羅飛，鄭建弟

（華南理工大學(xué)自動化科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510640）

基于改進(jìn)滑?？刂频腗PPT技術(shù)

羅飛，鄭建弟

（華南理工大學(xué)自動化科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510640）

基于光伏陣列的工作特性，采用Cuk電路作為實(shí)現(xiàn)電路，滑?？刂破鲗夥嚵械淖畲蠊β庶c(diǎn)具有很好的跟蹤特性。根據(jù)Cuk電路的工作原理，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，開關(guān)器件具有固定的占空比。利用Cuk電路的這種特性，控制器在跟蹤狀態(tài)下采用滑?？刂疲€(wěn)定狀態(tài)下采用固定占空比控制，從而避免穩(wěn)定狀態(tài)滑模控制下控制開關(guān)頻率不確定的缺點(diǎn)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該控制器同時(shí)具有滑?？刂坪芎玫母櫶匦?，以及固定占空比所固有的穩(wěn)定特性。

滑?？刂破?；最大功率點(diǎn)跟蹤；Cuk電路；固定占空比

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，世界的能源結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大變革，能源的短缺將人們的目光吸引到了可再生能源，開發(fā)太陽能等清潔能源成為了當(dāng)代一個(gè)必然的選擇，光伏技術(shù)也因此得到了迅速的發(fā)展。

光伏能源是一種依賴于當(dāng)前環(huán)境的一種能源，其輸出特性很大程度上依賴于光照強(qiáng)度λ（W/m2）以及光伏陣列的工作溫度Tc（K）。對于光伏陣列，工程師們都希望能夠建立其仿真模型并設(shè)計(jì)出有效的方法使其工作在最大功率點(diǎn)處。實(shí)際上，光伏陣列的仿真模型建立的方法是比較多的，其中比較常見的一個(gè)就是5-參數(shù)模型。對于MPPT（最大功率點(diǎn)的跟蹤）技術(shù)，常用的方法有固定電壓法、滑模變結(jié)構(gòu)控制［1-3］（簡稱滑模控制）、擾動觀察法［4-5］、電導(dǎo)增量法［6］、模糊控制法［5，7］，占空比控制［8］等。其中滑?？刂剖且环N響應(yīng)速度快、魯棒性強(qiáng)度非線性控制方法，文獻(xiàn)［1］和文獻(xiàn)［2］都是基于文獻(xiàn)［3］改進(jìn)的，他們所采用的方法都能夠快速有效地跟蹤在最大功率點(diǎn)處，但這些方法會使得開關(guān)器件處于頻繁的開關(guān)狀態(tài)，這同時(shí)也導(dǎo)致了光伏陣列在穩(wěn)定點(diǎn)處的功率具有較高的頻率震蕩，功率震蕩波形包含有高次諧波。為避免以上問題，本文提出一種改進(jìn)滑模控制的MPPT方法，通過仿真和實(shí)驗(yàn)對比，驗(yàn)證該方法有效性和優(yōu)越性。

1 光伏陣列的工作特性

光伏陣列的基本原理是基于半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)。

1.1 等效電路

當(dāng)光照及工作溫度恒定時(shí)，5-參數(shù)光伏陣列的等效電路圖如圖1所示。

圖1 等效電路圖Fig.1 The equivalent circuit diagram

根據(jù)圖1，對應(yīng)的光伏陣列的I—U特性方程為

式中:I為光伏陣列的工作電流；U為工作電壓；Iph為短路電流；I0為反向飽和電流；q為電荷常數(shù)（1.6×10-19C）；T為工作溫度；A為光伏陣列中的pn結(jié)系數(shù)；K為BotZman常數(shù)（1.3805×10-23N·m/K）。

