文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.165888
中文引用格式： 孫昌旭，吳孔平，鹿青梅. 滑模控制光伏陣列最大功率點(diǎn)的研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017，43(8)：136-139，143.
英文引用格式： Sun Changxu，Wu Kongping，Lu Qingmei. Study on maximum power point of sliding mode control photo-voltaic array[J].Application of Electronic Technique，2017，43(8)：136-139，143.
0 引言
一直以來(lái)，來(lái)自太陽(yáng)能的電力改革幅度越來(lái)越大。已經(jīng)創(chuàng)建了許多專(zhuān)用的最大功率跟蹤算法，以便太陽(yáng)能電池陣列產(chǎn)生最好發(fā)電效率。一類(lèi)被稱(chēng)之為“擾動(dòng)觀察法”最大功率跟蹤方法已被廣泛采用和接受。由于滑模控制表現(xiàn)出高穩(wěn)定性和快速性(通常優(yōu)于線性控制器)，并且在許多情況下易于實(shí)現(xiàn)(取決于滑動(dòng)表面)，于是在DC-DC升壓斬波電路的切換模式廣泛采用滑模控制思想。在早期的報(bào)告中闡述多種基于滑模控制最大功率點(diǎn)跟蹤[1-12]。
與基于PWM的最大功率點(diǎn)跟蹤方式類(lèi)似，本文提出了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單滑模控制的最大功率點(diǎn)。該滑模控制器具有兩個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：首先，通過(guò)適當(dāng)選擇開(kāi)關(guān)面，對(duì)輻射變化的響應(yīng)加速一個(gè)數(shù)量級(jí)；此外，滑模控制可以作為利于操作電壓源或電流源，保證了整個(gè)光伏曲線上的穩(wěn)定性。
1 光伏陣列的特性
所述的太陽(yáng)能電池是內(nèi)部結(jié)構(gòu)P-N結(jié)型的半導(dǎo)體器件，它能夠?qū)⑻?yáng)輻射能轉(zhuǎn)換成電能。太陽(yáng)能電池非線性特性和工作點(diǎn)依賴日照水平、環(huán)境溫度和末端電力負(fù)載。太陽(yáng)能電池陣列的關(guān)鍵指標(biāo)包括在最大功率點(diǎn)(MPP)上的電壓和電流(Vmp和Imp)、開(kāi)路電壓(Voc)和短路電流(Isc)。如圖1所示，光照幅度上升時(shí)，太陽(yáng)能電池陣列特性曲線電流范圍與電壓范圍增量同時(shí)擴(kuò)大，光伏陣列伴隨著產(chǎn)出更多的功率；相反地，如果光照幅度下降時(shí)，光伏陣列將提供較少的功率并且產(chǎn)生較小的功率點(diǎn)。
2 控制設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
在典型的升壓斬波電路應(yīng)用中，期望將輸出電壓調(diào)節(jié)到恒定值，并且根據(jù)輸入電壓和電流選擇開(kāi)關(guān)面。在其他情況下，例如滑模控制的逆變器中，輸出電壓需要遵循正弦波形，此時(shí)將會(huì)選擇時(shí)變開(kāi)關(guān)面。對(duì)于最大功率點(diǎn)跟蹤，本文選擇電壓和電流的線性組合來(lái)定義開(kāi)關(guān)面。
該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。假設(shè)輸出電容器無(wú)窮大，則升壓斬波電路的輸出電壓可以假定為常數(shù)。因此，光伏電池的輸出電壓和電流構(gòu)成升壓斬波電路的狀態(tài)變量，式（1）給出的滑模控制器的開(kāi)關(guān)面。
其中，v是太陽(yáng)能電池陣列輸入電壓，i是升壓斬波電路電感電流，a和b是光伏特性曲線i-v的斜率并且是非負(fù)的，ref為偏移量。
如圖3所示，光伏陣列期望的工作點(diǎn)為開(kāi)關(guān)面S=0與光伏陣列特性曲線的交點(diǎn)。最大功率點(diǎn)跟蹤算法對(duì)輸入功率進(jìn)行采樣并且不斷進(jìn)行迭代，并實(shí)時(shí)更新偏離常數(shù)ref。為了獲得最大功率，更新偏離常數(shù)ref不斷調(diào)整開(kāi)關(guān)面，保證在任何情況下滑模控制器的開(kāi)關(guān)面能與光伏陣列特性曲線的最大功率點(diǎn)相交。
2.2 最佳開(kāi)關(guān)面坡度
