一种基于滑模控制光伏发电最大功率点的跟踪控制方法

摘要

本发明公开了一种基于滑模控制光伏发电最大功率点的跟踪控制方法，包括：基于实际运行情况构建光伏发电的系统数学模型；根据光伏发电的系统数学模型输出特性，构建可切换线性滑动流形；基于可切换线性滑动流形，利用双曲正切函数得到改进的多幂次趋近律的滑模控制最大功率点追踪IMPSM‑MPPT方法；通过IMPSM‑MPPT方法实现光伏发电最大功率点的跟踪控制。本发明方法通过改进多幂次趋近律的滑模控制进行最大功率点追踪，速度快，稳定性强，提高了控制策略的准确性，进一步提高了光伏系统的发电效率。

说明书

技术领域

本发明涉及功率跟踪控制的技术领域，尤其涉及一种基于滑模控制光伏发电最大功率点的跟踪控制方法。

背景技术

随着经济的快速发展，化石燃料能源日渐匮乏，大力发展清洁能源尤为重要。太阳能作为一种可持续再生的绿色清洁能源，具有面向广泛、能源充足、良好的可开发性优点，在未来的新型能源发展战略中占据重要的地位，但因其非线性的特点使得输出功率易受外界环境的影响，降低了利用率。为了提高光伏系统的发电效率，人们提出了最大功率点追踪技术(Maximum Power Point Tracking,MPPT)。

目前针对光伏发电的MPPT控制策略有恒电压法、电导增量法、扰动观察法。然而，这些依赖于步进式迭代过程的方法仅在环境不变时具有准确性。当受到外界干扰时，特别是负载扰动，其准确性大大降低，甚至会出现剧烈的波动。因此，有必要对光伏MPPT控制策略提出新的要求。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明提供了一种基于滑模控制光伏发电最大功率点的跟踪控制方法解决现有的光伏MPPT控制策略在外界因素影响的情况下，无法准确跟踪最大功率点导致光伏系统发电效率低的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

本发明实施例提供了一种基于滑模控制光伏发电最大功率点的跟踪控制方法，包括：

基于实际运行情况构建光伏发电的系统数学模型；

根据所述光伏发电的系统数学模型输出特性，构建可切换线性滑动流形；

基于所述可切换线性滑动流形，利用双曲正切函数得到改进的多幂次趋近律的滑模控制最大功率点追踪IMPSM-MPPT方法；

通过所述IMPSM-MPPT方法实现光伏发电最大功率点的跟踪控制。

作为本发明所述的基于滑模控制光伏发电最大功率点的跟踪控制方法的一种优选方案，其中：所述光伏发电的系统数学模型，包括：光伏组件数学模型和Boost变换器数学模型。

作为本发明所述的基于滑模控制光伏发电最大功率点的跟踪控制方法的一种优选方案，其中：

所述光伏组件数学模型，表示为：

其中，I

所述Boost变换器数学模型，表示为：

其中，U

作为本发明所述的基于滑模控制光伏发电最大功率点的跟踪控制方法的一种优选方案，其中：根据所述光伏组件的输出特性，构建可切换线性滑动流形，包括：

当光伏电池的I-U输出特性曲线在受到光照强度、温度变化时，为提高光伏发电系统的动态性能，构建可切换线性滑动流形；

所述可切换线性滑动流形，表示为：

S

S

其中，S为滑动流形，S

作为本发明所述的基于滑模控制光伏发电最大功率点的跟踪控制方法的一种优选方案，其中：还包括：

当S

当S

作为本发明所述的基于滑模控制光伏发电最大功率点的跟踪控制方法的一种优选方案，其中：

切换函数，表示为：

其中，Δ为饱和度，其值影响趋近滑动流形的抖振幅度，x

作为本发明所述的基于滑模控制光伏发电最大功率点的跟踪控制方法的一种优选方案，其中：还包括：

根据光伏电池的P-U特性曲线，选择滑动流形S＝0，切换函数u

当|S|＞Δ时，状态运动轨迹在自适应快速幂次趋近律的控制下逐渐趋近S＝0，此阶段的状态运动速度随着|S|的大小进行调整，保证光伏发电系统状态在短时间内到达滑动流形；

