電導(dǎo)增量—滑模控制最大功率點(diǎn)跟蹤的研究

鹿青梅 周莉 孫昌旭

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)方法在光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤中難以同時(shí)滿足穩(wěn)定性和響應(yīng)速度的問(wèn)題，提出一種基于電導(dǎo)增量-滑?？刂谱畲蠊β庶c(diǎn)跟蹤的方法，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的滑?？刂破?。該方法選擇的滑動(dòng)面使系統(tǒng)漸進(jìn)穩(wěn)定同時(shí)具有良好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)，并且采用一條直線滑動(dòng)線，所選滑動(dòng)線能夠改變升壓斬波電路的切換模式，迫使光伏陣列工作點(diǎn)在光伏特性曲線上的最大功率點(diǎn)附近移動(dòng)，從而光伏陣列產(chǎn)生最大功率。仿真結(jié)果表明：該方法與傳統(tǒng)的電導(dǎo)增量法和滑?？刂品ㄏ啾?，能夠快速實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，并增強(qiáng)系統(tǒng)在最大功率附近的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；電導(dǎo)增量-滑?？刂?；最大功率

中圖分類號(hào)： TM615 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-1098（2017）05-0046-05

Abstract：Aiming at the problem that the traditional method is difficult to meet the stability and response speed in the maximum power tracking of the photovoltaic power generation system， a method based on the maximum power tracking of the conductance increment-sliding mode control was proposed and the corresponding sliding mode controller was designed. The sliding surface chosen with this method made the system asymptotically stable meanwhile had good dynamic quality. The linear sliding line selected could change the switching mode of the boost chopper circuit， forcing the PV array operating points to move near the maximum power point on the PV characteristic curve so that the photovoltaic array generated the maximum power. The simulation results showed that the proposed method could achieve the tracking of the maximum power point quickly， improve the response speed of the system and enhance the stability of the system in the vicinity of the maximum power compared with the traditional method of conductivity increment and sliding mode control.

Key words：Photovoltaic power generation； conductance Increment-Sliding Mode Control； MPP

隨著世界的能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題的日益嚴(yán)重，太陽(yáng)能發(fā)電引起世界各國(guó)的高度重視。太陽(yáng)能作為一種無(wú)污染、可再生的能源，備受人們的關(guān)注，光伏發(fā)電在未來(lái)的供電系統(tǒng)中將扮演著重要的角色[1]。但是，光伏電池陣列具有非線性，受到光照強(qiáng)度，環(huán)境溫度的影響較大，從而使光伏發(fā)電的輸出功率不穩(wěn)定，發(fā)電效率較低。

由于光伏發(fā)電系統(tǒng)在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、負(fù)載特性等方面具有明顯的差異，因而實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤技術(shù)的方法多種多樣。目前，常見(jiàn)的算法有擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法、恒定電壓法等[2]。擾動(dòng)觀察法具有算法簡(jiǎn)潔、易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，但在光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度發(fā)生急劇改變時(shí)，容易發(fā)生誤判；恒定電壓法簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)、成本低，但跟蹤精度低；電導(dǎo)增量法控制效果好、穩(wěn)定性高，并且能夠迅速跟蹤到最大功率點(diǎn)[3-5]。另外，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)最大功率跟蹤技術(shù)進(jìn)行大量研究并取得一定的成果，其中滑?？刂埔蚱漪敯粜詮?qiáng)，具有無(wú)需在線辨識(shí)，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，被引入最大功率點(diǎn)控制中，可明顯改善光伏系統(tǒng)跟蹤速度[6]。

本文提出一種基于電導(dǎo)增量——滑模控制最大功率點(diǎn)跟蹤的方法，該方法在原有的滑?？刂苹A(chǔ)上結(jié)合了電導(dǎo)增量制法，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的滑模控制器。采用的滑模控制器具有兩個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：首先，通過(guò)適當(dāng)?shù)倪x擇開(kāi)關(guān)面，能夠?qū)椛渥兓捻憫?yīng)加速一個(gè)數(shù)量級(jí)；其次，滑?？刂瓶梢岳诓僮麟妷涸椿螂娏髟矗ＷC整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[7]。本文分析了該方法的基本原理，搭建了Matlab/Simulink仿真模型，并且與電導(dǎo)增量法和滑?？刂品ㄟM(jìn)行對(duì)比，說(shuō)明其方法的正確性與優(yōu)越性。

