CN117375069A - 基于全阶终端滑模的变步长电导增量mppt控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于全阶终端滑模的变步长电导增量MPPT控制方法，首先建立光伏电池和Boost电路的数学模型，针对传统电导增量法无法兼顾稳态控制精度和动态响应速度的缺点，设计改进变步长电导增量法，并优化步长补偿因子，保证系统快速跟踪MPP的同时减小系统稳态脉动，为实现光伏组件电压稳定跟踪改进变步长INC算法的给定电压输出，设计全阶终端滑模电压闭环控制器，相比线性滑模消除了抖振，可进一步提高MPPT控制系统跟踪快速性和输出稳定性。

Description

基于全阶终端滑模的变步长电导增量MPPT控制方法

技术领域

本申请涉及光伏发电技术领域，尤其涉及一种基于全阶终端滑模的变步长电导增量MPPT控制方法。

背景技术

随着全球人口的不断增长和经济的快速发展，能源需求也不断增长。新能源的开发和利用可缓解传统能源供应压力，降低温室气体排放和推动低碳经济发展。光伏发电作为新能源发电的重要方式，在现代工业发展中应用较早，技术也较为成熟。

光伏微网发电系统为典型的非线性系统，且具有较强不确定性，系统运行稳定性难以保证。最大功率跟踪控制(MPPT)可保证在快时变运行环境下，光伏组件始终输出最大功率，从而提高系统运行效率。传统MPPT控制方法，如扰动观测法，电导增量法，虽在实际应用中得到推广，但稳态运行时波动较大，且在环境变化快、参数摄动大的情况下，难以达到较好的MPP跟踪效果。而且传统INC算法步长固定，跟踪最大功率点的速度和精度受限。又由于INC算法直接作用于占空比，环境变化、电气元件的参数不确定性和负载变化均会影响控制稳定性，导致系统无法准确确定最大功率点。

在光伏微网前级发电单元中，最大功率点跟踪(MPPT)的控制目标是：使直流侧DC-DC控制电路在运行工况变化时，与PV电源形成阻抗匹配，使光伏电源始终以最大功率对外输出电能，从而提高系统光电转换效率和发电稳定性。因此为实现高性能的光伏发电，需要一种稳定且准确的光伏微网MPPT控制方法。

发明内容

为解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种基于全阶终端滑模的变长电导增量MPPT控制方法，减小稳态运行时的功率波动和增强光伏MPPT控制系统的鲁棒性，以此实现系统实时跟踪最大功率点。

本申请实施例提供了一种基于全阶终端滑模的变步长电导增量MPPT控制方法，包括：

步骤S1)构建Boost电路状态模型，使Boost电路阻抗跟踪最大功率运行点阻抗；

步骤S2)构建步长动态模型作为Boost电路状态模型内的步长数据；

步骤S3)基于Boost电路状态模型，获取光伏电池实际输出电压和MPP跟踪电压的电压误差关系，构建全阶终端滑模电压闭环控制器，以使得光伏电池实际输出电压和MPP跟踪电压误差收敛至0。

进一步地，所述步骤1)中Boost电路状态模型基于光伏电池二极管模型构建，采用Boost电路作为后级DC-DC阻抗匹配电路。

进一步地，所述光伏电池二极管模型基于经典二极管模型，将外界环境变化和参数摄动等效为模型误差进行构建。

进一步地，所述步骤S2)中的步长动态模型包括定步长和变步长，利用定步长快速追踪最大功率点，在接近最大功率点时利用变步长减小稳态误差。

进一步地，所述步骤S2)中的变步长利用光伏电池输出功率变化和电压变化之间的角度关系设计优化步长补偿因子以减小光强、温度变化时对最大功率点位置的影响。

进一步地，所述步骤S2)中的步长模型中，在光伏电池实际输出电压小于基于光伏电池最大输出电压的预设比例时，Boost电路状态模型内的步长采用定步长；所述定步长设有固定的补偿因子。

