滑模控制在两级级联光伏发电系统中的应用
鲍安平+徐开军
摘 要： 在光伏发电系统的应用中存在太阳能的间歇性导致电网不稳定的难题。为解决该问题，提出一种两级级联分布式光伏发电系统，该系统有两个独立控制的太阳能电源，每个光伏电池板包含一组两级级联升压转换器，由两个独立的滑模控制器分别控制。首先，采用极值搜索控制（ESC）算法实现最大功率点跟踪（MPPT）控制策略以最大限度地改善可再生能源的能量收集；然后，根据每个太阳能电源的可用发电量和蓄电池的充电状态，提出四种监控策略由监控中心选择；最后，通过数字化仿真来演示监视控制器的精确操作和每一种运行条件下MPPT算法的功能。仿真结果显示了该方法的可操作性和实用性。
关键词： 光伏发电； 滑模控制器； 升压转换器； 极值搜索控制； MPPT
中图分类号： TN710?34； TP29 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）15?0175?04
Abstract： In order to solve the problem that the intermittent solar makes the power grid unstable in the application of photovoltaic power generation system， a two?stage cascade distributed photovoltaic power generation system is proposed. The system has two solar power supplies controlled independently. Each photovoltaic panel contains a set of two?stage cascaded boost converter controlled by two independent sliding?mode controllers respectively. The extremum seeking control （ESC） algorithm is used to realize the maximum power point tracking （MPPT） control strategy to improve the energy harvesting of the renewable energy sources to the utmost extent. According to charging state of storage battery and available generated energy， four monitoring strategies are proposed for monitoring center selection. The accurate operation of the monitoring controller and functions of MPPT algorithm under each operating condition were demonstrated by means of digital simulation. The simulation results show that the method is feasible and practical.
Keywords： photovoltaic power generation； sliding?mode controller； boost converter； extremum seeking control； maximum power point tracking
0 引 言
随着石油能源的枯竭和环境问题的恶化，可再生能源技术迅速发展。与其他可再生能源相比，光伏发电因其环保、安全、高效等特性已被确立为一种高效的清洁替代能源。然而，在光伏发电系统的应用上，仍然存在一些技术难题，例如，太阳能的间歇性导致电网的不稳定性。为解决该问题，许多学者已经提出了多种具有存储装置的可再生发电系统，太阳能的间歇性可利用能量存储装置来补偿，但这些补偿方法仍不够理想[1?2]。
一个光伏发电系统通常由光伏电池板、电源转换器和负载组成，通过调节控制器和转换器可获得最大功率点。为了消除不同情形下光伏发电与其理想最大功率间的误差，许多学者已经提出了一些MPPT（Maximum Power Point Tracking）控制方法[2?3]。MPPT对于光伏发电系统是相当重要的，不仅可提升系统的发电效率，而且可降低能源损耗。
由于外部环境及条件的变化，对每个太阳能电池板安装一个转换器的方法不能获得理想的恒定输出电压。因此，采用两级转换器来同时实现MPPT并控制输出电压。
本文提出一种使用两级级联升压转换器的方法用于MPPT以获得较高的转换效率。初级转换器用来运行MPPT控制算法，第二级转换器用来控制终端输出电压。系统不间断地运行最大功率点跟踪控制算法，以从两个太阳能电源获得最大功率。利用基于无损电阻（Loss Free Resistor，LFR）[4]的滑模控制方法[5?6]实现MPPT。
1 系统结构概述
