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专利名称：一种基于自适应超扭曲滑模控制的光伏MPPT方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202411322452.1

专利申请（专利权）人：兰州交通大学
权利人地址：甘肃省兰州市安宁区安宁西路88号

专利发明（设计）人：滕青芳,钟晴,高小康

专利摘要：本发明提供了一种基于自适应超扭曲滑模控制的光伏MPPT方法，属于光伏发电技术领域，能够解决光伏电池最大功率点追踪传统滑模控制策略中存在的响应速度慢、抗干扰能力弱和抖振大的问题。本发明包括如下步骤，首先，根据最大功率点确定设计滑模面，其次，通过建立Boost变换器模型，分别设计等效滑模控制律和自适应超扭曲算法作为控制律，最后，结合自适应超扭曲控制律和等效滑模控制律，得到Boost变换器开关控制量。本发明提出了具有自适应增益的超扭曲控制律，有效地提高光伏系统的MPPT收敛速率，且降低了滑模控制的抖振，使系统具有良好的动态性能、稳定性和较强的鲁棒性。

主权利要求：
1.一种基于自适应超扭曲滑模控制的光伏MPPT方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：建立光伏电池的数学模型；
步骤2：建立光伏系统Boost变换器的数学模型；
所述步骤2中光伏系统Boost变换器的数学模型为：式中， 为Boost变换器输出电压；和 为电感及其电流；u为Boost变换器中开关管的占空比，其为待设计的自适应超扭曲滑模控制律；
步骤3：基于光伏电池的输出电压 和输出电流 ，设计滑模面S；
所述步骤3中滑模面S设计为：
步骤4：分别设计等效控制律和自适应超扭曲滑模控制律，并将二者结合得到Boost变换器的总控制律；
所述步骤4中Boost变换器的总控制律设计为：式中， 、 分别指系统处于滑动模态和到达模态时Boost变换器中开关管的占空比，前者被称为等效控制律，后者被称为自适应超扭曲控制律，二者分别被设计为：式中， 、 均为具有自适应律的增益，它们被设计为：式中， 、 、 、 均为正实数，且 ；其中，和 分别表示为：。
2.根据权利要求1所述的一种基于自适应超扭曲滑模控制的光伏MPPT方法，其特征在于，所述步骤1中理想状态下建立的光伏电池数学模型为：式中， 为光伏电池输出电流； 为光伏电池输出电压； 为光伏电池的光生电流；
为二极管饱和漏电流；q为电荷常数；n为P?N结理想因子；k为玻尔兹曼常数；T为绝对温度。 说明书 : 一种基于自适应超扭曲滑模控制的光伏MPPT方法技术领域[0001] 本发明属于光伏发电技术领域，涉及一种基于自适应超扭曲滑模控制的光伏MPPT方法。背景技术[0002] 太阳能作为一种清洁的可再生能源，光伏发电能够减少能源电力系统的碳排放，对实现碳达峰、碳中和具有重大的战略意义。[0003] 光伏发电的原理是光生伏特效应，通过光伏电池将光能直接转换为电能，光伏电池的输出功率特别依赖当前环境，它的输出特性很大程度上受制于光照强度及温度。为了充分利用太阳能，提高光伏发电的效率，MPPT技术不可或缺。目前常用的光伏MPPT方法主要有：恒压法、扰动观察法(P&O)、电导增量法(INC)、粒子群优化算法、滑模控制等。上述方法均能在一定条件下起到良好的光伏发电最大功率点跟踪效果，但是存在以下不足和缺点：[0004] （1）恒压法在随着外界温度变化时，其最大功率对应的电压是不断变化的，即开路电压的输出会随着温度的改变而改变，导致输出功率误差变大；[0005] （2）扰动观察法存在跟踪速度慢、功率波动大的问题；[0006] （3）电导增量法控制参数较多，控制算法较复杂，且它对硬件的要求也很高；[0007] （4）粒子群优化算法应用于局部阴影下的MPPT跟踪，存在搜索速度慢、精度低的问题；[0008] （5）滑模控制是一种不连续的非线性控制，鲁棒性强、动态性能好且跟踪速度快，但控制过程中存在抖振现象，严重影响了光伏发电系统的稳定。[0009] 为了克服已有研究方法的缺点和不足，针对光伏发电系统，本发明提供一种基于自适应超扭曲滑模控制的光伏MPPT方法，具有抗干扰能力强、动态性能好且跟踪速度快、稳定性好及抖振小的优点，能够提高光伏发电系统的效率。