进一步地，所述步骤S2)中的步长模型中，在光伏电池实际输出电压不小于基于光伏电池最大输出电压的预设比例时，Boost电路状态模型内的步长采用变步长；所述变步长设有基于与单位时间变化的功率和电压关联的动态补偿因子。

进一步地，所述光伏电池单二极管数学模型为：

式中，I_pv为光伏板产生的光生电流，I_d为流过等效二极管D的电流，R_s为等效串联电阻，R_p为等效并联电阻，I_sh为流过R_p产生的电流，α为二极管理想因子(一般取值1～2)，V_T为等效二极管热电压，I₀为等效二极管反向饱和电流，U和I为光伏电池模型的输出电压和输出电流。

进一步地，确定部分参数和简化后的光伏电池模型为：

式中，I_SC为短路输出电流，U_OC为开路输出电压，K_I为电流温变系数(一般取0.0017A/℃)，S为光照强度，标准光照强度S_ref为1000W/m²，E_g为带隙能量，T为环境温度(℃)，q为电荷量(1.6021×10-19C)，k为玻尔兹曼常数(1.38×10-23J/K)，V_T为等效二极管热电压，S_ref和T_ref分别为参考光照和参考温度。

进一步地，所述参数修正后的光伏电池二极管模型为：

式中，I'_sc为修正后的短路输出电流，U′_OC为修正后的开路电压，S和T分别为运行工况下的实际光照和实际温度，S_ref和T_ref分别为参考光照和参考温度，λ₁和λ₂为温度修正系数，取值分别为0.0025/℃和0.00288/℃，λ₃为光强修正系数，取值为0.0025W/m²。

进一步地，所述Boost电路的数学模型为：

式中，U_PV、I_PV分别为光伏电池输出电压和输出电流，U_O为Boost电路输出电压，L为储能续流电感，C₁和C₂均为储能电容，I_L为流过该电感电流，d_k为控制信号用以实现阻抗匹配。

令状态变量x＝[U_PVI_PV U_O]^T，Boost电路数学模型的状态方程为：

式中，x∈Rⁿ，f(x,t)∈Rⁿ，g(x,t)∈Rⁿ，d_k∈[0,1]，f(x,t)＝[(I_PV-I_L)/C₁,(U_PV-U_o)/L,I_L/C₂-U_o/RC₂]^T。

进一步地，所述定步长设计公式为：

U(k+1)＝U(k)±N|dP/dU|

式中，U(k+1)和U(k)为第k+1和第k时刻的电压，N为微调的补偿因子，dP和dU分别为单位时间的功率变化量和电压变化量。

进一步地，对传统定步长INC算法进行改进后为：

式中，U_oc为光伏电池最大输出电压，U(k)为光伏电池实际输出电压。

进一步地，改进变步长INC算法设计为：

式中，dP_PV和dU_PV分别为PV曲线上单位时间变化的功率和电压。由于最大功率点电压U _MPP的范围一般满足：0.71U_OC<U _MPP<0.78U_OC，故确定电压分界点0.7U_OC。当U(k)<0.7U_OC时，采用传统定步长计算方法，当U(k)>0.7U_OC时，采用改进变步长计算方法。

进一步地，建立光伏电池实际输出电压跟踪MPP的误差方程为：

式中，e_u为光伏电池实际输出电压U_PV和MPP跟踪电压U_ref的误差。

进一步地，所述全阶终端滑模电压闭环控制器内的全阶终端滑模面为：

式中，参数ε₁和ε₂为正数，参数γ₁和γ₂满足0≤γ₁<1和0≤γ₂<1。

进一步地，所述全阶终端滑模电压闭环控制器内的全阶无抖振控制律u′为：u′＝u_e′_q+u_n′，其中，等效控制律实际控制律/>式中，k_F为控制律增益，根据系统扰动大小确定，sgn(x)为符号函数。

