基于滑模控制的最大功率点跟踪

摘要

已成为良好选择的太阳能电池板用于在商业和住宅应用中产生和提供电力。这种产生的功率从太阳能电池开始，太阳能照射，温度和输出功率之间具有复杂的关系。因此，需要跟踪最大功率点。传统上，这是通过考虑光伏面板的电流和电压条件来制造的;然而，温度也影响过程。在本文中，PV系统中的电压，电流和温度被认为是用于所提出的最大功率点跟踪的滑动表面的一部分;这意味着应用了滑动模式控制器。获得的结果具有良好的动态响应，与传统方案的差异相比，这仅基于计算算法。添加了一种基于MPPT的传统算法，以确保低稳态误差。

1.介绍

光伏板的能源供应[1]取决于温度和太阳辐照。PV面板在特定的操作点提供最大功率，称为最大功率点（MPP）。与传统的电源不同，希望在该特定点处运行PV系统，MPP [1- - - - - -19.]。然而，根据光伏阵列，温度和照射强度，MPP基因座在很宽的范围内变化[1- - - - - -3.]。

最大功率点（MPPT）的跟踪保证了在变化的大气条件下MPP的PV发生器的操作。尽管MPPT功率级通常通过DC-DC转换器和计算算法实现，但是也可以考虑一些其他类型的转换器和控制器。

“扰动和观察”（P＆O）算法可能是最广泛的MPPT。算法操作原理简单，功率由PV系统的电压和电流计算，然后迭代地跟踪MPP。该算法意味着选择受控参数的增量值（例如占空比或参考电压）的折衷和进行该调整的时间段。一方面，受控参数的小增量值会降低稳态的误差;但是，动态响应劣化。另一方面，算法迭代之间的时间间隔不仅要短路以允许更快的跟踪，而且必须足够长，以确保由于PV电流和电压的稳定时间而确保可靠的信号测量。

MPPT应包括自调优机制[3.，4]，这规定了电源级并驱动系统在MPPT上运行。已经提出了许多MPPT算法[5- - - - - -19.]，有些在MPP的速度更快，更精确地定位。良好的动态行为在迅速改变照射条件或负载特性的情况下是有用的[8，9]。

最大功率跟踪算法的效率取决于所采用算法的复杂度;然而，复杂的算法有两个主要缺点。这不仅需要昂贵的硬件，而且可能具有较慢的动态响应。在考虑算法时，算法迭代的周期一直是一个特殊的问题。

文学中存在论文[10.，11.]基于滑模控制;这些建议包括传统的P＆O算法。滑动表面基于用于产生输入电流参考的电压控制器。由于这些方案采用了P＆O算法，其建立了MPP的跟踪，因此成为一个缺点;因此，该技术仍然在精度和动态响应之间进行权衡参与。

在文献[12.文中还提出了一种基于滑模控制器的最跟踪控制方案，该方案消除了稳态变化，减少了精度与动态响应之间的权衡。滑动面是基于P&O算法的经典方程，它的实现需要变量之间的导数和除法，这是一个缺点，因为它需要昂贵的硬件。

MPP轨迹可以通过线性关系近似[13.，14.基于光伏组件的特性。因此，为了使PV系统运行在MPP附近，可以设计一个线性控制器，减少精度和动态响应之间的折衷。在这种情况下，系统的实现可能提供更快的MPPT，正如文献中所建议的[18.]，该线性近似只是考虑电压和电流。

所有这些方案在跟踪时都没有考虑温度;然而PV面板也依赖于这个变量。

本文提出了一种基于线性近似的最大功率跟踪算法，该算法不仅考虑了光伏板上的电压和电流，还考虑了温度。MPP轨迹在任何时候都被跟踪。采用线性逼近方法建立滑模控制器的滑模面，在滑模面中获得快速跟踪响应。另外，考虑了基于传统P&O方法的慢速控制回路，以保证稳态时的低误差。

