基于滑模控制的光伏系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤

， ,2，,2

(1. 西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，陜西 西安 710021；2. 西安工業(yè)大學(xué)自主系統(tǒng)與智能控制國際聯(lián)合研究中心，陜西 西安 710021)

0 引言

盡管太陽能電池組件的成本相對較高，但由于其長期的經(jīng)濟(jì)前景和對環(huán)境保護(hù)的優(yōu)勢，太陽能以其取之不盡，用之不竭，不產(chǎn)生任何廢棄物，沒有噪聲污染的特點(diǎn)，愈來愈受到關(guān)注、開發(fā)和利用。目前光伏(PV)電力系統(tǒng)成為太陽能主要利用方式之一，已經(jīng)在世界各地商業(yè)化[1]。因此，如何快速地實(shí)現(xiàn)跟蹤最大功率點(diǎn)跟蹤MPPT成為光伏發(fā)電的研究熱點(diǎn)[2]。

光伏(PV)電池在最大功率點(diǎn)(MPP)提供最大功率，而MPP的變化范圍主要取決于光伏陣列的溫度和日照強(qiáng)度[3]。目前，常用的最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)方法主要有：擾動(dòng)觀察法，其原理簡單，易于實(shí)現(xiàn)，但是跟蹤速度慢、對傳感器精度要求不高，容易出現(xiàn)誤判現(xiàn)象；電導(dǎo)增量法，其跟蹤速度快、準(zhǔn)確率高，但是需要處理大量數(shù)據(jù)，對于硬件的要求比較高；模糊控制法，其穩(wěn)態(tài)精度較高、系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)靈活、魯棒性好，但動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢、適應(yīng)能力有限、特定條件下易震蕩[4-6]。以上這些方法都有一定的使用限制，使得系統(tǒng)無法快速且穩(wěn)定地跟蹤到最大功率點(diǎn)[7]。滑模變結(jié)構(gòu)控制策略與常規(guī)控制的根本區(qū)別在于具有使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)隨時(shí)間變化的開關(guān)特性。使得變結(jié)構(gòu)控制具有快速響應(yīng)、對參數(shù)變化及擾動(dòng)不靈敏、無需系統(tǒng)在線辨識，物理實(shí)現(xiàn)簡單等優(yōu)點(diǎn)[8]。

針對DC/DC功率變換器工作在開關(guān)管開通與關(guān)斷狀態(tài)具有變結(jié)構(gòu)性的特點(diǎn)，基于光伏組件的特性，將擾動(dòng)觀察法的控制思想與滑模變結(jié)構(gòu)相結(jié)合，提出了一種基于滑模變結(jié)構(gòu)控制的MPPT方法。

1 工作原理

光伏電池本身呈現(xiàn)非線性I-V和P-V特性曲線，產(chǎn)生的最大功率取決于輻照和溫度。基于光伏電池模塊特征，MPP軌跡可以通過線性關(guān)系近似[9]。滑模控制是一種用于具有不確定性的非線性系統(tǒng)的有效的高頻開關(guān)控制，對于控制開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器非常合適[10]，它具有強(qiáng)大的魯棒性和快速響應(yīng)性，明顯優(yōu)于線性控制器，并且在許多情況下易于實(shí)現(xiàn)。將兩者特性比較分析后，發(fā)現(xiàn)該控制特性與光伏特性契合度較高，光伏電池具有非線性I-V和P-V特性曲線。產(chǎn)生的最大功率取決于輻射和溫度，文獻(xiàn)[9]根據(jù)光伏電池的I-V曲線，定義了一個(gè)只滿足輻照的MPPT的滑模面：

S(V,I)=a·I-b·V+ref=0

(1)

V和I是光伏電池的輸出電壓和電流，a，b和ref這3個(gè)參數(shù)決定了開關(guān)表面，此時(shí)的開關(guān)面上不考慮溫度的影響。

而溫度是導(dǎo)致光伏電池特征曲線變化的另一個(gè)參數(shù)[11]。 圖1表明溫度變化對P-I曲線的影響。 如圖1所示，對于給定的輻射，最大功率點(diǎn)的電流與溫度無關(guān)，而溫度變化導(dǎo)致P-I曲線中的MPP發(fā)生垂直變化。

圖1 溫度變化對P-I曲線的影響

考慮到這一點(diǎn)，圖1中的距離ΔP為：

ΔP=αΔT

(2)

因此，新的MPP可以計(jì)算為：

Pmpp，new=Pmax-αΔTPmax

(3)

Pmpp,new為新的MPP；Pmax為最大功率點(diǎn)；α為溫度系數(shù)；ΔT為溫度差。結(jié)合式(2)和式(3)可以得到：

Pmpp,new=k1(1-αΔT)Impp

(4)

因此，考慮到光伏電池的P-I曲線，引入了一個(gè)新的最優(yōu)切換面，同時(shí)滿足輻射和溫度的MPPT。在輻照度變化的情況下，所提出的滑模面如下：

S(P,I)=P-k1I+ref=0

(5)

P和I分別為光伏電池的輸出功率和電流。

k1可以計(jì)算為：

(6)

Pmax和Impp分別為最大功率和最大功率下的電流。

因此，新的滑模面為：

S=P-k1(1-αΔT)I=0

S>0：ON

S<0：OFF

(7)