本发明提出了基于全阶终端滑模的变步长INC算法，通过增大输出功率P和电压U成正比时和超过最大功率点时的步长且减小dU不为0而dI为0时的步长，来增加最大功率点跟踪时的速度和稳态精度；通过对补偿因子进行优化设计，减小光强改变时步长增加所引起的最大功率点位置误差，来提高MPPT的稳态控制精度；通过对电压内环设计全阶终端滑模控制器，来保证在参数摄动和不确定扰动下能稳定、快速、准确跟踪最大功率点。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所述方法的流程图；

图2为光伏电池二极管数学模型。

图3为Boost电路拓扑图。

图4为本发明改进变步长INC算法流程图。

图5为基于全阶终端滑模控制的改进变步长INC算法的原理框图。

图6(a)为光伏板的传统定步长INC算法的输出电压对比图；

图6(b)为改进变步长INC算法的输出电压对比图；

图6(c)为基于FOTSM的改进变步长INC算法的输出电压对比图；

图7(a)为光伏板的传统定步长INC的输出功率图；

图7(b)为改进变步长INC算法的输出功率图；

图7(c)为基于FOTSM的改进变步长INC算法的输出功率图。

具体实施方式

为使得本申请的申请目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而非全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“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申请和简化描述，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申请的限制。

在现有的技术中，作为最常用的传统INC算法，其步长固定，跟踪最大功率点的速度和精度受限。又由于INC算法直接作用于占空比，环境变化、电气元件的参数不确定性和负载变化均会影响控制稳定性，导致系统无法准确确定最大功率点。

针对以上问题，本发明提出了改进变步长电导增量法，在追踪最大功率点时采用定步长INC算法来加快跟踪速度，当接近最大功率点即稳定运行时采用改进变步长INC算法来减低稳态波动。同时，MPPT技术的控制效果取决于底层跟踪控制算法，但高比例电力电子器件的引入会造成大量参数摄动和不确定扰动。而滑模控制具有较强鲁棒性和抗干扰能力，能应对系统参数变化和外部干扰，因此在永磁同步电机、机器人和航空航天等领域均得到了广泛应用。但由于传统滑模存在固有抖振，故本发明采用全阶终端滑模来跟踪最大功率点，用积分形式的控制律来代替原有高频切换项，可在保留滑模鲁棒性的同时消除系统抖振。

总的来说，本发明拟在光伏组件上运用一种基于全阶终端滑模的变步长电导增量算法，第一阶段于外环应用改进变步长INC算法来确定最大功率点；第二阶段于内环应用全阶终端滑模控制算法来实现高鲁棒性电压闭环控制，保证在参数摄动和不确定扰动下实现稳定、快速、准确跟踪最大功率点。

具体地，整个基于全阶终端滑模的变步长电导增量MPPT控制方法，包括：

步骤S1)：基于经典二极管模型，将外界环境变化和参数摄动等效为模型误差，以此确定光伏电池二极管数学模型。采用Boost电路作为后级DC-DC阻抗匹配电路来实现光伏组件最大功率跟踪，构建Boost电路状态模型。

作为一个具体的实施例，建立光伏电池二极管数学模型的过程为：

步骤11)：根据基尔霍夫电流定律，得到光伏电池单二极管数学模型为：

式中，I_pv为光伏板产生的光生电流，I_d为流过等效二极管D的电流，R_s为等效串联电阻，R_p为等效并联电阻，I_sh为流过等效并联电阻的电流，α为二极管理想因子(一般取值1～2)，V_T为等效二极管热电压，I₀为等效二极管反向饱和电流，U和I为光伏电池模型的输出电压和输出电流。

步骤12)：由于R_p远小于R_s，对模型进行简化，并根据光伏板理化特性确定数学模型中参数，确定部分参数和简化后的光伏电池模型为：

光生电流I_pv、等效二极管反向饱和电流I₀和热电压V_T可分别表示为：

式中，I_SC为短路输出电流，U_OC为开路输出电压，K_I为电流温变系数(一般取0.0017A/℃)，S为光照强度，标准光照强度S_ref为1000W/m²，E_g为带隙能量，T为环境温度(℃)，q为电荷量(1.6021×10-19C)，k为玻尔兹曼常数(1.38×10-23J/K)，T_ref为参考温度。