当|S|≤Δ时，状态运动轨迹为自适应双指数趋近律控制，此阶段的状态运动速度随着|S|变小而变慢，保证光伏发电系统状态平滑进入滑动流形；

当光伏发电系统状态到达滑动流形时，通过等效控制滑动至平衡点。

作为本发明所述的基于滑模控制光伏发电最大功率点的跟踪控制方法的一种优选方案，其中：改进的自适应快速幂次趋近律的滑模控制最大功率点追踪IMPSM-MPPT方法，包括：

利用双曲正切函数改进多幂次趋近律；

IMPSM-MPPT方法，表示为：

其中，α

作为本发明所述的基于滑模控制光伏发电最大功率点的跟踪控制方法的一种优选方案，其中：还包括：

当考虑Boost的光伏发电系统正常运行时，IMPSM-MPPT方法满足存在条件和可达条件，能够保证光伏发电系统在此趋近律的控制下，状态运动轨迹能到达滑动流形；

当考虑Boost的光伏发电系统受到外界干扰时，所述考虑Boost的光伏发电系统能够在IMPSM-MPPT方法的控制下逐渐收敛，并通过调节参数缩小稳定误差。

作为本发明所述的基于滑模控制光伏发电最大功率点的跟踪控制方法的一种优选方案，其中：通过IMPSM-MPPT方法实现光伏发电最大功率点的跟踪控制，包括：

当|S|≥1时，可以通过增大k

当|S|<1时，可以通过增大k

与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明方法通过改进多幂次趋近律的滑模控制进行最大功率点追踪，速度快，稳定性强，提高了控制策略的准确性，进一步提高了光伏系统的发电效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明一个实施例所述的一种基于滑模控制光伏发电最大功率点的跟踪控制方法的整体流程图；

图2为本发明一个实施例所述的一种基于滑模控制光伏发电最大功率点的跟踪控制方法的IAFPSM-MPPT的控制原理图；

图3为本发明一个实施例所述的一种基于滑模控制光伏发电最大功率点的跟踪控制方法的构建的含Boost变换器的光伏发电系统电路结构图；

图4为本发明一个实施例所述的一种基于滑模控制光伏发电最大功率点的跟踪控制方法的温度不变、光照强度发生变化的功率曲线仿真图；

图5为本发明一个实施例所述的一种基于滑模控制光伏发电最大功率点的跟踪控制方法的光照强度不变、温度发生变化的功率曲线仿真图；

图6为本发明一个实施例所述的一种基于滑模控制光伏发电最大功率点的跟踪控制方法的温度不变、光照强度发生变化的系统状态轨迹S随时间变化曲线图；

图7为本发明一个实施例所述的一种基于滑模控制光伏发电最大功率点的跟踪控制方法的光照强度不变、温度发生变化的系统状态轨迹S随时间变化曲线图；

图8为本发明一个实施例所述的一种基于滑模控制光伏发电最大功率点的跟踪控制方法的切换函数收敛特性仿真图；

图9为本发明一个实施例所述的一种基于滑模控制光伏发电最大功率点的跟踪控制方法的干扰稳态误差界仿真图；

图10为本发明一个实施例所述的一种基于滑模控制光伏发电最大功率点的跟踪控制方法的温度不变、光照强度发生变化的功率曲线仿真图；

图11为本发明一个实施例所述的一种基于滑模控制光伏发电最大功率点的跟踪控制方法的光照强度不变、温度发生变化的功率曲线仿真图；

图12为本发明一个实施例所述的一种基于滑模控制光伏发电最大功率点的跟踪控制方法的外接电阻发生变化的功率曲线仿真图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

参照图1～3，为本发明的第一个实施例，该实施例提供了一种基于滑模控制光伏发电最大功率点的跟踪控制方法，包括：

S1:基于实际运行情况构建光伏发电的系统数学模型；

更进一步的，光伏发电的系统数学模型，包括：光伏组件数学模型和Boost变换器数学模型。

具体的，光伏组件数学模型，表示为：

其中，I

应说明的是，由于在实际运行过程中，周围环境的改变会对光伏电池的工作状态产生一定的影响，因此，需要对I

其中，t

具体的，Boost变换器数学模型，表示为：

其中，U

S2:根据光伏发电的系统数学模型输出特性，构建可切换线性滑动流形；

更进一步的，根据光伏组件的输出特性，构建可切换线性滑动流形，包括：

当光伏电池的I-U输出特性曲线在受到光照强度、温度变化时，为提高光伏发电系统的动态性能，构建可切换线性滑动流形；

可切换线性滑动流形，表示为：

S

S

其中，S为滑动流形，S

应说明的是，通过光伏组件的数学模型，得到输出特性曲线。在光照强度和温度不发生变化时，P-U特性曲线的极值点唯一，即最大功率点对应唯一的输出电流和输出电压，可将最大功率点追踪问题可转化为最大功率点输出电流值追踪问题或输出电压值追踪问题。通过可切换的滑动流形进一步提高系统对于光照强度和温度变化时的动态性能。