當(dāng)S> 0時(shí)，主開關(guān)Sm1和Sm2接通，勵(lì)磁電感Lm充電。 所以I增加，S(P,I)減少。 當(dāng)S<0時(shí)，主開關(guān)Sm1和Sm2斷開，存儲(chǔ)在磁化電感中的能量流向負(fù)載; 因此，S(P,I)增加。所以，S(P,I)的變化始終圍繞在S(P,I)=0的滑動(dòng)切換表面。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與分析

2.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在光伏交流模塊系統(tǒng)中，由于光伏發(fā)電模塊和電網(wǎng)線路之間元件簡單，隔離的優(yōu)點(diǎn)，反相逆變器優(yōu)先考慮在單相并網(wǎng)逆變器中[12]。微逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。 它由2個(gè)開關(guān)反激轉(zhuǎn)換器，展開橋和C-L濾波器組成。Sm1和Sm2是主電源開關(guān)。

圖2 微逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

D1和D2是鉗位二極管;D3是整流二極管。Np和Ns分別是初級繞組和次級繞組。S1～S4形成全橋逆變電路，將整流的正弦波形并到電網(wǎng)。

2.2 參數(shù)選擇

在選擇匝數(shù)比的情況下，需要滿足[13]：

nVm

(8)

Vm為最大輸出電壓；Vin為輸入電壓；n為匝數(shù)比。滿足上式不等式是為了防止主開關(guān)Sm1和Sm2斷開時(shí)，D1和D2導(dǎo)通，將存儲(chǔ)在Lm中的能量轉(zhuǎn)移到源極。

為了確保微型逆變器始終在DCM下運(yùn)行，最大占空比dmax應(yīng)滿足不等式：

dmax≤0.5

(9)

即

(10)

輸入電壓(MPP)：Vin= 50 V; 電網(wǎng)電壓Vgrid=220 V; 電網(wǎng)頻率fgrid=50 Hz; 開關(guān)頻率fs=100 kHz;可得匝數(shù)比必須小于0.16。平均電流：

(11)

Ts為開關(guān)時(shí)間間隔。可得輸入功率為：

(12)

可得PPV= 200 W，Vin= 50 V和dmax= 0.757，變壓器初級電感最大值Lm,max= 9 μH;Lm= 0.8Lm,max= 7.2 μH。

當(dāng)光伏電池穩(wěn)定工作在其最大功率點(diǎn)時(shí)，逆變器輸入功率Pin是恒定的，而逆變器的輸出功率Po卻是瞬變的，逆變器輸入輸出存在瞬間功率不平衡問題，反映在光伏電池輸出側(cè)表現(xiàn)為其輸出電壓包含有二倍頻的擾動(dòng)分量[14]。該擾動(dòng)會(huì)影響最大功率跟蹤的效率，降低對光伏電池的利用率。為此，應(yīng)引入功率解耦方案抑制該二次擾動(dòng)[15]，解耦電容的大小是：

(13)

3 仿真研究

為了驗(yàn)證所提出的MPPT方法的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、穩(wěn)定性和高效率，以及所提出的微逆變器拓?fù)涞睦碚摲治觯门cMATLAB集成的PSIM 9.0軟件進(jìn)行了系統(tǒng)仿真，具體參數(shù)如表1所示。

表1 仿真系統(tǒng)參數(shù)

系統(tǒng)在輻射變化下和光照變化下基于滑模變結(jié)構(gòu)擾動(dòng)觀察法時(shí)輸出功率的波形，如圖3所示。圖3a縱坐標(biāo)表示功率，橫坐標(biāo)表示時(shí)間，輻照度從1 000 W / m2降低到600 W / m2，環(huán)境溫度25 ℃情況下，MPPT算法在0.2 s內(nèi)收斂。圖3b為輻照度1 000 W / m2，溫度從25 ℃升高到55 ℃情況下，MPPT算法在0.1 s內(nèi)收斂。圖4縱坐標(biāo)表示功率的誤差波動(dòng)，橫坐標(biāo)表示時(shí)間，顯示了系統(tǒng)在輻射變化下和光照變化下基于滑模變結(jié)構(gòu)擾動(dòng)觀察法時(shí)誤差信號的波形，可以看出穩(wěn)態(tài)下的波動(dòng)幅度非常小。因此，在輻照度變化很大且光照條件增加的情況下，MPPT算法既滿足快速響應(yīng)又具有低穩(wěn)態(tài)波動(dòng)。

圖3 輸出功率波形

圖4 誤差波動(dòng)波形

4 結(jié)束語

根據(jù)光伏電池的特性，將滑模變結(jié)構(gòu)控制應(yīng)用到光伏電池的MPPT中，提出新的切換面。該表面基于PV電池的P-I特性，并且同時(shí)滿足輻射和溫度。 此外，采用線性可變結(jié)構(gòu)來降低穩(wěn)態(tài)期間的輸出功率波動(dòng)，同時(shí)保持滑模控制器的快速響應(yīng)和魯棒性優(yōu)點(diǎn)。仿真結(jié)果驗(yàn)證了采用滑模控制的MPPT具有快速穩(wěn)定的性能。

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