步骤13)：考虑温度和光强变化情况，结合具体手册进行温度、光强变化时的参数修正，参数修正后的光伏电池二极管模型为：

式中，I_s'_c为修正后的短路输出电流，U′_OC为修正后的开路电压，S和T分别为运行工况下的实际光照和实际温度，S_ref为参考光照，λ₁和λ₂为温度修正系数，取值分别为0.0025/℃和0.00288/℃，λ₃为光强修正系数，取值为0.0025W/m²。

最终建立光伏组件数学模型如图1所示。

步骤14)：由于光伏阵列直接输出电压等级较低且不稳定，故后级常接DC-DC电路以改变光伏阵列的电压等级来提高输出稳定性。Boost电路输出电流纹波小，续流电感一般较小，可节省工程应用成本，适合作为光伏输出阻抗匹配电路，构建Boost电路的模型为：

式中，U_PV、I_PV分别为光伏电池输出电压和输出电流，U_O为Boost电路输出电压，L为储能续流电感，C₁、C₂均为储能电容，I_L为流过该电感电流，d_k为控制信号用以实现阻抗匹配。R为阻性负载。

令状态变量x＝[U_PVI_PV U_O]^T，Boost电路数学模型的状态方程为：

式中，x∈Rⁿ，f(x,t)∈Rⁿ，g(x,t)∈Rⁿ，d_k∈[0,1]，

步骤S2)基于传统电导增量法构建步长动态模型，基于光伏电池实际输出电压与光伏电池最大输出电压的关系动态选择定步长或变步长作为Boost电路状态模型内的步长数据。

作为一个具体的实施例，设计构建步长动态模型和补偿因子N的过程为：

步骤21)：给出传统变步长电导增量法实现MPPT的步长设计公式为：

U(k+1)＝U(k)±N|dP/dU|

式中，U(k+1)和U(k)为第k+1和第k时刻的电压，N为微调的补偿因子，dP和dU分别为单位时间的功率变化量和电压变化量。

步骤22)：基于传统变步长电导增量法进行改进后可得：

式中，U_oc为光伏电池最大输出电压，U(k)为光伏电池实际输出电压，ΔU为电压步长

步骤23)：在光强变化时，对上式中补偿因子N进行改进设计，利用光伏功率变化和电压变化之间的角度确定补偿因子：

最终确定改进变步长电导增量法为：

式中，dP_PV和dU_PV分别为PV曲线上单位时间变化的功率和电压。

由于最大功率点电压U _MPP的范围一般满足：0.71U_OC<U _MPP<0.78U_OC，故在已经确定了一般情况下最大功率点处的电压范围的前提下，确定电压分界点0.7U_OC，小于该阈值用传统方法来加快跟踪速度，大于该阈值采用改进方法提高准确性。故当U(k)<0.7U_OC时，采用传统定步长电导增量法，当U(k)≥0.7U_OC时，采用改进变步长电导增量法，使得INC算法在收敛到MPP时记录较少的扰动方向，减少稳态附近功率波动。

步骤S3)光伏板由若干个光伏电池组成，基于Boost电路状态模型，获取光伏板的实际输出电压U_PV和MPP跟踪电压U_ref的电压误差关系：

式中，e_u为光伏板的实际输出电压U_PV和MPP跟踪电压U_ref的误差。

构建全阶终端滑模电压闭环控制器，其中全阶终端滑模面为：

式中，参数ε₁和ε₂为正数，参数γ₁和γ₂满足0≤γ₁<1和0≤γ₂<1。

设计全阶无抖振控制律u′＝u′_eq+u′_n，式中，u′_eq为等效控制律，u′_n为实际控制律，分别定义为：

等效控制律设计为:

式中，L为Boost电路中的线路电感。

无抖振实际切换控制设计为：

式中，k_F为控制律增益，根据系统扰动大小确定，sgn(x)为符号函数。

为证明所设计系统能实现有限时间收敛，构造李雅普诺夫函数V＝s²/2，将设计的控制律带入全阶终端滑模面，可得V的导数为：

考虑系统存在不确定扰动，存在正实数η，使V及其导数满足：

本发明设计的控制系统能保证被控状态变量在有限时间内到达和稳定在所设计的全阶终端滑模面，并在有限时间内收敛至平衡点。

图6(a)为光伏板的传统定步长INC算法的输出电压对比图，图6(b)为改进变步长INC算法的输出电压对比图，图6(c)为基于FOTSM的改进变步长INC算法的输出电压对比图。图7(a)为光伏板的传统定步长INC的输出功率图，图7(b)为改进变步长INC算法的输出功率图，图7(c)为基于FOTSM的改进变步长INC算法的输出功率图。在仿真时间为0.3S时减小光照强度，在仿真时间为0.6S时增大光照强度，仿真结果表明相比其他三种方法，基于FOTSMC的光伏板输出电压和功率在光照强度改变的情况下具有更快的反应时间和更高的精度，使得系统跟踪MPP的速度和精度得以提升。

全阶终端滑模控制律u中的高频切换项由积分所代替，从而消除了抖振，提高了系统鲁棒性，保证DC-DC电路能快速准确跟踪MPP。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换(如数量、形状、位置等)，这些等同变换均属于本发明的保护。

Claims (7)

1.一种基于全阶终端滑模的变步长电导增量MPPT控制方法，其特征在于，包括：

步骤S1)构建Boost电路状态模型，使Boost电路阻抗跟踪最大功率运行点阻抗；

步骤S2)构建步长动态模型作为Boost电路状态模型内的步长数据；

步骤S3)基于Boost电路状态模型，获取光伏电池实际输出电压和MPP跟踪电压的电压误差关系，构建全阶终端滑模电压闭环控制器，以使得光伏电池实际输出电压和MPP跟踪电压误差收敛至0。

2.根据权利要求1所述的基于全阶终端滑模的变步长电导增量MPPT控制方法，其特征在于，所述步骤1)中Boost电路状态模型基于光伏电池二极管模型构建，采用Boost电路作为后级DC-DC阻抗匹配电路。

3.根据权利要求2所述的基于全阶终端滑模的变步长电导增量MPPT控制方法，其特征在于，所述光伏电池二极管模型基于经典二极管模型，将外界环境变化和参数摄动等效为模型误差进行构建。

4.根据权利要求1所述的基于全阶终端滑模的变步长电导增量MPPT控制方法，其特征在于，所述步骤S2)中的步长动态模型包括定步长和变步长，利用定步长快速追踪最大功率点，在接近最大功率点时利用变步长减小稳态误差。

5.根据权利要求4所述的基于全阶终端滑模的变步长电导增量MPPT控制方法，其特征在于，所述步骤S2)中的变步长利用光伏电池输出功率变化和电压变化之间的角度关系优化步长补偿因子以减小光强、温度变化时对最大功率点位置的影响。

6.根据权利要求5所述的基于全阶终端滑模的变步长电导增量MPPT控制方法，其特征在于，所述步骤S2)中的步长模型中，在光伏电池实际输出电压小于光伏电池最大输出电压的预设比例时，Boost电路状态模型内的步长采用定步长；所述定步长设有固定的补偿因子。

7.根据权利要求5所述的基于全阶终端滑模的变步长电导增量MPPT控制方法，其特征在于，所述步骤S2)中的步长模型中，在光伏电池实际输出电压不小于基于光伏电池最大输出电压的预设比例时，Boost电路状态模型内的步长采用变步长；所述变步长设有基于与单位时间变化的功率和电压关联的动态补偿因子。