在理想的情況下，Rs可近似為零，Rsh可近似為無窮大，式（1）可簡化為

根據(jù)上述分析，建立系統(tǒng)的仿真，得到如圖2所示的U—P特性曲線。

圖2 U—P特性曲線Fig.2 The volt—watt curves

從圖2可以看出，在固定的環(huán)境下，光伏陣列系統(tǒng)存在唯一的最大功率點(diǎn)。

1.2 MPPT控制電路

光伏陣列的控制電路是基于直流斬波技術(shù)設(shè)計(jì)的，由于Cuk斬波電路具有升降壓特性，且輸入電流源與輸出負(fù)載電流都是連續(xù)的，脈動小，有利于對輸入輸出電流進(jìn)行濾波，所以本文采用的控制電路也是基于Cuk斬波電路設(shè)計(jì)的，其控制電路圖如圖3所示。

圖3 控制電路圖Fig.3 The control circuit diagram

2 控制器

2.1 滑?？刂破?/p>

由圖2可知:

令x為系統(tǒng)的狀態(tài)變量向量，則系統(tǒng)的狀態(tài)方程為

其中

而在光伏陣列中，光伏陣列的輸出功率為

根據(jù)光伏陣列的U—P特性曲線，當(dāng)光伏陣列工作在最大功率點(diǎn)時(shí)，有

也即

為了使光伏陣列工作在最大功率點(diǎn)附近，可選取切換函數(shù)為

為了使S(x)=0，也即系統(tǒng)工作在最大功率點(diǎn)處，取開關(guān)控制信號為

下面證明系統(tǒng)滿足滑模的可達(dá)性條件。選取李亞普諾夫函數(shù):

則有

將式（2）代入式（11），得:

所以

1）當(dāng)S＞0時(shí)，開關(guān)量u=1，電容C充電，也即U增大，即

綜合式（16）和式（17），得:

所以

2）當(dāng)S＜0時(shí)，開關(guān)量u=0，電容C放電，也即U減小，即

綜合式（16）和式（20），得:

所以

綜上所述，控制函數(shù):

即為式（12）。

2.2 改進(jìn)的滑?？刂破?/p>

利用滑?？刂频墓夥到y(tǒng)，在系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，會頻繁地在切換面來回震蕩，這就導(dǎo)致了控制開關(guān)會頻繁的切換，同時(shí)也導(dǎo)致了光伏系統(tǒng)在穩(wěn)定點(diǎn)處的功率具有較高的頻率震蕩。為了避免這些問題，一個(gè)自然的做法就是當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定工作在最大功率點(diǎn)附近時(shí)，此時(shí)不再采用滑模控制器控制。

當(dāng)光伏系統(tǒng)穩(wěn)定工作在最大功率點(diǎn)附近時(shí)，光伏系統(tǒng)的輸出電壓U也處于最優(yōu)電壓附近，而對于Cuk斬波電路而言，此時(shí)的開關(guān)量u的占空比D也處于一個(gè)最優(yōu)占空比狀態(tài)。所以當(dāng)光伏系統(tǒng)穩(wěn)定之后，可以延時(shí)采樣此時(shí)的占空比D，并固定此時(shí)控制開關(guān)的占空比為D。也就是說，當(dāng)光伏系統(tǒng)工作在跟蹤模式下，此時(shí)采用滑?？刂破骺刂?，當(dāng)光伏系統(tǒng)工作在穩(wěn)態(tài)模式下，此時(shí)通過采樣占空比，并固定控制開關(guān)的占空比。

