一直以來,，來自太陽能的電力改革幅度越來越大。已經(jīng)創(chuàng)建了許多專用的最大功率跟蹤算法,，以便太陽能電池陣列產(chǎn)生最好發(fā)電效率,。一類被稱之為“擾動觀察法”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現(xiàn)(取決于滑動表面),，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,。在早期的報告中闡述多種基于滑?？刂?a class="innerlink" href="http://forexkbc.com/tags/最大功率點" title="最大功率點" target="_blank">最大功率點跟蹤^[1-12]。

    與基于PWM的最大功率點跟蹤方式類似,，本文提出了一種結(jié)構(gòu)簡單滑?？刂频淖畲蠊β庶c。該滑?？刂破骶哂袃蓚€主要優(yōu)點：首先,，通過適當(dāng)選擇開關(guān)面，對輻射變化的響應(yīng)加速一個數(shù)量級,；此外,，滑模控制可以作為利于操作電壓源或電流源,，保證了整個光伏曲線上的穩(wěn)定性,。

1 光伏陣列的特性

    所述的太陽能電池是內(nèi)部結(jié)構(gòu)P-N結(jié)型的半導(dǎo)體器件，它能夠?qū)⑻栞椛淠苻D(zhuǎn)換成電能,。太陽能電池非線性特性和工作點依賴日照水平,、環(huán)境溫度和末端電力負(fù)載。太陽能電池陣列的關(guān)鍵指標(biāo)包括在最大功率點(MPP)上的電壓和電流(V_mp和I_mp),、開路電壓(V_oc)和短路電流(I_sc),。如圖1所示，光照幅度上升時,，太陽能電池陣列特性曲線電流范圍與電壓范圍增量同時擴(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,，光伏陣列將提供較少的功率并且產(chǎn)生較小的功率點,。

2 控制設(shè)計

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關(guān)面,。在其他情況下，例如滑?？刂频哪孀兤髦?，輸出電壓需要遵循正弦波形，此時將會選擇時變開關(guān)面,。對于最大功率點跟蹤,，本文選擇電壓和電流的線性組合來定義開關(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_關(guān)面,。

    其中，v是太陽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為開關(guān)面S=0與光伏陣列特性曲線的交點。最大功率點跟蹤算法對輸入功率進(jìn)行采樣并且不斷進(jìn)行迭代,，并實時更新偏離常數(shù)ref,。為了獲得最大功率，更新偏離常數(shù)ref不斷調(diào)整開關(guān)面,，保證在任何情況下滑?？刂破鞯拈_關(guān)面能與光伏陣列特性曲線的最大功率點相交。

2.2 最佳開關(guān)面坡度

    許多開關(guān)面能夠提供足夠的穩(wěn)定性和動態(tài)性,，而本文選擇式(1)線性開關(guān)面,。式(1)中偏移常數(shù)ref由最大功率點跟蹤控制器設(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跟蹤的收斂時間,。

    在穩(wěn)定狀態(tài)下,，開關(guān)面將會與光伏陣列最大功率點相交在一起,。太陽輻射的變化導(dǎo)致最大功率點的偏移，于是最大功率點跟蹤算法重新調(diào)整偏移常數(shù)ref,，將開關(guān)面移動到新的最大功率點,。如果新的最大功率點已經(jīng)非常靠近開關(guān)面,，則達(dá)到新的最大功率點下偏移常數(shù)ref更新將會達(dá)到最小化,，此時最大功率點跟蹤速度將會加快。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

    升壓斬波電路的動態(tài)模型表示為：

    為了使滑動線滿足任何工作點的要求,，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)

    只要這兩個假設(shè)公式(9),、(10)成立，光伏陣列工作點即可滿足收斂,。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 仿真實驗結(jié)果

    在仿真軟件Matlab/Simulink搭建本方案的架構(gòu)圖,，如圖6所示。仿真實驗圖中太陽能電池板和升壓斬波電路參數(shù)設(shè)置如下：太陽能電池板環(huán)境溫度25 ℃,，光照條件1 000 W/m²,，最大功率點電壓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,。最大功率點跟蹤算法采用變步長擾動觀察法，如圖7所示,。

    在本文中太陽能電池最大功率跟蹤仿真實驗方法有：擾動觀察法,、滑模控制法,、變步長擾動觀察法與滑?？刂品ㄏ嘟Y(jié)合的方法。如圖8～圖10所示仿真實驗結(jié)果測得升壓斬波電路的輸入,、輸出功率,。圖8采用太陽能電池最大功率跟蹤擾動觀察法仿真實驗，光伏陣列輸出功率達(dá)到最大值的響應(yīng)時間大約7.5 ms,。圖9采用太陽能電池最大功率跟蹤滑?？刂品ǖ姆抡鎸嶒?，光伏陣列輸出功率達(dá)到最大值的響應(yīng)時間大約5 ms，相比擾動觀察法響應(yīng)時間縮短33％,。如圖10所示,，采用變步長擾動觀察法與滑模控制法相結(jié)合的仿真實驗,，光伏陣列輸出功率達(dá)到最大值的響應(yīng)時間大約2 ms,，比滑模控制法的響應(yīng)時間縮短60％,，追蹤最大功率點的時間更加快速,。

4 結(jié)論

    本文介紹了基于滑動模式的最大功率點方法，提出一種基于滑?？刂谱畲蠊β庶c跟蹤方法,。該方法是在擾動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的最大功率點跟蹤相比,，其結(jié)構(gòu)簡單，通過開關(guān)面的最佳選擇來實現(xiàn)最大功率點進(jìn)一步加速收斂,，從而使得追蹤最大功率點響應(yīng)時間更加迅速,。

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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）