这个提议让我们有一个快速的动态响应，简单的实现(不需要昂贵的硬件)，并且在稳定状态下变化很小。由于最跟踪控制是由滑模控制器而不是迭代算法来实现的，因此减少了精度和动态响应之间的折衷。在这个建议中，我们收集了文献中几种不同方法的最佳特点。

如下所述组织此工作：在部分中讨论了MPPT提案2，包括系统建模，操作和分析。部分3.解决了模拟和实验结果。最后给出了一些最终结论。

2.建议最大功率点跟踪

为MPPT实施了两个控制循环：快速和慢速循环。数字1显示框图。很容易看出如何同时考虑电压，电流和温度;这三个变量用于滑动表面，其为快速回路提供，并且前两个变量用于慢速环路，以便在稳态处保证低误差。

快速循环允许我们非常仔细地通过良好的动态响应达到MPP附近，而慢速循环允许我们通过在MPPT算法中使用小步进增量来降低稳态误差。该技术成为一个良好的跟踪方法。由于大多数是通过快速循环执行的跟踪，慢循环需要很少的迭代。接下来解释两个控制循环。

２.１.快速循环

考虑该环路的滑动模式控制器，其中滑动表面由PV面板特性建立;这可能很容易通过实验而是通过使用模型来获得。

通过PV发生器（PVG）中的电压，电流和温度的线性组合建立开关表面，其在不同的操作条件下包含不同的MPP（或至少靠近附近）。滑动模式控制器将系统引导到滑动表面，并保持在其中，使得控制器将达到MPP附近。

PV面板的典型图表如图所示2(一个)，在5°C的固定温度下显示太阳照射的变化。很容易看出，每个曲线图中的MPP位于曲线的膝盖处，并且取决于辐射，它受到变化。这些点几乎可以通过一条线连接;实际上可以通过使用最小二乘来完成线性近似。

数字2 (b)显示了一个类似的PV面板图，在30°C的固定温度，其中的点也可以通过线性逼近调整。实际上，这两条线可以用来生成一个包含不同温度和辐照条件下MPP邻近区域的平面。

通过线性近似分析，得到了包含MPP邻近的平面 在哪里为面板电流，是面板电压，是环境温度，和为位移项= 93.63。

该平面被认为是所提出的控制器的滑动表面。根据滑动模式的理论，该系统被迫被引导到表面中，使系统将以快速动态响应达到MPP附近。

2.2。慢循环

通过快速回路使系统达到MPP附近，然后利用慢回路对系统进行微调，以减小稳态误差。采用传统的“扰动和观察”最大功率跟踪算法。参数““被认为是输出，以便遵循MPP并减少稳态处的误差。

2.3。控制设计与实现

本文考虑的功率级是传统的DC / DC升压转换器，如图所示3.，负载是恒定的电阻。然后根据PV面板上可用的功率调节输出电压。

使用的滑动表面和控制法是 在哪里    is the sliding surface and是控制法。

运算放大器和比较器被认为是用于实现滑动表面和控制法的模拟装置。微控制器产生““参数，在稳态被认为是恒定的。

切换频率被认为是限制器的辅助界限。该提出的系统的操作是图形方式所示的4．应该注意，当辐照度变化时，应跟踪MPP。

开发了一个模型来验证这个拟议系统的功能;不仅验证了滑动模态的存在性，而且进行了单工作点下的稳定性分析。

系统模型。系统模型考虑了主开关的两个位置。这些是它被打开和关闭的时候。还考虑了PV板的简化模型[19.]： 在哪里是二极管的理想因素，是玻尔兹曼常数，是电子电荷，是辐照度的百分比（1 = 100％），是光伏面板的短路电流，是二极管的饱和电流，环境温度在吗， 和是PV面板或输入电容的电压。