綜上所述，改進(jìn)后的滑?？刂破鞯牧鞒虉D如圖4所示。

圖4 改進(jìn)的滑?？刂破髁鞒虉DFig.4 The improved sliding mode controller flow chart

3 仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

根據(jù)圖3，利用Matlab/Simulink建立仿真電路，分別利用滑?？刂破骱透倪M(jìn)的滑?？刂破骺刂齐娐?，實(shí)驗(yàn)采用的光伏陣列參數(shù)在光強(qiáng)1 000 W/m2，溫度25℃的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下為:最大功率點(diǎn)電壓17.5V，最大功率點(diǎn)電流0.29A，開環(huán)電壓21.5V，短路電流0.33A。圖3電路參數(shù)為C=1mF，L1=1mH，C1=1 mF，L2=1 μH，C2=1 μF，負(fù)載R=18 Ω。系統(tǒng)采樣時(shí)間10-3ms，當(dāng)系統(tǒng)工作在跟蹤模式下，此時(shí)的斬波器開關(guān)頻率不固定，最高可達(dá)5×105Hz，當(dāng)系統(tǒng)工作在穩(wěn)定模式下，此時(shí)的斬波器開關(guān)頻率固定為104Hz，而系統(tǒng)穩(wěn)定的判斷允許誤差ep= 0.001 W。分別利用2種控制器對光伏系統(tǒng)進(jìn)行仿真，得到的功率輸出曲線及抖振如圖5～圖8所示。

圖5 滑?？刂频妮敵龉β蔉ig.5 The output power by sliding mode controller

圖6 改進(jìn)滑?？刂频妮敵龉β蔉ig.6 The output power by improved sliding mode controller

圖7 滑?？刂频墓β识墩袂€Fig.7 The power chattering curve by sliding mode controller

圖8 改進(jìn)滑模控制的功率抖振曲線Fig.8 The power chattering curve by improved sliding mode controller

在系統(tǒng)穩(wěn)定情況下（t=1 s處），改變工作環(huán)境，將光強(qiáng)設(shè)置為800 W/m2，溫度設(shè)置為20℃，分別利用2種控制器對光伏系統(tǒng)進(jìn)行仿真，得到的功率輸出曲線如圖9、圖10所示。

圖9 環(huán)境變化下滑?？刂频妮敵龉β蔉ig.9 The output power by sliding mode controller under changing environment

圖10 環(huán)境變化下改進(jìn)滑?？刂频妮敵龉β蔉ig.10 The output power by improved sliding mode controller under changing environment

對比圖5與圖6可知，改進(jìn)后的滑?？刂破髋c改進(jìn)前一樣具有良好的跟蹤特性，2個(gè)控制器都能夠快速穩(wěn)定地跟蹤到最大功率點(diǎn)處。對比圖7與圖8可以看出，改進(jìn)后的滑?？刂频墓β识墩袂€要比改進(jìn)前（文獻(xiàn)［1］）的更加光滑，抖動更小。改進(jìn)后的抖振曲線是一條光滑的正弦曲線，不包含高次諧波。對比圖9與圖10可以看出，改進(jìn)后的滑模控制器與改進(jìn)前一樣具有很好的響應(yīng)速度。

4 結(jié)論

本文在原有的基于滑?？刂频姆椒ㄉ?，提出一種改進(jìn)的光伏系統(tǒng)MPPT控制方案。利用Cuk電路作為控制電路對該方案進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方案與具有原有控制方案良好的最大功率點(diǎn)跟蹤特性，同時(shí)在穩(wěn)定模式下，輸出功率是一條光滑的正弦曲線，具有良好的穩(wěn)態(tài)特性。

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MPPT Technology Based on Improved Sliding Mode Control

LUO Fei，ZHENG Jiandi
（School of Automation Science and Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，China）

Based on the operating characteristics of the PV array，using Cuk circuit as a circuit implementation，sliding controller for maximum power point of the PV array has good tracking characteristics.According to the working principle of Cuk circuit，when the system reaches stability，the switching device has a fixed duty ratio. Utilizing this characteristic，the controller used sliding mode control at tracking state，a fixed duty ratio control at the steady state，so as to avoid the shortcomings of the control switch frequency uncertainty at steady state in sliding mode control.Simulation results show that the controller also has excellent tracking characteristics of sliding mode control，and a fixed duty cycle inherent stability characteristics.

sliding controller mode；maximum power point tracking；Cuk circuit；fixed duty ratio

TM615

A

10.19457/j.1001-2095.20170514

2016-05-03

修改稿日期：2016-09-21

廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（201604010032）

羅飛（1957-），男，博士，教授，Email:aufeiluo@scut.edu.cn