电导增量—滑模控制最大功率点跟踪的研究

鹿青梅 周莉 孙昌旭

摘 要：针对传统方法在光伏发电系统最大功率跟踪中难以同时满足稳定性和响应速度的问题，提出一种基于电导增量-滑模控制最大功率点跟踪的方法，并设计相应的滑模控制器。该方法选择的滑动面使系统渐进稳定同时具有良好的动态品质，并且采用一条直线滑动线，所选滑动线能够改变升压斩波电路的切换模式，迫使光伏阵列工作点在光伏特性曲线上的最大功率点附近移动，从而光伏阵列产生最大功率。仿真结果表明：该方法与传统的电导增量法和滑模控制法相比，能够快速实现最大功率点的跟踪，提高系统的响应速度，并增强系统在最大功率附近的稳定性。

关键词：光伏发电；电导增量-滑模控制；最大功率

中图分类号： TM615 文献标志码：A

文章编号：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

随着世界的能源危机和环境污染问题的日益严重，太阳能发电引起世界各国的高度重视。太阳能作为一种无污染、可再生的能源，备受人们的关注，光伏发电在未来的供电系统中将扮演着重要的角色[1]。但是，光伏电池阵列具有非线性，受到光照强度，环境温度的影响较大，从而使光伏发电的输出功率不稳定，发电效率较低。

由于光伏发电系统在拓扑结构、负载特性等方面具有明显的差异，因而实现光伏发电系统最大功率跟踪技术的方法多种多样。目前，常见的算法有扰动观察法、电导增量法、恒定电压法等[2]。扰动观察法具有算法简洁、易实现等优点，但在光照强度和环境温度发生急剧改变时，容易发生误判；恒定电压法简单、易实现、成本低，但跟踪精度低；电导增量法控制效果好、稳定性高，并且能够迅速跟踪到最大功率点[3-5]。另外，国内外学者对最大功率跟踪技术进行大量研究并取得一定的成果，其中滑模控制因其鲁棒性强，具有无需在线辨识，设计结构简单等优点，被引入最大功率点控制中，可明显改善光伏系统跟踪速度[6]。

本文提出一种基于电导增量——滑模控制最大功率点跟踪的方法，该方法在原有的滑模控制基础上结合了电导增量制法，并设计了相应的滑模控制器。采用的滑模控制器具有两个主要优点：首先，通过适当的选择开关面，能够对辐射变化的响应加速一个数量级；其次，滑模控制可以利于操作电压源或电流源，保证整个系统的稳定性[7]。本文分析了该方法的基本原理，搭建了Matlab/Simulink仿真模型，并且與电导增量法和滑模控制法进行对比，说明其方法的正确性与优越性。

1 光伏电池特性分析

光伏阵列是光伏发电系统最核心的部分，分析光伏电池阵列的特性为研究最大功率点跟踪奠定了基础。

在Matlab仿真软件中建立光伏电池模型并进行仿真，其仿真结果如图2所示。图2（a）、（c）分别为光伏电池在相同温度不同光照强度下的P-U和I-U特性曲线图，从图中可以得出光伏电池开路电压、短路电流和最大输出功率随着光照强度增加而增加；图2（b）、（d）为光伏电池在相同光照强度不同环境温度下的仿真特性曲线图，图中环境温度增大、光伏电池的开路电压和最大输出功率都在减小，短路电流却逐渐增大。仿真结果表明光伏电池的输出特性不仅与本身模块的内部参数有关，而且还与外界温度和光照强度有关。

2 控制设计

光伏阵列的最大功率跟踪控制过程是通过不断调整负载阻抗，使其与电池阻抗相匹配，从而得到最大输出功率。为了提高发电效率，需要对其最大功率进行跟踪，本设计DC/DC电路采用Boost升压电路，对太阳能电池板的输出直流电进行升压，将光伏阵列的输出侧和Boost电路等效成电池的阻抗负载。其系统控制结构如图3所示。

3 系统仿真

本文采用Matlab/simulink仿真软件搭建系统仿真模型，如图4所示。仿真中太阳能电池板和升压斩波电路参数设置如下：太阳能电池板环境温度25℃，光照条件1 000W/m2，最大功率点电压19.37V、电流5.55A；升压斩波电路输入、输出电容500μF，电感5mH，负载25Ω。

为验证所提出方法的有效性，分别对电导增量法、滑模控制法、电导增量-滑模控制法进行仿真，其得到升压斩波电路的输入、输出功率的仿真曲线如图5所示。图5（a）为太阳能电池最大功率跟踪采用电导增量法的仿真图，该结果表明光伏阵列输出功率达到稳定最大值的响应时间大约为10ms。图5（b）为太阳能电池最大功率跟踪采用滑模控制法的仿真图，从图中可以得出光伏阵列输出功率达到稳定最大值的响应时间大约为5ms，比电导增量法响应时间缩短50%。图5（c）为太阳能电池最大功率跟踪采用电导增量-滑模控制法的仿真图，由图可得光伏阵列输出功率达到稳定最大值的响应时间大约为2ms，分别比电导增量法、滑模控制法的响应时间缩短80%、60%。由此可见，与传统的电导增量法和滑模控制法相比，太阳能电池最大功率跟踪法采用电导增量-滑模控制法缩短了最大功率点跟踪的时间，提高了光伏发电系统的效率。

4 结 论

本文介绍了于传统的电导增量法和滑模控制的最大功率跟踪技术，提出一种基于电导增量-滑模控制最大功率点跟踪的方法。该方法采用电导增量法和滑模控制法相结合的控制原理，设计相应的滑模控制器，合理选择滑动面，确定控制率上以。仿真研究表明，该方法制可以大大缩减了最大功率的追踪时间，提高整个系统的响应速度，增强了输出功率的稳定性。

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（责任编辑：李 丽，吴晓红，编辑：丁 寒）