[0010] 现将发明专利申请“一种基于滑模控制光伏发电最大功率点的跟踪控制方法”（公开号为CN115840488A）作为对比文件1，将发明专利申请“基于自适应趋近律滑模控制的光伏系统MPPT控制方法”（公开号为CN116937673A）作为对比文件2；其中，对比文件1利用双曲正切函数得到改进的自适应多幂次趋近律的滑模控制进行最大功率点追踪，对比文件2利用幂次趋近律和指数趋近律的优点结合形成自适应趋近律的滑模控制进行最大功率点追踪，二者存在部分缺陷如下：[0011] 1、对比文件1利用双曲正切函数得到改进的自适应多幂次趋近律计算复杂度较高，改进的自适应多幂次趋近律依赖于多个控制参数以及在工作过程中需要对参数进行调节，这些参数的选择对控制性能有重要影响，在不同的光照条件、温度变化等环境因素影响下，MPPT算法需要重新调整，滑模控制的抖振现象也没有得到很好解决；[0012] 2、对比文件2公布的技术内容中只给出了稳态时的功率追踪曲线，控制策略的优势佐证单一，控制策略对外部扰动和不确定性的适应性有限。发明内容[0013] 本发明的目的在于提供一种光伏MPPT方法。实现本发明的技术方案：基于自适应超扭曲滑模控制的光伏最大功率点跟踪方法，包括如下步骤：[0014] 步骤1：建立光伏电池的数学模型；[0015] 理想状态下建立的光伏电池数学模型为：[0016][0017] 式中， 为光伏电池输出电流； 为光伏电池输出电压； 为光伏电池的光生电流； 为二极管饱和漏电流；q为电荷常数；n为P?N结理想因子；k为玻尔兹曼常数；T为绝对温度。[0018] 步骤2：建立光伏系统Boost变换器的数学模型；[0019] 所述步骤2中光伏系统Boost变换器的数学模型为：[0020][0021] 式中， 为Boost变换器输出电压；和 为电感及其电流；u为Boost变换器中开关管的占空比，其为待设计的自适应超扭曲滑模控制律。[0022] 步骤3：基于光伏电池的输出电压 和输出电流 ，设计滑模面S；[0023] 滑模面S设计为：[0024] 。[0025] 步骤4：分别设计等效控制律和自适应超扭曲滑模控制律，并将二者结合得到Boost变换器的总控制律；[0026] Boost变换器的总控制律设计为：[0027][0028] 式中， 、 分别指系统处于滑动模态和到达模态时Boost变换器中开关管的占空比，前者被称为等效控制律，后者被称为自适应超扭曲控制律，二者分别被设计为：[0029][0030][0031] 式中， 、 均为具有自适应律的增益，它们被设计为：[0032][0033] 式中， 、 、 、 均为正实数，且 ，和 分别表示为：[0034][0035] 。[0036] 有益效果[0037] 本发明解决了传统滑模控制中的抖振问题，降低了控制器增益，提高了系统的稳定性和鲁棒性，不仅适用于外界环境稳定的状况，还可以随时应对外界环境突变及负载突变的状况，实时跟踪光伏电池最大功率点，动态性能好，具有较强的适用性。附图说明[0038] 图1是本发明中光伏电池的拓扑图；[0039] 图2是本发明中DC/DC变换器的拓扑图；[0040] 图3是本发明中光伏电池的输出特性曲线图；其中，图3（a）表示P?U特性曲线、图3（b）表示I?U特性曲线；[0041] 图4是本发明控制系统框图；[0042] 图5是三种控制策略下的光伏电池输出电压对比图；[0043] 图6是三种控制策略下的光伏电池功率对比图；[0044] 图7是当光照强度和温度同时突变时，三种控制策略下的光伏电池系统输出电压对比图；[0045] 图8是当光照强度和温度同时突变时，三种控制策略下的光伏电池系统输出功率对比图。具体实施方式[0046] 下面结合附图对发明内容进行清楚、完整的描述。[0047] 以光伏系统Boost变换器为研究对象，本发明提出了一种基于自适应超扭曲滑模控制的光伏MPPT方法，保证对光伏最大功率点的实时跟踪，具体包括如下步骤：[0048] 步骤1：建立光伏电池的数学模型；[0049] 由图1可知，光伏电池的输出电流 为：[0050][0051] 式中， 为光伏电池输出电流； 为光伏电池输出电压； 为光伏电池的光生电流； 为二极管饱和漏电流；q为电荷常数；n为P?N结理想因子；k为玻尔兹曼常数；T为绝对温度； 为等效串联电阻； 为等效并联电阻。[0052] 由于理想状态下， 可近似为零， 可近似为无穷大，式 可简化为：[0053][0054] 步骤2：建立光伏系统Boost变换器的数学模型；[0055] 根据图2，基于基尔霍夫电压定律，可得Boost变换器数学模型为：[0056][0057] 步骤3：基于光伏电池的输出电压 和输出电流 ，设计滑模面S；[0058] 由图3的P?U曲线可知，在最大输出功率点处有以下方程成立：[0059] (4)[0060] 据此，将滑模面定义为：[0061] (5)[0062] 步骤4：分别设计等效控制律和快速自适应超扭曲滑模控制律，并将二者结合得到Boost变换器的总控制律；[0063] Boost变换器的总控制律被设计为：[0064] (6)[0065] 式中， 、 分别指系统处于滑动模态和到达模态时Boost变换器中开关管的占空比，前者被称为等效控制律，后者被称为自适应超扭曲控制律。