滑模控制在兩級級聯光伏發電系統中的應用

鮑安平+徐開軍

摘 要： 在光伏發電系統的應用中存在太陽能的間歇性導致電網不穩定的難題。為解決該問題，提出一種兩級級聯分布式光伏發電系統，該系統有兩個獨立控制的太陽能電源，每個光伏電池板包含一組兩級級聯升壓轉換器，由兩個獨立的滑模控制器分別控制。首先，采用極值搜索控制（ESC）算法實現最大功率點跟蹤（MPPT）控制策略以最大限度地改善可再生能源的能量收集；然后，根據每個太陽能電源的可用發電量和蓄電池的充電狀態，提出四種監控策略由監控中心選擇；最后，通過數字化仿真來演示監視控制器的精確操作和每一種運行條件下MPPT算法的功能。仿真結果顯示了該方法的可操作性和實用性。

關鍵詞： 光伏發電； 滑模控制器； 升壓轉換器； 極值搜索控制； MPPT

中圖分類號： TN710?34； TP29 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）15?0175?04

Abstract： In order to solve the problem that the intermittent solar makes the power grid unstable in the application of photovoltaic power generation system， a two?stage cascade distributed photovoltaic power generation system is proposed. The system has two solar power supplies controlled independently. Each photovoltaic panel contains a set of two?stage cascaded boost converter controlled by two independent sliding?mode controllers respectively. The extremum seeking control （ESC） algorithm is used to realize the maximum power point tracking （MPPT） control strategy to improve the energy harvesting of the renewable energy sources to the utmost extent. According to charging state of storage battery and available generated energy， four monitoring strategies are proposed for monitoring center selection. The accurate operation of the monitoring controller and functions of MPPT algorithm under each operating condition were demonstrated by means of digital simulation. The simulation results show that the method is feasible and practical.

Keywords： photovoltaic power generation； sliding?mode controller； boost converter； extremum seeking control； maximum power point tracking

0 引 言

隨著石油能源的枯竭和環境問題的惡化，可再生能源技術迅速發展。與其他可再生能源相比，光伏發電因其環保、安全、高效等特性已被確立為一種高效的清潔替代能源。然而，在光伏發電系統的應用上，仍然存在一些技術難題，例如，太陽能的間歇性導致電網的不穩定性。為解決該問題，許多學者已經提出了多種具有存儲裝置的可再生發電系統，太陽能的間歇性可利用能量存儲裝置來補償，但這些補償方法仍不夠理想[1?2]。

一個光伏發電系統通常由光伏電池板、電源轉換器和負載組成，通過調節控制器和轉換器可獲得最大功率點。為了消除不同情形下光伏發電與其理想最大功率間的誤差，許多學者已經提出了一些MPPT（Maximum Power Point Tracking）控制方法[2?3]。MPPT對于光伏發電系統是相當重要的，不僅可提升系統的發電效率，而且可降低能源損耗。

由于外部環境及條件的變化，對每個太陽能電池板安裝一個轉換器的方法不能獲得理想的恒定輸出電壓。因此，采用兩級轉換器來同時實現MPPT并控制輸出電壓。

本文提出一種使用兩級級聯升壓轉換器的方法用于MPPT以獲得較高的轉換效率。初級轉換器用來運行MPPT控制算法，第二級轉換器用來控制終端輸出電壓。系統不間斷地運行最大功率點跟蹤控制算法，以從兩個太陽能電源獲得最大功率。利用基于無損電阻（Loss Free Resistor，LFR）[4]的滑模控制方法[5?6]實現MPPT。

1 系統結構概述

本文采用分布式光伏發電系統結構如圖1所示。系統包含兩個獨立控制的太陽能電源，一個蓄電池和一個阻性負載。每個光伏電池板包含一組兩級級聯DC?DC升壓轉換器。兩個初級轉換器分別由兩個基于滑模控制（Sliding Mode Control，SMC）理論的MPPT控制器控制。每個轉換器從太陽能電池板接收光伏發電的電壓和電流。MPPT算法用來調節初級轉換器的電導兩個二級升壓轉換器分別由兩個基于滑模控制理論的PI控制器控制，使其作為一個恒壓源，電導為監控中心接收來自蓄電池的充電狀態信號，且傳輸來自兩個光伏電池板輸出的電能，同時，確定不同情形下的下一個適當的控制模式。兩條線路分別通過它們各自的DC?DC轉換[7]并聯連接到一個共同的直流母線。蓄電池直接連接到直流總線并通過總線電壓的變化進行控制。連接光伏電池板的轉換器可以作為電壓源輸出功率。當直流總線的電壓變動時，電池可能被充電或放電，相當于控制一個特定的電壓源給蓄電池所需的速率充電。這種分布式光伏發電系統改善了電能供應的穩定性和可靠性[8]。

