《電子技術(shù)應(yīng)用》
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滑?？刂乒夥嚵凶畲蠊β庶c(diǎn)的研究
2017年電子技術(shù)應(yīng)用第8期
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
摘要： 光伏陣列中最大功率點(diǎn)跟蹤廣泛地采用基于滑?？刂品绞?，但存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、響應(yīng)速度慢等缺點(diǎn)?；诖?，提出一種擾動(dòng)觀(guān)察法與滑?？刂品ㄏ嘟Y(jié)合控制最大功率點(diǎn)跟蹤方法。該方案滑模面需要一條直線(xiàn)滑動(dòng)線(xiàn)，該滑動(dòng)線(xiàn)與光伏特性曲線(xiàn)在最大功率點(diǎn)處彼此交叉時(shí)，可以對(duì)其位置進(jìn)行調(diào)整。升壓斬波電路的切換模式受該直線(xiàn)滑動(dòng)線(xiàn)直接影響，迫使光伏陣列工作點(diǎn)沿著光伏特性曲線(xiàn)和滑動(dòng)線(xiàn)交叉點(diǎn)移動(dòng)，從而光伏陣列將會(huì)產(chǎn)生最大功率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該方法與已有的滑?？刂葡啾容^，具有設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能夠快速跟蹤最大功率的特點(diǎn)。
中圖分類(lèi)號(hào)： TM615
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?？刂乒夥嚵凶畲蠊β庶c(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.
Study on maximum power point of sliding mode control photo-voltaic array
Sun Changxu，Wu Kongping，Lu Qingmei
Institute of Electrical and Information Engineering，Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001，China
Abstract： The maximum power point tracking(MPPT) in photovaltaic(PV) array is based on sliding mode control, but it has the disadvantages of complex structure and slow response. Based on this, a method of maximum power point tracking combined the disturbance observation with the sliding control is proposed.In this scheme, this method needs a straight sliding-line and some adjustments on its location until a PV characteristic curve and this sliding line cross each other at the maximum power point(MPP). The switching pattern of the boost converter is directly influenced by this straight line so that the PV operating point is compelled to move along an instant PV curve and onto the sliding line.Thereby the PV array will generate the maximum power.The experimental results show that the proposed method has the advantages of simple structure and fast tracking of the maximum power compared with the conventional control.
Key words : photovaltaic array；MPPT；sliding mode control

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(guān)察法”最大功率跟蹤方法已被廣泛采用和接受。由于滑?？刂?/a>表現(xiàn)出高穩(wěn)定性和快速性(通常優(yōu)于線(xiàn)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?？刂?a class="innerlink" href="http://ihrv.cn/tags/最大功率點(diǎn)" title="最大功率點(diǎn)" target="_blank">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?？刂频淖畲蠊β庶c(diǎn)。該滑?？刂破骶哂袃蓚€(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?？刂瓶梢宰鳛槔诓僮麟妷涸椿螂娏髟?，保證了整個(gè)光伏曲線(xiàn)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(xiàn)性特性和工作點(diǎn)依賴(lài)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(xiàn)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)。

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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(xiàn)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。

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    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(xiàn)i-v的斜率并且是非負(fù)的，ref為偏移量。

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    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(xiàn)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?？刂破鞯拈_(kāi)關(guān)面能與光伏陣列特性曲線(xiàn)的最大功率點(diǎn)相交。

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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(xiàn)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?？拷_(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。

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2.3 穩(wěn)定性分析

    升壓斬波電路的動(dòng)態(tài)模型表示為：

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    為了使滑動(dòng)線(xiàn)滿(mǎn)足任何工作點(diǎn)的要求，二次函數(shù)可以選擇為：

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在一般情況下，相比變化快的狀態(tài)變量，偏移常數(shù)dy2-gs9-10.gif

    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(mǎn)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。

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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(guān)察法，如圖7所示。

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    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(guān)察法、滑?？刂品?、變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀(guān)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(guān)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?？刂品ǖ姆抡鎸?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(guān)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(guān)察法與滑?？刂品ㄏ嘟Y(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?？刂品ǖ捻憫?yīng)時(shí)間縮短60％，追蹤最大功率點(diǎn)的時(shí)間更加快速。

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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?？刂谱畲蠊β庶c(diǎn)跟蹤方法。該方法是在擾動(dòng)觀(guān)察法和滑?？刂品ǖ幕A(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(guān)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。

參考文獻(xiàn)

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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）

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