[0066] 步骤4包含两个过程：设计Boost变换器的总控制律，并给出基于该控制律的系统稳定性分析思路。[0067] 由图3可知 约等于 ，因此可用 替代 ，对式（5）求导并考虑式（3）和式（6）可得：[0068] (7)[0069] 当处于滑动模态时 且 ，因此，由式（7）可以得到等效控制律为：[0070] （8）[0071] 当处于到达模态时，自适应超扭曲控制律被设计为：[0072] （9）[0073] 式中，自适应律增益 和 被设计为：[0074] （10）[0075] 式中， 、 、 、 均为正实数，且 ，和 分别表示为：[0076][0077][0078] 结合等效控制律式（8）和自适应超扭曲控制律式（9），Boost变换器开关管的总控制律如式（6）所示。[0079] 该控制律的系统稳定性分析过程如下：[0080] 定义如下Lyapunov函数：[0081] （11）[0082] 其中，[0083] （12）[0084] 式中，为待设计的正实数； 、 分别为自适应增益 、 的上界，即， ；[0085] 显然， 和 都是正定函数。[0086] 为了证明 的负定性，首先证明 ，接着求取 、 关于时间的导数。[0087] 首先，证明 ，为此需要求S关于时间的导数：[0088] （13）[0089] 考虑到式（8），则式（13）可写为：[0090] (14)[0091] 则式（14）可写为：[0092] (15)[0093] 经过推导可以证明 ，进而有：[0094][0095] 其次，求 关于时间的导数；[0096] 因为：[0097][0098] 式中，[0099] （16）[0100] 因此， 的时间导数可写为：[0101] （17）[0102] 令：[0103] （18）[0104] 从而有：[0105] （19）[0106] 式中， 为对称矩阵；[0107] 选择增益 为 ，并令 的最小特征值大于2εɑ，可得增益 应满足不等式：[0108] （20）[0109] 经过推导可以证明：[0110] （21）[0111] 式中， （ 分别为P的最小和最大特征值）；[0112] 最后，求 关于时间的导数；[0113] 考虑（21），式（11）关于时间的导数为：[0114] (22)[0115] 令 ，根据不等式 ，不等式（22）右端前三项之和可写为：[0116] （23）[0117] 考虑式（23），不等式（22）可进一步写为：[0118] （24）[0119] 式中， 。[0120] 通过分析可以证明：采用控制律（6）和自适应增益（10）可使S在有限时间内收敛到区域 ，保证控制系统的稳定性，从而达到控制目标。[0121] 实施例[0122] 为了验证本发明的有效性和可行性，搭建了基于MATLAB/Simulink的三种控制策略，包括滑模控制策略、超扭曲滑模控制策略和本实施例的仿真模型进行验证。图4所示是本实施例基于快速自适应超扭曲滑模系统框图，涉及到的参数如表1所示：[0123] 表1 MATLAB/Simulink仿真参数设置[0124][0125] 本实施例的试验工况为：①光照强度为1000W/m2，温度为25℃，仿真如图5和图6所2 2示；②t=0～1s，光照强度为1000W/m，温度为35℃；t=1～2s，光照强度为800 W/m ，温度为252℃；t=2～3s，光照强度为1200 W/m，温度为30℃，图7和图8给出了基于滑模控制（SMC）和超扭曲滑模控制（STSMC）以及本实施例控制（ASTSMC）对比结果。[0126] 由图5可知，与SMC和STSMC相比，本实施例能够显著地加快系统响应速度、减小超调量以及削弱抖振。[0127] 图6验证了光伏功率与光伏电压之间的理论关系，即光伏电压的跟踪性能越好，响应特性越好，由图6可知，与SMC和STSMC相比，本实施例能够显著地加快系统响应速度、减小超调量以及削弱抖振。[0128] 由图7可知，在1 s和2 s处当光照强度和环境温度突然变化时，本实施例具有更快的系统响应速度和更小超调量，能够使系统更好的适应突变工况。[0129] 由图8可知，在1 s和2 s处当光照强度和环境温度突然变化时，本实施例具有更快的系统响应速度和更小超调量，能够使系统更好的适应突变工况，同时具有较好的跟踪效果及较强的稳定性。[0130] 综上可知，传统滑模控制方法以及超扭曲滑模MPPT控制方法达到稳态的时间较慢且具有较大的抖动，面对外界干扰时跟踪效果较差，本发明达到稳态的速度较快，面对外界干扰如光照强度变化和环境温度变化，具有较好的跟踪效果及较强的稳定性。

专利地区：甘肃

专利申请日期：2024-09-23

专利公开日期：2024-11-29

专利公告号：CN118838469B