本文采用分布式光伏发电系统结构如图1所示。系统包含两个独立控制的太阳能电源，一个蓄电池和一个阻性负载。每个光伏电池板包含一组两级级联DC?DC升压转换器。两个初级转换器分别由两个基于滑模控制（Sliding Mode Control，SMC）理论的MPPT控制器控制。每个转换器从太阳能电池板接收光伏发电的电压和电流。MPPT算法用来调节初级转换器的电导两个二级升压转换器分别由两个基于滑模控制理论的PI控制器控制，使其作为一个恒压源，电导为监控中心接收来自蓄电池的充电状态信号，且传输来自两个光伏电池板输出的电能，同时，确定不同情形下的下一个适当的控制模式。两条线路分别通过它们各自的DC?DC转换[7]并联连接到一个共同的直流母线。蓄电池直接连接到直流总线并通过总线电压的变化进行控制。连接光伏电池板的转换器可以作为电压源输出功率。当直流总线的电压变动时，电池可能被充电或放电，相当于控制一个特定的电压源给蓄电池所需的速率充电。这种分布式光伏发电系统改善了电能供应的稳定性和可靠性[8]。
2 最大功率点跟踪及监控策略
2.1 光伏阻抗匹配与滑模控制器
MPPT算法用于寻找各种不同情形下最接近最大功率点的工作电压。电源转换器的电路可用一些理想元件电路模型来描述和分析。输入端吸收功率，然后无损耗地将其传输到输出端，太阳能电源连接到一个具有直流负载的两级级联升压转换器。设光伏电池的输出电压为则系统输出功率可表示为：
因此可以通过调节初级转换器的电导值来搜索光伏系统的最优工作点。下列两个滑模控制面函数作为每个升压转换器的开关：
式中：是两级级联转换器间的电容；是初级升压转换器的输出电流；是系统的输出电流。
2.2 最大功率点跟踪算法
光伏发电中的MPPT技术是为了在不同的温度、日照和负载变化的情形下，控制光伏系统在最大功率点附近获得最佳工作点。许多学者已经提出了一些跟踪方法应用于不同类型的DC?DC转换器[7]。极值搜索控制（Extremum Seeking Control，ESC）是一种普遍的MPPT算法，该方法通过增强或降低一个恰当的控制信号来控制光伏发电系统接近最大功率点，其框图如图2所示。
MPPT控制器的输入设置为光伏电池板的输出电压和电流，然后通过一个低通滤波器得到功率变化信号dP，作为迟滞比较器的输入信号。迟滞比较器可以产生一组二进制信号反映dP为正或负。此二进制信号被发送到逻辑电路来决定维持或改变最大功率点跟踪控制信号的下一个方向。最后，搜索方向的控制信号被引入到积分器以获得第一级升压变换器[9]的电导
2.3 系统的数学模型
对于两级级联升压转换器的切换模式，系统动态行为可以描述为：
2.4 监控策略模式
在一个分布式光伏发电的直流系统中，必须要进行分流和系统保护，系统的监控中心可实现该功能。监控结果是一个充电或放电的控制命令，该命令使得整个系统的性能更加流畅且高效[10]。监控中心的输入是两个太阳能电池的输出功率和电池的充电状态，共四种监控模式，如表1所示，监控策略模式由两个条件决定：一是电池需要提供或吸收的净功率二是系统运行突发事件的概率。由下式计算：
3 数字化仿真
为了验证前述的理论方法，采用Matlab/Simulink對整个系统进行仿真。外部环境温度固定在25 ℃，系统的采样时间间隔设置为1 μs。图3表示辐照度从1 000 W/m2变化至800 W/m2的系统功率波形。图4表示辐照度从800 W/m2变化至600 W/m2的光伏系统功率电压电流和初级电压的波形。
图5和图6分别表示负载直流电压从240～380 V和380～240 V的阶跃变化下系统的响应，表明了该控制系统的可行性。由图5，图6可观察出，加大或减小输出电压将不影响该系统捕获太阳能电池板的最大功率。
表1中所列四种模式的监控效果分别如图7～图9所示。图7展示了模式1和模式4综合的情形，在直流负载功率大致从2.5～3.5 kW再到2.5 kW变化的情况下，两个太阳能电池板最大功率点跟踪的效果和电池功率的响应。一个900 Ah的电池供应负载近90 h不充电，的值从40%～95%变化。
其中图7（a）中PV1的辐照度从800～1 000 W/m2变化，PV2的辐照度从700～900 W/m2变化。图7 （b）中PV1的辐照度从1 000～600 W/m2变化，PV2的辐照度从900～700 W/m2变化。图7 （c）中PV1的辐照度从1 000～600 W/m2变化，PV2的辐照度从700～900 W/m2变化。
图7（a）～图7（c）验证了两个光伏电源在遵循同向或反向变化时控制器的操作。在捕捉不同辐照度情况下两个太阳能电池板的最大功率时，直流微网能够自动按照需求的功率对电池充放电。
模式3的情形如图8所示。在该情形下，必须设置端电压在270 V附近为电池充电并保持容量，这样也可以补偿该电池的自放电。为了消耗多余的能量，这里调用一个假负载。两个电源控制可以通过限制电流注入到电池和基于直流负载要求的假负载来实现。
模式4的情形如图9所示。在该情形下，负载断开，从两个光伏电源捕获的总功率用来给电池充电，不能同时满足2.5 kW的DC负载功率。
4 结 语
本文的主要工作是两级级联分布式光伏系统和基于滑模控制理论的MPPT方法的建模。两个光伏电池板以及它们各自的MPPT控制器的模型都在Matlab/Simulink环境下建立。采用级联DC?DC升压转换器来调节电压转换比。一种应用无损电阻的滑模控制结构可用来有效控制该级联连接。同时，建立了级联电路的全阶开关模型，并利用基尔霍夫电压电流定律进行分析。通过电路的数学模型及LFR的概念可获得两个滑模控制面和控制变量，最后提出了四种情形下的监控策略来产生光伏电源的最大功率。仿真结果表明该方法具有准确的可操作性和适用性。
参考文献
[1] BARCHOWSKY A， PARVIN J P， REED G F， et al. A comparative study of MPPT methods for distributed photovoltaic generation [C]// Proceedings of 2012 IEEE PES on Innovative Smart Grid Technologies. Washington， DC： IEEE， 2012： 1?7.
