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,，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(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?？刂?a class="innerlink" href="http://forexkbc.com/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,，通過適當(dāng)選擇開關(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矗ＷC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(diǎn)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(diǎn)(MPP)上的電壓和電流(Vmp和Imp)、開路電壓(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(shí)將會(huì)選擇時(shí)變開關(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）給出的滑模控制器的開關(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(diǎn)為開關(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)整開關(guān)面,，保證在任何情況下滑模控制器的開關(guān)面能與光伏陣列特性曲線的最大功率點(diǎn)相交,。
2.2 最佳開關(guān)面坡度
許多開關(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，開關(guān)面將會(huì)與光伏陣列最大功率點(diǎn)相交在一起,。太陽輻射的變化導(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(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ā⒆儾介L(zhǎng)擾動(dòng)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(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?？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,，通過開關(guān)面的最佳選擇來實(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)
[1] LEVRON Y,，SHMILOVITZ D.Maximum power point tracking employing sliding mode control[J].IEEE Trans.on Circuit and Systems，2013，3(3)：724-732.
[2] 王美靜.基于滑模變結(jié)構(gòu)MPPT控制的光伏發(fā)電系統(tǒng)研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué),，2015.
[3] 何俊強(qiáng).基于滑模變結(jié)構(gòu)的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)MPPT算法研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué),，2012.
[4] PRADHAN R，SUBUDHI B,，MENBER S.Double integral sliding mode MPPT control of a photovoltaic system[J].IEEE Trans.control systems technology,，2016，1(1)：285-292.
[5] 黃勤,，石國(guó)飛,，凌睿，等.基于滑?？刂频墓夥到y(tǒng)MPPT控制方案[J].計(jì)算機(jī)工程,，2012，3(6)：253-255.
[6] 徐鵬威,，劉飛,，劉邦銀，等.幾種光伏系統(tǒng)MPPT方法的分析比較及改進(jìn)[J].電力電子技術(shù),，2007,，41(5)：3-5.
[7] 劉金琨.滑模變結(jié)構(gòu)控制MATLAB仿真[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.
[8] 李晶,，竇偉,，徐正國(guó)，等.光伏發(fā)電系統(tǒng)中最大功率點(diǎn)跟蹤算法的研究[J].太陽能學(xué)報(bào),，2007，28(3)：268-273.
[9] SUBUDHI B,，GE S S.Sliding Mode observer based adaptive slip ratio control for electric and hybrid vehicles[J].IEEE Transaction on Intelligent Transportation Systems,，2012，12(4)：1617-1626.
[10] SUBUDHI B,，PRADHAN R.A comparative study on maximum power point tracking techniques for photo-voltaic power systems[J].IEEE Trans.Sustainable Energy,，2013，1(1)：89-98.
[11] SUBUDHI B,，GE S S.Sliding-mode-observer-based adaptive slip ratio control for electric and hybrid vehicles[J].IEEE Trans.Intell.Transp.Syst.,，2012，12(4)：1617-1626.
[12] ABDELSALAM A K,，MASSOUD A M,，AHMED S，et al.High performance adaptive perturb and observe MPPT technique for photo-voltaic-based micro-grids[J].IEEE Trans.Power Electron.2011,，4(4)：1010-1021.
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）