2 最大功率點跟蹤及監控策略

2.1 光伏阻抗匹配與滑模控制器

MPPT算法用于尋找各種不同情形下最接近最大功率點的工作電壓。電源轉換器的電路可用一些理想元件電路模型來描述和分析。輸入端吸收功率，然后無損耗地將其傳輸到輸出端，太陽能電源連接到一個具有直流負載的兩級級聯升壓轉換器。設光伏電池的輸出電壓為則系統輸出功率可表示為：

因此可以通過調節初級轉換器的電導值來搜索光伏系統的最優工作點。下列兩個滑模控制面函數作為每個升壓轉換器的開關：

式中：是兩級級聯轉換器間的電容；是初級升壓轉換器的輸出電流；是系統的輸出電流。

2.2 最大功率點跟蹤算法

光伏發電中的MPPT技術是為了在不同的溫度、日照和負載變化的情形下，控制光伏系統在最大功率點附近獲得最佳工作點。許多學者已經提出了一些跟蹤方法應用于不同類型的DC?DC轉換器[7]。極值搜索控制（Extremum Seeking Control，ESC）是一種普遍的MPPT算法，該方法通過增強或降低一個恰當的控制信號來控制光伏發電系統接近最大功率點，其框圖如圖2所示。

MPPT控制器的輸入設置為光伏電池板的輸出電壓和電流，然后通過一個低通濾波器得到功率變化信號dP，作為遲滯比較器的輸入信號。遲滯比較器可以產生一組二進制信號反映dP為正或負。此二進制信號被發送到邏輯電路來決定維持或改變最大功率點跟蹤控制信號的下一個方向。最后，搜索方向的控制信號被引入到積分器以獲得第一級升壓變換器[9]的電導

2.3 系統的數學模型

對于兩級級聯升壓轉換器的切換模式，系統動態行為可以描述為：

2.4 監控策略模式

在一個分布式光伏發電的直流系統中，必須要進行分流和系統保護，系統的監控中心可實現該功能。監控結果是一個充電或放電的控制命令，該命令使得整個系統的性能更加流暢且高效[10]。監控中心的輸入是兩個太陽能電池的輸出功率和電池的充電狀態，共四種監控模式，如表1所示，監控策略模式由兩個條件決定：一是電池需要提供或吸收的凈功率二是系統運行突發事件的概率。由下式計算：

3 數字化仿真

為了驗證前述的理論方法，采用Matlab/Simulink對整個系統進行仿真。外部環境溫度固定在25 ℃，系統的采樣時間間隔設置為1 μs。圖3表示輻照度從1 000 W/m2變化至800 W/m2的系統功率波形。圖4表示輻照度從800 W/m2變化至600 W/m2的光伏系統功率電壓電流和初級電壓的波形。

圖5和圖6分別表示負載直流電壓從240～380 V和380～240 V的階躍變化下系統的響應，表明了該控制系統的可行性。由圖5，圖6可觀察出，加大或減小輸出電壓將不影響該系統捕獲太陽能電池板的最大功率。

表1中所列四種模式的監控效果分別如圖7～圖9所示。圖7展示了模式1和模式4綜合的情形，在直流負載功率大致從2.5～3.5 kW再到2.5 kW變化的情況下，兩個太陽能電池板最大功率點跟蹤的效果和電池功率的響應。一個900 Ah的電池供應負載近90 h不充電，的值從40%～95%變化。

其中圖7（a）中PV1的輻照度從800～1 000 W/m2變化，PV2的輻照度從700～900 W/m2變化。圖7 （b）中PV1的輻照度從1 000～600 W/m2變化，PV2的輻照度從900～700 W/m2變化。圖7 （c）中PV1的輻照度從1 000～600 W/m2變化，PV2的輻照度從700～900 W/m2變化。

圖7（a）～圖7（c）驗證了兩個光伏電源在遵循同向或反向變化時控制器的操作。在捕捉不同輻照度情況下兩個太陽能電池板的最大功率時，直流微網能夠自動按照需求的功率對電池充放電。

模式3的情形如圖8所示。在該情形下，必須設置端電壓在270 V附近為電池充電并保持容量，這樣也可以補償該電池的自放電。為了消耗多余的能量，這里調用一個假負載。兩個電源控制可以通過限制電流注入到電池和基于直流負載要求的假負載來實現。

模式4的情形如圖9所示。在該情形下，負載斷開，從兩個光伏電源捕獲的總功率用來給電池充電，不能同時滿足2.5 kW的DC負載功率。

4 結 語

本文的主要工作是兩級級聯分布式光伏系統和基于滑模控制理論的MPPT方法的建模。兩個光伏電池板以及它們各自的MPPT控制器的模型都在Matlab/Simulink環境下建立。采用級聯DC?DC升壓轉換器來調節電壓轉換比。一種應用無損電阻的滑模控制結構可用來有效控制該級聯連接。同時，建立了級聯電路的全階開關模型，并利用基爾霍夫電壓電流定律進行分析。通過電路的數學模型及LFR的概念可獲得兩個滑模控制面和控制變量，最后提出了四種情形下的監控策略來產生光伏電源的最大功率。仿真結果表明該方法具有準確的可操作性和適用性。

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