1 光伏電池特性分析

光伏陣列是光伏發(fā)電系統(tǒng)最核心的部分，分析光伏電池陣列的特性為研究最大功率點(diǎn)跟蹤奠定了基礎(chǔ)。

在Matlab仿真軟件中建立光伏電池模型并進(jìn)行仿真，其仿真結(jié)果如圖2所示。圖2（a）、（c）分別為光伏電池在相同溫度不同光照強(qiáng)度下的P-U和I-U特性曲線圖，從圖中可以得出光伏電池開(kāi)路電壓、短路電流和最大輸出功率隨著光照強(qiáng)度增加而增加；圖2（b）、（d）為光伏電池在相同光照強(qiáng)度不同環(huán)境溫度下的仿真特性曲線圖，圖中環(huán)境溫度增大、光伏電池的開(kāi)路電壓和最大輸出功率都在減小，短路電流卻逐漸增大。仿真結(jié)果表明光伏電池的輸出特性不僅與本身模塊的內(nèi)部參數(shù)有關(guān)，而且還與外界溫度和光照強(qiáng)度有關(guān)。

2 控制設(shè)計(jì)

光伏陣列的最大功率跟蹤控制過(guò)程是通過(guò)不斷調(diào)整負(fù)載阻抗，使其與電池阻抗相匹配，從而得到最大輸出功率。為了提高發(fā)電效率，需要對(duì)其最大功率進(jìn)行跟蹤，本設(shè)計(jì)DC/DC電路采用Boost升壓電路，對(duì)太陽(yáng)能電池板的輸出直流電進(jìn)行升壓，將光伏陣列的輸出側(cè)和Boost電路等效成電池的阻抗負(fù)載。其系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3 系統(tǒng)仿真

本文采用Matlab/simulink仿真軟件搭建系統(tǒng)仿真模型，如圖4所示。仿真中太陽(yáng)能電池板和升壓斬波電路參數(shù)設(shè)置如下：太陽(yáng)能電池板環(huán)境溫度25℃，光照條件1 000W/m2，最大功率點(diǎn)電壓19.37V、電流5.55A；升壓斬波電路輸入、輸出電容500μF，電感5mH，負(fù)載25Ω。

為驗(yàn)證所提出方法的有效性，分別對(duì)電導(dǎo)增量法、滑模控制法、電導(dǎo)增量-滑?？刂品ㄟM(jìn)行仿真，其得到升壓斬波電路的輸入、輸出功率的仿真曲線如圖5所示。圖5（a）為太陽(yáng)能電池最大功率跟蹤采用電導(dǎo)增量法的仿真圖，該結(jié)果表明光伏陣列輸出功率達(dá)到穩(wěn)定最大值的響應(yīng)時(shí)間大約為10ms。圖5（b）為太陽(yáng)能電池最大功率跟蹤采用滑?？刂品ǖ姆抡鎴D，從圖中可以得出光伏陣列輸出功率達(dá)到穩(wěn)定最大值的響應(yīng)時(shí)間大約為5ms，比電導(dǎo)增量法響應(yīng)時(shí)間縮短50%。圖5（c）為太陽(yáng)能電池最大功率跟蹤采用電導(dǎo)增量-滑模控制法的仿真圖，由圖可得光伏陣列輸出功率達(dá)到穩(wěn)定最大值的響應(yīng)時(shí)間大約為2ms，分別比電導(dǎo)增量法、滑?？刂品ǖ捻憫?yīng)時(shí)間縮短80%、60%。由此可見(jiàn)，與傳統(tǒng)的電導(dǎo)增量法和滑模控制法相比，太陽(yáng)能電池最大功率跟蹤法采用電導(dǎo)增量-滑模控制法縮短了最大功率點(diǎn)跟蹤的時(shí)間，提高了光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率。

4 結(jié) 論

本文介紹了于傳統(tǒng)的電導(dǎo)增量法和滑模控制的最大功率跟蹤技術(shù)，提出一種基于電導(dǎo)增量-滑?？刂谱畲蠊β庶c(diǎn)跟蹤的方法。該方法采用電導(dǎo)增量法和滑?？刂品ㄏ嘟Y(jié)合的控制原理，設(shè)計(jì)相應(yīng)的滑?？刂破?，合理選擇滑動(dòng)面，確定控制率上以。仿真研究表明，該方法制可以大大縮減了最大功率的追蹤時(shí)間，提高整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)速度，增強(qiáng)了輸出功率的穩(wěn)定性。

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（責(zé)任編輯：李 麗，吳曉紅，編輯：丁 寒）