許多開(kāi)關(guān)面能夠提供足夠的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性，而本文選擇式(1)線性開(kāi)關(guān)面。式(1)中偏移常數(shù)ref由最大功率點(diǎn)跟蹤控制器設(shè)置。然而，由于偏移常數(shù)ref和表面的斜率a、b是自由參數(shù)，因此良好的斜率選擇可以明顯地縮短最大功率點(diǎn)跟蹤的收斂時(shí)間。
在穩(wěn)定狀態(tài)下，開(kāi)關(guān)面將會(huì)與光伏陣列最大功率點(diǎn)相交在一起。太陽(yáng)輻射的變化導(dǎo)致最大功率點(diǎn)的偏移，于是最大功率點(diǎn)跟蹤算法重新調(diào)整偏移常數(shù)ref，將開(kāi)關(guān)面移動(dòng)到新的最大功率點(diǎn)。如果新的最大功率點(diǎn)已經(jīng)非常靠近開(kāi)關(guān)面，則達(dá)到新的最大功率點(diǎn)下偏移常數(shù)ref更新將會(huì)達(dá)到最小化，此時(shí)最大功率點(diǎn)跟蹤速度將會(huì)加快。圖4給出了由于日照幅度變化而導(dǎo)致的系統(tǒng)軌跡變化示例圖。
2.3 穩(wěn)定性分析
升壓斬波電路的動(dòng)態(tài)模型表示為：
為了使滑動(dòng)線滿足任何工作點(diǎn)的要求，二次函數(shù)可以選擇為：
在一般情況下，相比變化快的狀態(tài)變量，偏移常數(shù)
只要這兩個(gè)假設(shè)公式(9)、(10)成立，光伏陣列工作點(diǎn)即可滿足收斂。此外，文獻(xiàn)[1]中建立了狀態(tài)空間穩(wěn)定區(qū)域的范圍，如圖5所示。
3 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果
在仿真軟件Matlab/Simulink搭建本方案的架構(gòu)圖，如圖6所示。仿真實(shí)驗(yàn)圖中太陽(yáng)能電池板和升壓斬波電路參數(shù)設(shè)置如下：太陽(yáng)能電池板環(huán)境溫度25 ℃，光照條件1 000 W/m2，最大功率點(diǎn)電壓17.7 V、電流7.63 A；升壓斬波電路輸入、輸出電容100 μF，電感5 mH，負(fù)載20 Ω。最大功率點(diǎn)跟蹤算法采用變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法，如圖7所示。
在本文中太陽(yáng)能電池最大功率跟蹤仿真實(shí)驗(yàn)方法有：擾動(dòng)觀察法、滑模控制法、變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法與滑模控制法相結(jié)合的方法。如圖8～圖10所示仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果測(cè)得升壓斬波電路的輸入、輸出功率。圖8采用太陽(yáng)能電池最大功率跟蹤擾動(dòng)觀察法仿真實(shí)驗(yàn)，光伏陣列輸出功率達(dá)到最大值的響應(yīng)時(shí)間大約7.5 ms。圖9采用太陽(yáng)能電池最大功率跟蹤滑模控制法的仿真實(shí)驗(yàn)，光伏陣列輸出功率達(dá)到最大值的響應(yīng)時(shí)間大約5 ms，相比擾動(dòng)觀察法響應(yīng)時(shí)間縮短33％。如圖10所示，采用變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法與滑模控制法相結(jié)合的仿真實(shí)驗(yàn)，光伏陣列輸出功率達(dá)到最大值的響應(yīng)時(shí)間大約2 ms，比滑模控制法的響應(yīng)時(shí)間縮短60％，追蹤最大功率點(diǎn)的時(shí)間更加快速。
4 結(jié)論
本文介紹了基于滑動(dòng)模式的最大功率點(diǎn)方法，提出一種基于滑模控制最大功率點(diǎn)跟蹤方法。該方法是在擾動(dòng)觀察法和滑模控制法的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)的，使用穩(wěn)定區(qū)域方法分析其穩(wěn)定性，其易于直觀理解。與基于PWM的最大功率點(diǎn)跟蹤相比，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過(guò)開(kāi)關(guān)面的最佳選擇來(lái)實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)進(jìn)一步加速收斂，從而使得追蹤最大功率點(diǎn)響應(yīng)時(shí)間更加迅速。
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作者信息：
孫昌旭，吳孔平，鹿青梅
（安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南232001）