当开关“开”时，方程为 在哪里为感应器的电流，为输出电容的电压，输入电容的电压，和是光伏面板的电流。

交换机“关闭”时的等式

然后代替（3.） 在 （4)和(5）在一些代数操作之后，获得系统的完整模型 在哪里是控制法。

滑模的存在性。下一个不等式证明了滑模的存在，必须满足[21.- - - - - -25.]： 考虑到此时，可忽略不计的温度变化，获得滑动表面的衍生物作为 用(6） 在 （8)让我们获得

在两种可能的情况下(7），接下来分析。（一种）如果然后和．获得以下不等式： （b）如果然后和．获得以下不等式：

不等式（10.)和(11.)，以保证滑模的存在。不平等(10.)，因为所分析的变换器是DC/DC升压变换器(总是高于）。所以 （10.如果电压代数添加比另一个术语更大，则为负。不平等发生了同样的事情（11.）;由于PV面板电压始终为正，因此仅当术语比第二个更大时才满足不等式。

稳定性分析。获得了一个等效的控制[24.，25.]，以验证系统的稳定性。将该控制律代入系统模型中。

等价的控制由表达式(9)，使其等于零，最终控制律为:

开发相同的控制（12.）获得为

用(13.） 在 （6）获得：

接下来对工作点周围进行线性化得到: 在哪里

系统(15.）有以下特征值：

只有两个特征值决定了建立在滑动面上的稳定性。由于滑模控制器的特性，一个特征值为零，这降低了系统的阶数[24.，25.]。这是解释的，因为系统保持在滑动表面中，因此移动被限制在平面（滑动表面）中。这两个特征值必须具有负实部件，以保证稳定性进入滑动表面。评估 （17.，则系统是稳定的

这种不等式对实现的系统的参数表示满足。桌子1显示系统参数。

限定开关频率。理想的滑动模式控制器意味着无限的开关频率，然后在实际实现中，必须界定该开关频率。

有不同的技术来限制开关频率[20.，26.:迟滞，延迟，并保持在一个恒定的时间开关在“开”或“关”，最后，也可以考虑使用PWM。

本文考虑[20.，它允许在一个固定的开关频率下工作，即使在很大的变化。

3.仿真与实验结果

对系统功能进行了数值和实验评价，验证了所提方法的有效性。

升压转换器由200的电感器组成 μh，输入电容为220 μF，输出电容为220 μF，其负载电阻为30 Ω。

在不同的操作条件下评估系统。最初，仿真是在实验结果上解决的。

3.1。稳态模拟

数字5显示稳态的仿真结果。数字5（a）说明温度为15°C时的稳态操作;辐照度是，这相当于1000 w / m²，因此MPP的功率为127.15 W。很容易看出，系统达到了光伏板的功率。

数字5（b）说明了慢的循环行为，当跟踪MPP时始终振荡。还可以看出，输出的变化很小，因此在PV面板功率下稳定状态几乎可以忽略不计。

慢循环在算法迭代之间的时间间隔为0.5 s。

在图中注意这一点很重要5（也是图6）考虑用于说明PV面板所需电力的电感电流;这是为了在这个数字中具有更好的欣赏。但是，由于输入电容，PV面板的实际功率没有此纹波．

3.2。辐射改变下的模拟

数字6（a）显示系统在突然辐照变化下的运行情况;初始辐照值为1000 W/m²，它变为600 w / m²，这代表了PV面板条件的巨大变化。很容易看出该系统需要大约36毫秒追踪新的MPP。

由于每次决定每次0.5秒，那么如果仅考虑慢循环，则需要更长的时间。所提出的系统提供比基于算法的迭代方法获得的更快的响应。

3.3。在温度变化下模拟

数字6（b）显示系统在突然温度变化下的运行情况;初始温度值为15°C，变化为30°C。这代表了光伏板条件的巨大变化。很容易看出，系统跟踪新MPP大约需要8毫秒。这主要是由于考虑了滑动表面的温度。

再次，如果考虑了慢循环，它将需要更长的时间。所提出的系统提供比基于算法的迭代方法获得的更快的响应。

3．4．实验结果

该提案在稳定状态下进行了审查，可再生源变化下进行了可靠的验证。因此，评估了该功率点跟踪算法的这一提议。实际上，该提出的滑动模式MPPT连接到PV仿真器，其允许以动态方式改变其状态。

