用
插值法来拟合光伏电池的P-U曲线，找到一条P-U曲线最大功率点附近近似的
初等函数表达式，这样将大大简化数据处理方法，求出光伏电池的最大功率点，
而且这样处理的另一个好处是，在MPP附近采用数学计算的方式来替代扰动观
察的方式，极大的减小了效率损耗，这在大功率光伏组件的MPPT场合很有应用
意义。对插值拟合的原理描述如下：
假设三个插值节点(Ua,Pa)，(Ub,Pb)，(Uc,Pc)，则插值多项式如式(2)
L2(U)＝Pa·la(U)+Pb·lb(U)+Pc·lc(U)(2)
其中：
l a ( U ) = ( U - U b ) · ( U - U c ) ( U a - U b ) · ( U a - U c ) - - - ( 3 ) ]]>
l b ( U ) = ( U - U a ) · ( U - U c ) ( U b - U a ) · ( U b - U c ) - - - ( 4 ) ]]>
l c ( U ) = ( U - U a ) · ( U - U b ) ( U c - U a ) · ( U c - U b ) - - - ( 5 ) ]]>
可以得到二次函数的一般表达式如下：
L2(U)＝x1U2+x2U+x3(6)
x 1 = P a ( U a - U b ) · ( U a - U c ) + P b ( U b - U a ) · ( U b - U c ) + P c ( U c - U a ) · ( U c - U b ) - - - ( 7 ) ]]>
x 2 = P a · ( U b + U c ) ( U a - U b ) · ( U a - U c ) + P b · ( U a + U c ) ( U b - U a ) · ( U b - U c ) + P c · ( U a + U b ) ( U c - U a ) · ( U c - U b ) - - - ( 8 ) ]]>
x 3 = P a · U b · U c ( U a - U b ) · ( U a - U c ) + P b · U a · U c ( U b - U a ) · ( U b - U c ) + P c · U a · U b ( U c - U a ) · ( U c - U b ) - - - ( 9 ) ]]>
拟合曲线的最大值点为在对光伏电池P-U曲线进行近似拟合
时，只需要将选择的三个点(Ua,Pa)，(Ub,Pb)，(Uc,Pc)带入式(7),(8),(9)，求出
系数x1,x2,x3，根据拟合得到的近似P-U抛物线曲线最大输出功率P对应的
采用插值拟合的方法可以用较少的计算就求出光伏组件最大功率点处
的电压，根据计算值让控制器控制光伏电池输出参考电压Uref＝Um，并记录此电
压下光伏电池组件输出功率Pm。
再从(Ua,Pa)，(Ub,Pb)，(Uc,Pc)，(Um,Pm)这4点中选择输出功率最大的三个点
(U1,P1)，(U2,P2)，(U3,P3)，注意选择出来的功率点一定要满足P1＜P2＜P3且U1＜U2＜U3
的条件才可以使用插值拟合的方法来求解新最大功率点。根据选出来的三个工
作点进一步进行插值曲线拟合并求得最大功率点对应的参考电压，方法步骤不
再赘述。
本发明将当前采样到的光伏电池最大输出功率Pnow与前一循环的最大功率
Pbefore进行比较。当|Pnow-Pbefore|＜ε时，停止曲线拟合，即认为已经找到最大功率点。
综上所述，本发明一种基于回测和曲线拟合的光伏最大功率追踪方法基于
回测的方式，保证MPPT控制器可以通过光伏组件的3个工作点来判断当前光
伏组件工作点和最大功率点之间位置关系，而且可以避免光照突变时算法失效，
在接近最大功率点时，回测得到的3个工作点可以被用来拟合光伏组件的P-U
曲线，采用数学计算的方法来寻找最优解，可以减少硬件上的效率损失，能够
最大程度提高光伏组件的效率。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。
任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行
修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。