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。在早期的報告中闡述多種基于滑模控制最大功率點(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)簡單滑模控制的最大功率點(diǎn)。該滑模控制器具有兩個主要優(yōu)點(diǎn)：首先，通過適當(dāng)選擇開關(guān)面，對輻射變化的響應(yīng)加速一個數(shù)量級；此外，滑模控制可以作為利于操作電壓源或電流源，保證了整個光伏曲線上的穩(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(V_mp和I_mp)、開路電壓(V_oc)和短路電流(I_sc)。如圖1所示，光照幅度上升時，太陽能電池陣列特性曲線電流范圍與電壓范圍增量同時擴(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，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

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，例如滑模控制的逆變器中，輸出電壓需要遵循正弦波形，此時將會選擇時變開關(guān)面。對于最大功率點(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)跟蹤算法對輸入功率進(jìn)行采樣并且不斷進(jìn)行迭代，并實(shí)時更新偏離常數(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)跟蹤的收斂時間。

    在穩(wěn)定狀態(tài)下，開關(guān)面將會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更新將會達(dá)到最小化，此時最大功率點(diǎn)跟蹤速度將會加快。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

    升壓斬波電路的動態(tài)模型表示為：

    為了使滑動線滿足任何工作點(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擾動觀察法，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：擾動觀察法、滑模控制法、變步長擾動觀察法與滑模控制法相結(jié)合的方法。如圖8～圖10所示仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果測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)時間大約7.5 ms。圖9采用太陽能電池最大功率跟蹤滑模控制法的仿真實(shí)驗(yàn)，光伏陣列輸出功率達(dá)到最大值的響應(yīng)時間大約5 ms，相比擾動觀察法響應(yīng)時間縮短33％。如圖10所示，采用變步長擾動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)時間大約2 ms，比滑模控制法的響應(yīng)時間縮短60％，追蹤最大功率點(diǎn)的時間更加快速。

4 結(jié)論

    本文介紹了基于滑動模式的最大功率點(diǎn)方法，提出一種基于滑模控制最大功率點(diǎn)跟蹤方法。該方法是在擾動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)時間更加迅速。

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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）