[2] 李兴鹏，石庆均，江全元.双模糊控制法在光伏并网发电系统MPPT中的应用[J].电力自动化设备，2012，32（8）：113?117.
[3] 吴大中，王晓伟.一种光伏MPPT模糊控制算法研究[J].太阳能学报，2011，32（6）：808?813.
[4] ERICKSON R W， MAKSIMOVIC D. Fundamentals of power electronics [M]. US： Springer， 2001.
[5] MATTAVELLI P， ROSSETTO L， SPIAZZI G， et al. General?purpose sliding?mode controller for DC/DC converter applications [C]// Proceedings of 24th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference. Seattle： IEEE， 1993： 609?615.
[6] 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?255.
[7] LIN W M， HONG C M， CHEN C H. Neural?network?based MPPT control of a stand?alone hybrid power generation system [J]. IEEE transactions on power electronics， 2011， 26（12）： 3571?3581.
[8] NEJABATKHAH F， DANYALI S， HOSSEINI S H， et al. Mo?deling and control of a new three?input DC?DC boost converter for hybrid PV/FC/battery power system [J]. IEEE transactions on power electronics， 2012， 27（5）： 2309?2324.
[9] HAROUM R， AROUDI A E， CID?PASTOR A， et al. Impe?dance matching in photovoltaic systems using cascaded boost converters and sliding?mode control [J]. IEEE transactions on power electronics， 2015， 30（6）： 3185?3199.
[10] SHEN D， IZADIAN A， LIAO P. A hybrid wind?solar?storage energy generation system configuration and control [C]// Proceedings of 2014 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition. [S.l.]： IEEE， 2014： 436?442.
摘 要： 在光伏发电系统的应用中存在太阳能的间歇性导致电网不稳定的难题。为解决该问题，提出一种两级级联分布式光伏发电系统，该系统有两个独立控制的太阳能电源，每个光伏电池板包含一组两级级联升压转换器，由两个独立的滑模控制器分别控制。首先，采用极值搜索控制（ESC）算法实现最大功率点跟踪（MPPT）控制策略以最大限度地改善可再生能源的能量收集；然后，根据每个太阳能电源的可用发电量和蓄电池的充电状态，提出四种监控策略由监控中心选择；最后，通过数字化仿真来演示监视控制器的精确操作和每一种运行条件下MPPT算法的功能。仿真结果显示了该方法的可操作性和实用性。
关键词： 光伏发电； 滑模控制器； 升压转换器； 极值搜索控制； MPPT
中图分类号： TN710?34； TP29 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）15?0175?04
Abstract： In order to solve the problem that the intermittent solar makes the power grid unstable in the application of photovoltaic power generation system， a two?stage cascade distributed photovoltaic power generation system is proposed. The system has two solar power supplies controlled independently. Each photovoltaic panel contains a set of two?stage cascaded boost converter controlled by two independent sliding?mode controllers respectively. The extremum seeking control （ESC） algorithm is used to realize the maximum power point tracking （MPPT） control strategy to improve the energy harvesting of the renewable energy sources to the utmost extent. According to charging state of storage battery and available generated energy， four monitoring strategies are proposed for monitoring center selection. The accurate operation of the monitoring controller and functions of MPPT algorithm under each operating condition were demonstrated by means of digital simulation. The simulation results show that the method is feasible and practical.