具体的，还包括：

当S

当S

应说明的是，对于最大功率点的输出电流和输出电压，采用LambertW函数进行估计，表示为：

其中，I'

S3:基于可切换线性滑动流形，利用双曲正切函数得到改进的多幂次趋近律的滑模控制最大功率点追踪IMPSM-MPPT方法；

更进一步的，切换函数，表示为：

其中，Δ为饱和度，其值影响趋近滑动流形的抖振幅度，x

应说明的是，切换函数会对滑模控制的切换速度产生影响，即影响着滑动流形上的抖振大小。通过多幂次趋近律，将系统状态进一步划分为3个阶段调节，使抖振运动进一步减小；由于符号函数sign(S)的存在，使控制过程中人存在较大的抖振；因此，通过利用双曲正切函数的连续性和快速响应的优点改进多幂次趋近律，有效地降低了滑模控制中的抖振，使得光伏发电系统更加平滑且快速地进入滑动流形。

具体的，还包括：

根据光伏电池的P-U特性曲线，选择滑动流形S＝0，切换函数u

当|S|＞Δ时，状态运动轨迹在自适应快速幂次趋近律的控制下逐渐趋近S＝0，此阶段的状态运动速度随着|S|的大小进行调整，保证光伏发电系统状态在短时间内到达滑动流形；

当|S|≤Δ时，状态运动轨迹为自适应双指数趋近律控制，此阶段的状态运动速度随着|S|变小而变慢，保证光伏发电系统状态平滑进入滑动流形；

当光伏发电系统状态到达滑动流形时，通过等效控制滑动至平衡点。

应说明的是，当|S|≤Δ时，切换函数，表示为：

k＞0，ζ＞0，0＜a＜1，0＜B＜1

其中，Δ为饱和函数的饱和度，其值将影响趋近滑动流形的抖振幅度，x

当系统状态轨迹在滑动流形边界层内时，其趋近速度由|-k|S|

更进一步的，改进的自适应快速幂次趋近律的滑模控制最大功率点追踪IMPSM-MPPT方法，包括：

利用双曲正切函数改进多幂次趋近律；

IMPSM-MPPT方法，表示为：

其中，α

应说明的是，ζ值的大小决定函数拐点的变化率，通过调节ζ

具体的，还包括：

当考虑Boost的光伏发电系统正常运行时，IMPSM-MPPT方法满足存在条件和可达条件，能够保证光伏发电系统在此趋近律的控制下，状态运动轨迹能到达滑动流形；

当考虑Boost的光伏发电系统受到外界干扰时，考虑Boost的光伏发电系统能够在IMPSM-MPPT方法的控制下逐渐收敛，并通过调节参数缩小稳定误差。

应说明的是，定理1：对于考虑Boost的光伏发电系统，优化后的趋近律保证系统的状态S(0)在t

其中，t

证明：取李雅普诺夫函数

根据双曲正切函数的定义，表示为：

当x≥0时，

当S→0

当S→0

因此，对于任意S，都有：

当且仅当S＝0时，

假设S(0)＞α

当S(0)→α

由于

通过对

由于t＝0时，S＝S(0)，故C

进一步可得：

则S(0)→α

当α

同理可得，α

当1→α

同理可得，1→α

当α

同理可得，α

当δ→0时，由于β＝δ，IMPSM-MPPT方法，可表示为：

同理可得，δ→0所需时间应小于t

同理，当S(0)＜-α

定理1说明优化后的多幂次趋近律满足存在条件和可达条件，保证系统在该趋近律的控制下，状态运动轨迹能到达滑动流形。

还应说明的是，定理2：考虑不确定系统

假设|d(t)|≤L，则系统的状态S将收敛到以下区域内：

证明：取李雅普诺夫函数

进一步改写，表示为：

当k

通过上述公式可知，状态S将逐渐收敛到区域

状态S将逐渐收敛到以下区域，表示为：

定理2说明不确定系统的状态运动是稳定的，因此，受干扰后的Boost变换器的光伏发电系统仍在趋近律的控制下逐渐收敛，且可以通过对参数进行调节使稳定误差界缩小，使得系统具有更好的抗干扰能力。