系统在稳态下的结果如图所示7，工况为600 W/m²．从上到下，依次为光伏板电压、感应器电流，漏源极电压的主开关显示。最后的电压不仅说明了主开关的换向，而且还允许看到在高电压水平下的输出电压值。

数字8显示PV面板上的条件变化。最初，系统在40%到60%的辐照下进行评估，如图所示8（a）．从上到下，依次为光伏板电压、感应器电流，漏源极电压的主开关显示。很容易看出，系统跟踪PV的新MPP大约需要8毫秒。还可以看到，根据新的MPP条件，输出电压如何增加，以要求更多的功率。

最后，该系统也在50％至40％的辐射的变化下进行评估，如图所示8 (b)．从上到下，依次为光伏板电压、感应器电流，漏源极电压的主开关显示。该系统大约需要25毫秒来跟踪PV的新MPP。很容易看出，在新的MPP条件下，输出电压随着功率需求的减少而降低。

4.结论

该提议介绍了一种新的基于滑动模式的MPPT方法。它为与传统方法的最大功率点提供了加速的收敛性。这是通过选择光学板同时考虑电压，电流和温度的开关表面来实现的。

快速回路实现，包括基于光伏面板特性生成的滑动面，在天气条件变化时提供快速跟踪响应。基于传统的“摄动与观测”方法的慢循环实现也获得了良好的稳态性能。

对转炉进行了运行分析。给出了仿真和实验结果。

利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

参考文献

1. P. Maffezzoni和D. D'Amore，“光伏组件的紧凑型电热宏观建模”，IEEE电路与系统汇刊II:快速摘要第56期2，页162-166,2009。查看在：出版商网站|谷歌学者
2. 穆罕默德(H. R. Muhammad)和查尔(L. Char)，《太阳能转换》(Solar power conversion)电力电子手册，第26卷，第26章，661-672页，学术出版社，2007年第2版。查看在：谷歌学者
3. K. H. Hussein, I. Muta, T. Hoshino, M. Osakada，《最大光伏功率跟踪:快速变化的大气条件的算法》，ieee会议记录:发电，输电和配电，第142卷，第2期。1，第59-64页，1995。查看在：出版商网站|谷歌学者
4. Z. Zinger和a . Braunstein，“太阳能(光伏)系统的动态匹配——对匹配系统最小要求的估计”，电力设备与系统学报号，第100卷。3，页1189 - 1192,1981。查看在：谷歌学者
5. T. Esram和P. L. Chapman，“光伏阵列最大功率点跟踪技术的比较”，IEEE能源转换交易第22卷第2期2，页439-449,2007。查看在：出版商网站|谷歌学者
6. C.-X。刘和L.-Q。刘，“光伏发电系统最大功率点跟踪方法研究”智能系统和申请国际研讨会的诉讼程序（ISA'09），2009年5月。查看在：出版商网站|谷歌学者
7. D. Shmilovitz，“通过输出参数控制光伏最大功率点跟踪器”，“电力应用，ieee会议，第152卷，第2期。2，页239-248,2005。查看在：谷歌学者
8. S. Jain和V. Agarwal，“一种快速跟踪光伏系统近似最大功率点的新算法，”IEEE电力电子字母，第2卷，第2期1，页16-19,2004。查看在：出版商网站|谷歌学者
9. L. Gao，R. A. Dougal，S. Liu和A.P.IoTova，“并行连接的太阳能光伏系统，以解决部分和快速波动的阴影条件”，“IEEE工业电子产品交易第56期5, pp. 1548-1556, 2009。查看在：出版商网站|谷歌学者
10. E. Bianconi, J. Calvente, R. Giral等，“基于快速电流的滑模控制技术”，IEEE工业电子产品交易，第60卷，第2期3，pp。1168-1178，2013。查看在：出版商网站|谷歌学者