Keywords： photovoltaic power generation； sliding?mode controller； boost converter； extremum seeking control； maximum power point tracking
0 引 言
随着石油能源的枯竭和环境问题的恶化，可再生能源技术迅速发展。与其他可再生能源相比，光伏发电因其环保、安全、高效等特性已被确立为一种高效的清洁替代能源。然而，在光伏发电系统的应用上，仍然存在一些技术难题，例如，太阳能的间歇性导致电网的不稳定性。为解决该问题，许多学者已经提出了多种具有存储装置的可再生发电系统，太阳能的间歇性可利用能量存储装置来补偿，但这些补偿方法仍不够理想[1?2]。
一个光伏发电系统通常由光伏电池板、电源转换器和负载组成，通过调节控制器和转换器可获得最大功率点。为了消除不同情形下光伏发电与其理想最大功率间的误差，许多学者已经提出了一些MPPT（Maximum Power Point Tracking）控制方法[2?3]。MPPT对于光伏发电系统是相当重要的，不仅可提升系统的发电效率，而且可降低能源损耗。
由于外部环境及条件的变化，对每个太阳能电池板安装一个转换器的方法不能获得理想的恒定输出电压。因此，采用两级转换器来同时实现MPPT并控制输出电压。
本文提出一种使用两级级联升压转换器的方法用于MPPT以获得较高的转换效率。初级转换器用来运行MPPT控制算法，第二级转换器用来控制终端输出电压。系统不间断地运行最大功率点跟踪控制算法，以从两个太阳能电源获得最大功率。利用基于无损电阻（Loss Free Resistor，LFR）[4]的滑模控制方法[5?6]实现MPPT。
1 系统结构概述
本文采用分布式光伏发电系统结构如图1所示。系统包含两个独立控制的太阳能电源，一个蓄电池和一个阻性负载。每个光伏电池板包含一组两级级联DC?DC升压转换器。两个初级转换器分别由两个基于滑模控制（Sliding Mode Control，SMC）理论的MPPT控制器控制。每个转换器从太阳能电池板接收光伏发电的电压和电流。MPPT算法用来调节初级转换器的电导两个二级升压转换器分别由两个基于滑模控制理论的PI控制器控制，使其作为一个恒压源，电导为监控中心接收来自蓄电池的充电状态信号，且传输来自两个光伏电池板输出的电能，同时，确定不同情形下的下一个适当的控制模式。两条线路分别通过它们各自的DC?DC转换[7]并联连接到一个共同的直流母线。蓄电池直接连接到直流总线并通过总线电压的变化进行控制。连接光伏电池板的转换器可以作为电压源输出功率。当直流总线的电压变动时，电池可能被充电或放电，相当于控制一个特定的电压源给蓄电池所需的速率充电。这种分布式光伏发电系统改善了电能供应的稳定性和可靠性[8]。
2 最大功率点跟踪及监控策略
2.1 光伏阻抗匹配与滑模控制器
MPPT算法用于寻找各种不同情形下最接近最大功率点的工作电压。电源转换器的电路可用一些理想元件电路模型来描述和分析。输入端吸收功率，然后无损耗地将其传输到输出端，太阳能电源连接到一个具有直流负载的两级级联升压转换器。设光伏电池的输出电压为则系统输出功率可表示为：
因此可以通过调节初级转换器的电导值来搜索光伏系统的最优工作点。下列两个滑模控制面函数作为每个升压转换器的开关：
式中：是两级级联转换器间的电容；是初级升压转换器的输出电流；是系统的输出电流。
2.2 最大功率点跟踪算法
光伏发电中的MPPT技术是为了在不同的温度、日照和负载变化的情形下，控制光伏系统在最大功率点附近获得最佳工作点。许多学者已经提出了一些跟踪方法应用于不同类型的DC?DC转换器[7]。极值搜索控制（Extremum Seeking Control，ESC）是一种普遍的MPPT算法，该方法通过增强或降低一个恰当的控制信号来控制光伏发电系统接近最大功率点，其框图如图2所示。
MPPT控制器的输入设置为光伏电池板的输出电压和电流，然后通过一个低通滤波器得到功率变化信号dP，作为迟滞比较器的输入信号。迟滞比较器可以产生一组二进制信号反映dP为正或负。此二进制信号被发送到逻辑电路来决定维持或改变最大功率点跟踪控制信号的下一个方向。最后，搜索方向的控制信号被引入到积分器以获得第一级升压变换器[9]的电导
2.3 系统的数学模型
对于两级级联升压转换器的切换模式，系统动态行为可以描述为：
2.4 监控策略模式
在一个分布式光伏发电的直流系统中，必须要进行分流和系统保护，系统的监控中心可实现该功能。监控结果是一个充电或放电的控制命令，该命令使得整个系统的性能更加流畅且高效[10]。监控中心的输入是两个太阳能电池的输出功率和电池的充电状态，共四种监控模式，如表1所示，监控策略模式由两个条件决定：一是电池需要提供或吸收的净功率二是系统运行突发事件的概率。由下式计算：
3 数字化仿真
为了验证前述的理论方法，采用Matlab/Simulink對整个系统进行仿真。外部环境温度固定在25 ℃，系统的采样时间间隔设置为1 μs。图3表示辐照度从1 000 W/m2变化至800 W/m2的系统功率波形。图4表示辐照度从800 W/m2变化至600 W/m2的光伏系统功率电压电流和初级电压的波形。
图5和图6分别表示负载直流电压从240～380 V和380～240 V的阶跃变化下系统的响应，表明了该控制系统的可行性。由图5，图6可观察出，加大或减小输出电压将不影响该系统捕获太阳能电池板的最大功率。
