改進滑模變結(jié)構(gòu)控制光伏系統(tǒng)最大功率點跟蹤

顏景斌　王飛　王美靜　徐永亮

摘要：由光伏電池的光伏特性知，隨著光照強度和環(huán)境溫度的變化，其最大功率點也隨之改變，為了能夠?qū)崟r監(jiān)測跟蹤到光伏系統(tǒng)最大功率點，采用一種改進的滑模變結(jié)構(gòu)控制方法進行最大功率點跟蹤，該方法在傳統(tǒng)滑模變結(jié)構(gòu)控制的滑模面選擇基礎(chǔ)上加入積分運算，并且把指數(shù)趨近律與等效控制相結(jié)合，最后，通過仿真可以看出，相比傳統(tǒng)的滑模變結(jié)構(gòu)控制，該方法減小了穩(wěn)態(tài)誤差，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，同時，加快了跟蹤速度，使跟蹤時間縮短了0，025s，

關(guān)鍵詞：光伏特性；最大功率點跟蹤；滑模變結(jié)構(gòu)控制

DoI：10.15938/j.jhust.2016.04.020

中圖分類號：TPl3

文獻標志碼：A

文章編號：1007-2683（2016）04-0106-06

0引言

隨著當今世界人口及經(jīng)濟的增長，人類對能源需求量也日益增大，當今世界煤炭、石油、天然氣等不可再生能源不斷被消耗，能源與環(huán)境問題日益突出，這迫使人類強力尋求可再生新能源，太陽能作為可再生綠色能源之一，以其清潔無污染，取之不盡用之不竭等優(yōu)點備受人們的重視。

光伏電池作為把太陽能轉(zhuǎn)化為電能的模塊，其具有非線性伏安特性，并且光伏電池的性能受外界環(huán)境變化影響，特別地受光照強度和溫度的影響怎樣更好更有效的利用光能成為了研究人員需要解決的一個重要問題也是一個難題，因此，最大功率點跟蹤方法被應(yīng)用到光伏系統(tǒng)中，能夠?qū)崟r監(jiān)測跟蹤光伏電池最大功率輸出。

目前最大功率點跟蹤方法主要有：干擾觀測法，其控制簡單，但是跟蹤精度低、響應(yīng)速度慢；電導(dǎo)增量法，其控制精確、響應(yīng)速度快，但對硬件要求高，導(dǎo)致整個系統(tǒng)硬件造價也高；模糊控制法，其魯棒性好、系統(tǒng)設(shè)計靈活，但是精度不高、易產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象；人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，其控制性能好，但是響應(yīng)速度慢，尚不成熟，實現(xiàn)較困難，綜合上述方法，為了使系統(tǒng)響應(yīng)速度快、跟蹤精度高、穩(wěn)定性好，并且易于實現(xiàn)，研究采用滑模變結(jié)構(gòu)控制方法，滑模變結(jié)構(gòu)控制是現(xiàn)代控制變結(jié)構(gòu)的一種控制策略，它對于參數(shù)的不確定性具有很好的穩(wěn)定性和魯棒性，抗干擾能力強，在實際設(shè)計中，滑模變結(jié)構(gòu)控制具有較好的靈敏性，并且較于其他非線性控制方法更容易實現(xiàn)，這使得滑模變結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于各種非線性控制系統(tǒng)中，文在滑模變結(jié)構(gòu)控制上利用改進的Zeta電路作為變換電路對光伏系統(tǒng)MPPT控制能以較小的超調(diào)量對最大功率點進行跟蹤，

本文提出了一種改進的滑模變結(jié)構(gòu)控制方法，它在傳統(tǒng)滑模變結(jié)構(gòu)控制設(shè)計基礎(chǔ)上，加入積分模塊到切換函數(shù)中，并且把指數(shù)趨近率和等效控制相結(jié)合，減小了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，使系統(tǒng)狀態(tài)能以較大速度趨近滑動模態(tài)，縮短了到達穩(wěn)定狀態(tài)的時間，并且有效的抑制了抖振，最后通過實驗仿真分析也驗證了其優(yōu)越性，

1.光伏電池模塊分析

光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖l所示，由太陽能電池陣列、DC/DC控制電路、MPPT（最大功率點跟蹤控制）和負載組成，

根據(jù)式（1）～（6），可得到光伏電池的光伏特性曲線，如圖（3）和圖（4）所示，電壓與輸出功率成非線性關(guān)系，隨著電壓的升高，輸出功率先增加后遞減，存在一個最大輸出功率點，最大輸出功率P_{m隨光照強度的增大而大幅度增大，隨環(huán)境溫度的增大而略微減小。}

2.基于改進滑模變結(jié)構(gòu)控制的最大功率點跟蹤

光伏電池產(chǎn)生的是直流電源，外接DC/DC控制電路采用Boost升壓轉(zhuǎn)換電路，Boost電路如圖所示，其主要由輸入電壓Vin，儲能電感L，開關(guān)S，二極管D，輸出電容C和負載電壓R組成，

Boost電路工作于電感電流連續(xù)工作模式（CCM）時：

當開關(guān)閉合后，二極管截止，系統(tǒng)方程為

由光伏電池P-V曲線可以看出，隨著光照強度和環(huán)境溫度的變化，輸出功率也隨之變化，且存在一個最大功率P_m點，此時對應(yīng)輸出電壓V_m和輸出電流，LP_m因此，可通過跟蹤光伏電池最大功率點來獲得光伏系統(tǒng)對應(yīng)的輸出電壓，滑模變結(jié)構(gòu)跟蹤控制受系統(tǒng)參數(shù)及擾動變化不靈敏，動態(tài)響應(yīng)快，采用滑模變結(jié)構(gòu)跟蹤控制能夠快速、穩(wěn)定地搜尋到光伏電池最大功率點，