11. 是。KIM，“强大的最大功率点跟踪器，使用滑动模式控制器用于三相网格连接的光伏系统”，太阳能第81卷第1期3，页405-414,2007。查看在：出版商网站|谷歌学者
12. c c。楚,C.-L。“光伏电池的鲁棒最大功率点跟踪方法:一种滑模控制方法，”太阳能，卷。83，没有。8，pp。1370-1378,2009。查看在：出版商网站|谷歌学者
13. V.V. R.Carpa，G. SmaIzzi和S. Buso，“低复杂性MPPT技术利用光伏电池系列抗性的效果”IEEE工业电子产品交易第56期5，PP。1531-1538,2008。查看在：谷歌学者
14. M. Sokolov和D. Shmilovitz，“改进的MPPT计划，用于加速趋同，”IEEE能源转换交易，卷。23，不。4，pp。1105-1107，2008。查看在：出版商网站|谷歌学者
15. N. Kasa, T. Iida, L. Chen，“无传感器电流MPPT控制的光伏发电系统反激逆变器”，IEEE工业电子产品交易号，第52卷。4，页1145-1152,2005。查看在：出版商网站|谷歌学者
16. J. Li和H. Wang，“基于最优梯度法的光伏代最大功率点跟踪”亚太电力与能源工程会议的诉讼程序（Appeec'09），第1-4页，中国武汉，2009年3月。查看在：出版商网站|谷歌学者
17. V. Mummadi，“改进的光伏源最大功率点跟踪算法”IEEE可持续能源技术国际会议的诉讼程序（ICSET'08），页301-305，新加坡，2008年11月。查看在：谷歌学者
18. Y. Levron和D. Shmilovitz，《采用滑模控制的最大功率点跟踪》，《IEEE电路与系统汇刊》，第60卷，第2期3, pp. 724-732, 2013。查看在：出版商网站|谷歌学者|Mathscinet.
19. G.刘，P.王，W.王和Q.Wang，“MPPT算法在部分着色条件下”电气，信息工程和机电一体化，第138卷计算机科学课堂讲稿，第91-98页，施普林格，柏林，德国，2011。查看在：出版商网站|谷歌学者
20. 田秀雄，赖玉明，谢志强，M. K. H.张，“基于定频脉宽调制的降压变换器准滑模控制器，”电力电子产品上的交易，卷。20，没有。6，PP。1379-1392,2005。查看在：出版商网站|谷歌学者
21. G. Smaiazzi，P. Mattavelli，L.Rossetto和L.Malesani，“将滑模控制应用于开关模式电源”，电路，系统和计算机（JCSC）。，卷。5，不。3，pp。337-354，1995。查看在：谷歌学者
22. L. Martinez-Salamero，A. Cid-Vertor，R. Giral，J. Calvente和V.Ulkin，为什么电力转换器所需的滑模控制方法？“在第14届国际电力电子和运动控制会议的载体（EPE-PEMC '10），pp。S9-25-S9-31，2010年9月。查看在：出版商网站|谷歌学者
23. R. A. Decarlo，S. H. Zak和G. P. Matthews，“非线性多变量系统的可变结构控制：教程”，IEEE论文集，卷。76，没有。3，pp。212-232,1988。查看在：出版商网站|谷歌学者
24. 高伟，洪建昌，“变结构控制:一项调查，”IEEE工业电子产品交易，卷。40，不。1，pp。2-22,1993。查看在：出版商网站|谷歌学者
25. 诉Utkin,滑动模式及其在变结构系统中的应用，MIR出版商，莫斯科，俄罗斯，1974年。
26. B. J. Cardoso，A.F.Mineira，B. R. Menezes和P.C.Coltizo，“应用于滑模控制的DC-DC转换器的开关减速方法分析”第七届应用电力电子会议及博览会(APEC '92)会议录，第403-410页，美国马萨诸塞州波士顿，1992年2月。查看在：出版商网站|谷歌学者

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