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?？刂?/a>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?？刂扑枷?。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?？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(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?？刂频哪孀兤髦校敵鲭妷盒枰裱也ㄐ?，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?？刂破鞯拈_(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?？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,。
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(mǎn)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(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,。
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?？刂品?、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?？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?？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。
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）