設(shè)計滑模變結(jié)構(gòu)控制器主要在于滿足滑模變結(jié)構(gòu)存在條件、到達條件和穩(wěn)定條件三要素情況下，進行切換面函數(shù)S（X）的選擇和控制率U（z）的求取，傳統(tǒng)的滑模變結(jié)構(gòu)控制器設(shè)計如下：

由于控制最終目的是獲得光伏電池最大功率點對應(yīng)的輸出電壓，一般考慮采用輸出電壓穩(wěn)態(tài)誤差作為切換面函數(shù)，但是這樣不能存在穩(wěn)定的滑動模態(tài)，甚至不存在滑動模態(tài)，因此，采用式（13）這種利用電感電流間接控制輸出電壓設(shè)計方法，使系統(tǒng)保證滑動模態(tài)存在，由于實際中，穩(wěn)定狀態(tài)時i≠i_lief存在穩(wěn)態(tài)電感電流誤差，且動態(tài)響應(yīng)較慢，為了跟蹤更精確，跟蹤速度更快，下面設(shè)計一種改進的滑模變結(jié)構(gòu)控制，

為了減小穩(wěn)態(tài)誤差，在切換面函數(shù)中加入控制狀態(tài)變量積分項，構(gòu)建線性滑膜切換面函數(shù)：

3.系統(tǒng)仿真及實驗分析

基于滑模變結(jié)構(gòu)控制的光伏系統(tǒng)最大功率點聯(lián)立式（18）和式（19），有：

與傳統(tǒng)滑模變結(jié)構(gòu)控制相比較，改進的等效控制實現(xiàn)了電壓電流雙環(huán)控制，使系統(tǒng)控制更穩(wěn)定，對擾動做出靈敏的反應(yīng)；切換面函數(shù)引入積分運算可以減小穩(wěn)態(tài)誤差，使系統(tǒng)控制更精確；采用指數(shù)趨近律，可以保證不管初始狀態(tài)在什么位置，都能在有限時間內(nèi)快速到達滑模切換面，改進滑模變結(jié)構(gòu)控制的simulink仿真模型如圖6所示。

由圖8可知，在標況下對比系統(tǒng)輸出電壓，基于傳統(tǒng)滑模變結(jié)構(gòu)控制的系統(tǒng)輸出電壓和基于改進的滑模變結(jié)構(gòu)控制的系統(tǒng)輸出電壓都不存在過沖，都能平滑趨近光伏電池最大功率點時刻系統(tǒng)輸出的電壓值；由圖8（a）知，基于傳統(tǒng)滑模變結(jié)構(gòu)控制的系統(tǒng)在O.045s到達系統(tǒng)輸出的穩(wěn)定電壓值，之后并一直保持著這個穩(wěn)定值，由圖8（b）知，基于改進的滑模變結(jié)構(gòu)控制的系統(tǒng)在O.02s時就已經(jīng)到達系統(tǒng)輸出的穩(wěn)定電壓值，之后也一直保持著這個穩(wěn)定值；由此可見改進的滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)比傳統(tǒng)的滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)能夠更快的跟蹤到光伏電池最大功率點輸出，其跟蹤時間縮短了0.02s

由圖9可知，當環(huán)境溫度穩(wěn)定在25%不變時，改變光照強度，系統(tǒng)的輸出電壓也隨之變化，初始時刻的光照強度為1000 W/m²，0.15 s時降為800W/m²，O.3 s時降為600 W/m²

對比圖9（a）、（b），基于傳統(tǒng)滑模變結(jié)構(gòu)控制的系統(tǒng)在光照強度突然變化時系統(tǒng)輸出電壓瞬時大幅跌落，然后再慢慢上升趨近于穩(wěn)定電壓輸出值；改進后的滑模變結(jié)構(gòu)控制的系統(tǒng)則不出現(xiàn)瞬時大幅跌落情況，而是逐漸趨近于穩(wěn)定電壓輸出值；并且改進的滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)比傳統(tǒng)滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)趨近速度更快更穩(wěn)定。

由圖10可知，當光照強度穩(wěn)定在1000W/m²不變時，改變環(huán)境溫度，系統(tǒng)輸出電壓也隨之變化，但是變化幅度不大，初始時刻的溫度為25°C0，15s時上升為40%，0.3s時上升為55°C。

對比圖10（a）、（b），基于傳統(tǒng)滑模變結(jié)構(gòu)控制的系統(tǒng)輸出電壓受溫度影響相對較大，而改進后的滑模變結(jié)構(gòu)控制的系統(tǒng)輸出電壓受溫度影響變化較小，具有更好的魯棒性。

4.結(jié)論

通過實驗仿真分析，與傳統(tǒng)滑模變結(jié)構(gòu)控制的系統(tǒng)相比較，改進的滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)在其基礎(chǔ)上加入積分環(huán)節(jié)，把指數(shù)趨近律控制和等效控制相結(jié)合，有效的調(diào)節(jié)了趨近滑模面時間，使系統(tǒng)跟蹤速度更快，并且還具有更好的穩(wěn)定性和消抖性，抗干擾能力強，魯棒性好，此外，該方法不僅適合光伏系統(tǒng)，還適合任何Dc，Dc變換電路，應(yīng)用范圍廣。