表1中所列四种模式的监控效果分别如图7～图9所示。图7展示了模式1和模式4综合的情形，在直流负载功率大致从2.5～3.5 kW再到2.5 kW变化的情况下，两个太阳能电池板最大功率点跟踪的效果和电池功率的响应。一个900 Ah的电池供应负载近90 h不充电，的值从40%～95%变化。
其中图7（a）中PV1的辐照度从800～1 000 W/m2变化，PV2的辐照度从700～900 W/m2变化。图7 （b）中PV1的辐照度从1 000～600 W/m2变化，PV2的辐照度从900～700 W/m2变化。图7 （c）中PV1的辐照度从1 000～600 W/m2变化，PV2的辐照度从700～900 W/m2变化。
图7（a）～图7（c）验证了两个光伏电源在遵循同向或反向变化时控制器的操作。在捕捉不同辐照度情况下两个太阳能电池板的最大功率时，直流微网能够自动按照需求的功率对电池充放电。
模式3的情形如图8所示。在该情形下，必须设置端电压在270 V附近为电池充电并保持容量，这样也可以补偿该电池的自放电。为了消耗多余的能量，这里调用一个假负载。两个电源控制可以通过限制电流注入到电池和基于直流负载要求的假负载来实现。
模式4的情形如图9所示。在该情形下，负载断开，从两个光伏电源捕获的总功率用来给电池充电，不能同时满足2.5 kW的DC负载功率。
4 结 语
本文的主要工作是两级级联分布式光伏系统和基于滑模控制理论的MPPT方法的建模。两个光伏电池板以及它们各自的MPPT控制器的模型都在Matlab/Simulink环境下建立。采用级联DC?DC升压转换器来调节电压转换比。一种应用无损电阻的滑模控制结构可用来有效控制该级联连接。同时，建立了级联电路的全阶开关模型，并利用基尔霍夫电压电流定律进行分析。通过电路的数学模型及LFR的概念可获得两个滑模控制面和控制变量，最后提出了四种情形下的监控策略来产生光伏电源的最大功率。仿真结果表明该方法具有准确的可操作性和适用性。
参考文献
[1] BARCHOWSKY A， PARVIN J P， REED G F， et al. A comparative study of MPPT methods for distributed photovoltaic generation [C]// Proceedings of 2012 IEEE PES on Innovative Smart Grid Technologies. Washington， DC： IEEE， 2012： 1?7.
[2] 李兴鹏，石庆均，江全元.双模糊控制法在光伏并网发电系统MPPT中的应用[J].电力自动化设备，2012，32（8）：113?117.
[3] 吴大中，王晓伟.一种光伏MPPT模糊控制算法研究[J].太阳能学报，2011，32（6）：808?813.
[4] ERICKSON R W， MAKSIMOVIC D. Fundamentals of power electronics [M]. US： Springer， 2001.
[5] MATTAVELLI P， ROSSETTO L， SPIAZZI G， et al. General?purpose sliding?mode controller for DC/DC converter applications [C]// Proceedings of 24th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference. Seattle： IEEE， 1993： 609?615.
[6] 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?255.
[7] LIN W M， HONG C M， CHEN C H. Neural?network?based MPPT control of a stand?alone hybrid power generation system [J]. IEEE transactions on power electronics， 2011， 26（12）： 3571?3581.
[8] NEJABATKHAH F， DANYALI S， HOSSEINI S H， et al. Mo?deling and control of a new three?input DC?DC boost converter for hybrid PV/FC/battery power system [J]. IEEE transactions on power electronics， 2012， 27（5）： 2309?2324.
[9] HAROUM R， AROUDI A E， CID?PASTOR A， et al. Impe?dance matching in photovoltaic systems using cascaded boost converters and sliding?mode control [J]. IEEE transactions on power electronics， 2015， 30（6）： 3185?3199.
[10] SHEN D， IZADIAN A， LIAO P. A hybrid wind?solar?storage energy generation system configuration and control [C]// Proceedings of 2014 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition. [S.l.]： IEEE， 2014： 436?442.
