基于改进滑模控制的MPPT技术

罗飞，郑建弟

（华南理工大学自动化科学与工程学院，广东 广州 510640）

基于改进滑模控制的MPPT技术

罗飞，郑建弟

（华南理工大学自动化科学与工程学院，广东 广州 510640）

基于光伏阵列的工作特性，采用Cuk电路作为实现电路，滑模控制器对光伏阵列的最大功率点具有很好的跟踪特性。根据Cuk电路的工作原理，当系统达到稳定时，开关器件具有固定的占空比。利用Cuk电路的这种特性，控制器在跟踪状态下采用滑模控制，稳定状态下采用固定占空比控制，从而避免稳定状态滑模控制下控制开关频率不确定的缺点。仿真实验结果表明该控制器同时具有滑模控制很好的跟踪特性，以及固定占空比所固有的稳定特性。

滑模控制器；最大功率点跟踪；Cuk电路；固定占空比

随着经济的快速发展，世界的能源结构发生了巨大变革，能源的短缺将人们的目光吸引到了可再生能源，开发太阳能等清洁能源成为了当代一个必然的选择，光伏技术也因此得到了迅速的发展。

光伏能源是一种依赖于当前环境的一种能源，其输出特性很大程度上依赖于光照强度λ（W/m2）以及光伏阵列的工作温度Tc（K）。对于光伏阵列，工程师们都希望能够建立其仿真模型并设计出有效的方法使其工作在最大功率点处。实际上，光伏阵列的仿真模型建立的方法是比较多的，其中比较常见的一个就是5-参数模型。对于MPPT（最大功率点的跟踪）技术，常用的方法有固定电压法、滑模变结构控制［1-3］（简称滑模控制）、扰动观察法［4-5］、电导增量法［6］、模糊控制法［5，7］，占空比控制［8］等。其中滑模控制是一种响应速度快、鲁棒性强度非线性控制方法，文献［1］和文献［2］都是基于文献［3］改进的，他们所采用的方法都能够快速有效地跟踪在最大功率点处，但这些方法会使得开关器件处于频繁的开关状态，这同时也导致了光伏阵列在稳定点处的功率具有较高的频率震荡，功率震荡波形包含有高次谐波。为避免以上问题，本文提出一种改进滑模控制的MPPT方法，通过仿真和实验对比，验证该方法有效性和优越性。

1 光伏阵列的工作特性

光伏阵列的基本原理是基于半导体的光生伏特效应。

1.1 等效电路

当光照及工作温度恒定时，5-参数光伏阵列的等效电路图如图1所示。

图1 等效电路图Fig.1 The equivalent circuit diagram

根据图1，对应的光伏阵列的I—U特性方程为

式中:I为光伏阵列的工作电流；U为工作电压；Iph为短路电流；I0为反向饱和电流；q为电荷常数（1.6×10-19C）；T为工作温度；A为光伏阵列中的pn结系数；K为BotZman常数（1.3805×10-23N·m/K）。

在理想的情况下，Rs可近似为零，Rsh可近似为无穷大，式（1）可简化为

根据上述分析，建立系统的仿真，得到如图2所示的U—P特性曲线。

图2 U—P特性曲线Fig.2 The volt—watt curves

从图2可以看出，在固定的环境下，光伏阵列系统存在唯一的最大功率点。

1.2 MPPT控制电路

光伏阵列的控制电路是基于直流斩波技术设计的，由于Cuk斩波电路具有升降压特性，且输入电流源与输出负载电流都是连续的，脉动小，有利于对输入输出电流进行滤波，所以本文采用的控制电路也是基于Cuk斩波电路设计的，其控制电路图如图3所示。

图3 控制电路图Fig.3 The control circuit diagram

2 控制器

2.1 滑模控制器

由图2可知:

令x为系统的状态变量向量，则系统的状态方程为

其中

而在光伏阵列中，光伏阵列的输出功率为

根据光伏阵列的U—P特性曲线，当光伏阵列工作在最大功率点时，有

也即

为了使光伏阵列工作在最大功率点附近，可选取切换函数为

为了使S(x)=0，也即系统工作在最大功率点处，取开关控制信号为

下面证明系统满足滑模的可达性条件。选取李亚普诺夫函数:

则有

将式（2）代入式（11），得:

所以

1）当S＞0时，开关量u=1，电容C充电，也即U增大，即

综合式（16）和式（17），得:

所以

2）当S＜0时，开关量u=0，电容C放电，也即U减小，即

综合式（16）和式（20），得:

所以

综上所述，控制函数:

即为式（12）。

2.2 改进的滑模控制器

利用滑模控制的光伏系统，在系统达到稳定状态后，会频繁地在切换面来回震荡，这就导致了控制开关会频繁的切换，同时也导致了光伏系统在稳定点处的功率具有较高的频率震荡。为了避免这些问题，一个自然的做法就是当系统稳定工作在最大功率点附近时，此时不再采用滑模控制器控制。

当光伏系统稳定工作在最大功率点附近时，光伏系统的输出电压U也处于最优电压附近，而对于Cuk斩波电路而言，此时的开关量u的占空比D也处于一个最优占空比状态。所以当光伏系统稳定之后，可以延时采样此时的占空比D，并固定此时控制开关的占空比为D。也就是说，当光伏系统工作在跟踪模式下，此时采用滑模控制器控制，当光伏系统工作在稳态模式下，此时通过采样占空比，并固定控制开关的占空比。

综上所述，改进后的滑模控制器的流程图如图4所示。

图4 改进的滑模控制器流程图Fig.4 The improved sliding mode controller flow chart

3 仿真实验及结果

根据图3，利用Matlab/Simulink建立仿真电路，分别利用滑模控制器和改进的滑模控制器控制电路，实验采用的光伏阵列参数在光强1 000 W/m2，温度25℃的标准环境下为:最大功率点电压17.5V，最大功率点电流0.29A，开环电压21.5V，短路电流0.33A。图3电路参数为C=1mF，L1=1mH，C1=1 mF，L2=1 μH，C2=1 μF，负载R=18 Ω。系统采样时间10-3ms，当系统工作在跟踪模式下，此时的斩波器开关频率不固定，最高可达5×105Hz，当系统工作在稳定模式下，此时的斩波器开关频率固定为104Hz，而系统稳定的判断允许误差ep= 0.001 W。分别利用2种控制器对光伏系统进行仿真，得到的功率输出曲线及抖振如图5～图8所示。

图5 滑模控制的输出功率Fig.5 The output power by sliding mode controller

图6 改进滑模控制的输出功率Fig.6 The output power by improved sliding mode controller

图7 滑模控制的功率抖振曲线Fig.7 The power chattering curve by sliding mode controller

图8 改进滑模控制的功率抖振曲线Fig.8 The power chattering curve by improved sliding mode controller

在系统稳定情况下（t=1 s处），改变工作环境，将光强设置为800 W/m2，温度设置为20℃，分别利用2种控制器对光伏系统进行仿真，得到的功率输出曲线如图9、图10所示。

图9 环境变化下滑模控制的输出功率Fig.9 The output power by sliding mode controller under changing environment

图10 环境变化下改进滑模控制的输出功率Fig.10 The output power by improved sliding mode controller under changing environment

对比图5与图6可知，改进后的滑模控制器与改进前一样具有良好的跟踪特性，2个控制器都能够快速稳定地跟踪到最大功率点处。对比图7与图8可以看出，改进后的滑模控制的功率抖振曲线要比改进前（文献［1］）的更加光滑，抖动更小。改进后的抖振曲线是一条光滑的正弦曲线，不包含高次谐波。对比图9与图10可以看出，改进后的滑模控制器与改进前一样具有很好的响应速度。

4 结论

本文在原有的基于滑模控制的方法上，提出一种改进的光伏系统MPPT控制方案。利用Cuk电路作为控制电路对该方案进行仿真实验。实验结果表明，该方案与具有原有控制方案良好的最大功率点跟踪特性，同时在稳定模式下，输出功率是一条光滑的正弦曲线，具有良好的稳态特性。

［1］黄勤，石国飞，凌睿，等.基于滑模控制的光伏系统MPPT控制方案［J］.计算机工程，2012，38（6）:253-258.

［2］周华安，孟志强，王宝田.光伏发电系统MPPT固定频率滑模控制［J］.湖南大学学报（自然科学版），2015，42（10）: 97-101.

［3］张淼，吴捷.滑模技术在PV最大功率追踪系统中的应用［J］.电工技术学报，2005，20（3）:90-93.

［4］王洪斌，贺晙华，贺辉.具有优化步长的最速下降法MPPT控制［J］.电机与控制学报，2012，16（10）:21-25.

［5］薛阳，汪莎.基于扰动观察法的模糊控制应用于光伏发电最大功率跟踪［J］.太阳能学报，2014，35（9）:1622-1626.

［6］周东宝，陈渊睿.基于改进型变步长电导增量法的最大功率点跟踪策略［J］.电网技术，2015，39（6）:1491-1498.

［7］董慧颖，白鹤.基于模糊控制的太阳电池最大功率点跟踪算法研究［J］.太阳能学报，2014，35（8）:1416-1420.

［8］潘雷雷，李国丽，胡存刚.新型占空比直接控制的光伏MPPT研究［J］.电气传动，2011，41（7）:25-29.

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

广州市科技计划项目（201604010032）

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