改進滑模變結構控制光伏系統最大功率點跟蹤

顏景斌　王飛　王美靜　徐永亮

摘要：由光伏電池的光伏特性知，隨著光照強度和環境溫度的變化，其最大功率點也隨之改變，為了能夠實時監測跟蹤到光伏系統最大功率點，采用一種改進的滑模變結構控制方法進行最大功率點跟蹤，該方法在傳統滑模變結構控制的滑模面選擇基礎上加入積分運算，并且把指數趨近律與等效控制相結合，最后，通過仿真可以看出，相比傳統的滑模變結構控制，該方法減小了穩態誤差，使系統更加穩定，同時，加快了跟蹤速度，使跟蹤時間縮短了0，025s，

關鍵詞：光伏特性；最大功率點跟蹤；滑模變結構控制

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點備受人們的重視。

光伏電池作為把太陽能轉化為電能的模塊，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用到光伏系統中，能夠實時監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、響應速度慢；電導增量法，其控制精確、響應速度快，但對硬件要求高，導致整個系統硬件造價也高；模糊控制法，其魯棒性好、系統設計靈活，但是精度不高、易產生振蕩現象；人工神經網絡法，其控制性能好，但是響應速度慢，尚不成熟，實現較困難，綜合上述方法，為了使系統響應速度快、跟蹤精度高、穩定性好，并且易于實現，研究采用滑模變結構控制方法，滑模變結構控制是現代控制變結構的一種控制策略，它對于參數的不確定性具有很好的穩定性和魯棒性，抗干擾能力強，在實際設計中，滑模變結構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，這使得滑模變結構廣泛應用于各種非線性控制系統中，文在滑模變結構控制上利用改進的Zeta電路作為變換電路對光伏系統MPPT控制能以較小的超調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構控制方法，它在傳統滑模變結構控制設計基礎上，加入積分模塊到切換函數中，并且把指數趨近率和等效控制相結合，減小了系統穩態誤差，使系統狀態能以較大速度趨近滑動模態，縮短了到達穩定狀態的時間，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越性，

1.光伏電池模塊分析

光伏系統結構框圖如圖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，隨環境溫度的增大而略微減小。}

2.基于改進滑模變結構控制的最大功率點跟蹤

光伏電池產生的是直流電源，外接DC/DC控制電路采用Boost升壓轉換電路，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工作模式（CCM）時：

當開關閉合后，二極管截止，系統方程為

由光伏電池P-V曲線可以看出，隨著光照強度和環境溫度的變化，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對應的輸出電壓，滑模變結構跟蹤控制受系統參數及擾動變化不靈敏，動態響應快，采用滑模變結構跟蹤控制能夠快速、穩定地搜尋到光伏電池最大功率點，

設計滑模變結構控制器主要在于滿足滑模變結構存在條件、到達條件和穩定條件三要素情況下，進行切換面函數S（X）的選擇和控制率U（z）的求取，傳統的滑模變結構控制器設計如下：

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

為了減小穩態誤差，在切換面函數中加入控制狀態變量積分項，構建線性滑膜切換面函數：

3.系統仿真及實驗分析

基于滑模變結構控制的光伏系統最大功率點聯立式（18）和式（19），有：

與傳統滑模變結構控制相比較，改進的等效控制實現了電壓電流雙環控制，使系統控制更穩定，對擾動做出靈敏的反應；切換面函數引入積分運算可以減小穩態誤差，使系統控制更精確；采用指數趨近律，可以保證不管初始狀態在什么位置，都能在有限時間內快速到達滑模切換面，改進滑模變結構控制的simulink仿真模型如圖6所示。

由圖8可知，在標況下對比系統輸出電壓，基于傳統滑模變結構控制的系統輸出電壓和基于改進的滑模變結構控制的系統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輸出的電壓值；由圖8（a）知，基于傳統滑模變結構控制的系統在O.045s到達系統輸出的穩定電壓值，之后并一直保持著這個穩定值，由圖8（b）知，基于改進的滑模變結構控制的系統在O.02s時就已經到達系統輸出的穩定電壓值，之后也一直保持著這個穩定值；由此可見改進的滑模變結構控制系統比傳統的滑模變結構控制系統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，當環境溫度穩定在25%不變時，改變光照強度，系統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），基于傳統滑模變結構控制的系統在光照強度突然變化時系統輸出電壓瞬時大幅跌落，然后再慢慢上升趨近于穩定電壓輸出值；改進后的滑模變結構控制的系統則不出現瞬時大幅跌落情況，而是逐漸趨近于穩定電壓輸出值；并且改進的滑模變結構控制系統比傳統滑模變結構控制系統趨近速度更快更穩定。

由圖10可知，當光照強度穩定在1000W/m²不變時，改變環境溫度，系統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），基于傳統滑模變結構控制的系統輸出電壓受溫度影響相對較大，而改進后的滑模變結構控制的系統輸出電壓受溫度影響變化較小，具有更好的魯棒性。

4.結論

通過實驗仿真分析，與傳統滑模變結構控制的系統相比較，改進的滑模變結構控制系統在其基礎上加入積分環節，把指數趨近律控制和等效控制相結合，有效的調節了趨近滑模面時間，使系統跟蹤速度更快，并且還具有更好的穩定性和消抖性，抗干擾能力強，魯棒性好，此外，該方法不僅適合光伏系統，還適合任何Dc，Dc變換電路，應用范圍廣。