S4:通过IMPSM-MPPT方法实现光伏发电最大功率点的跟踪控制；

更进一步的，通过IMPSM-MPPT方法实现光伏发电最大功率点的跟踪控制，包括：

当|S|≥1时，可以通过增大k

当|S|<1时，可以通过增大k

实施例2

参照图4～12，为本发明的一个实施例，在MATLAB/Simulink仿真平台对光伏发电系统进行搭建，并从滑动流形和切换函数两个方面与IAFPSM-MPPT进行仿真比较，验证有益效果。

系统的主电路参数为：C

表1光伏组件参数

基于IAFPSM-MPPT的切换函数的滑动流形，根据温度和光照强度进行仿真，设置初始环境为t＝25℃，L＝1000W/m

如图4所示，当温度不变，光照强度发生变化时，2种滑动流形都能实现最大功率跟踪。当光照强度由1000W/m

如图5所示，当光照强度不变，温度由25℃变为40℃时，非线性滑动流形在1.7531s/秒到达稳定点，可切换线性滑动流形在1.7528s/秒到达稳定点；当温度由40℃变为25℃时，非线性滑动流形在3.253s/秒到达稳定点，可切换线性滑动流形在3.25285s/秒到达稳定点。仿真结果表明：可切换线性滑动流形对温度突变具有更快的跟踪性能。

如图6所示，当温度不变，光照强度发生变化时，非线性滑动流形的运动轨迹在0.06s/秒后在S＝0附近来回穿越，在0.1s/秒后保持等幅振荡，其值远大于可切换滑动流形的振荡大小。且在1.75s/秒扰动后，非线性滑动流形的运动轨迹维持在S＝30附近，出现较大的判断误差，而可切换滑动流形依旧维持在S＝0。仿真结果表明：在受到光照强度变化影响时，可切换滑动流形相比非线性滑动流形具有更好的稳态性能。

如图7所示，当光照强度不变，温度发生变化时，非线性滑动流形在受到温度变化影响时，其运动轨迹表现形式同在受到光照强度变化影响时相似，由此可知，在受到温度变化影响时，可切换滑动流形相比非线性滑动流形具有更好的稳态性能。

基于切换函数的特性进行仿真；

仿真过程中，设置考虑光伏组件的光伏发电系统，设置3种滑模初值，S(1)＝850，S(2)＝489，S(3)＝9.19。由定理1可知，在改进的多幂次趋近律的控制作用下，S(1)、S(2)和S(3)所对应的系统将在有限时间内到达滑动流形，其值分别为0.0391s/秒、0.0380s/秒、0.0300s/秒。如图8所示，在不同初始状态下，系统的收敛时间都小于0.023s/秒。仿真结果表明：所提出的改进多幂次趋近律能实现系统在有限时间t

仿真过程中，设置干扰项为d(t)＝0.1sin(2t)。由定理2可知，对于不确定系统，其状态将收敛到|S|≤12.139。如图9所示，当存在不确定性干扰时，系统能在IMPSM-MPPT作用下收敛到稳态误差界内。

基于IMPSM-MPPT方法和可切换滑动流形的IAFPSM-MPPT方法进行仿真；

如图10所示，当温度不变、光照强度发生变化时，当光照强度由1000W/m

如图11所示，当光照强度不变，温度发生变化时，当温度由25℃变为40℃时，IAFPSM-MPPT在0.00283s/秒内到达稳定点，IMPSM-MPPT在0.00253s/秒内到达稳定点；当温度由40℃变为25℃时，IAFPSM-MPPT在0.00295s/秒内到达稳定点，IMPSM-MPPT在0.002949s/秒内到达稳定点。仿真结果表明：在受到温度突变时，IMPSM-MPPT相比IAFPSM-MPPT具有较快的响应速度。

仿真过程中，设置t＝25℃，s＝1000W/m

本发明的IMPSM-MPPT方法和IAFPSM-MPPT具有更好的最大功率跟踪性能，提高了控制策略的准确性，进一步提高了光伏系统的发电效率。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。