探究分布式風光互補系統(tǒng)控制與最大功率跟蹤策略

左佰周

杭州冠州科技有限公司，浙江杭州 310000

1 光伏發(fā)電、風能發(fā)電與風光互補技術(shù)概述

太陽能光伏發(fā)電是通過光伏板接收太陽光輻射，在輻射作用下，光伏板正負兩極形成電壓差，將直流負載直接連接到光伏兩極，此時電流屬于負載所消耗功率，其功率低于光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大輸出功率。為提高光伏發(fā)電系統(tǒng)最大輸出功率，提高輸出功率，通常會在光伏板中設(shè)計DC/DC 電路，通過DC/DC電路改變等效負載值，從而讓光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出最大功率。風電機組是利用風能帶動風輪，風輪帶動發(fā)電機進行發(fā)電，其發(fā)電電能屬于交流電，如其發(fā)電系統(tǒng)為并網(wǎng)型，可以應(yīng)用AC/AC電路進行風輪轉(zhuǎn)速控制并獲得與電網(wǎng)一致的電能電壓及頻率，如其發(fā)電系統(tǒng)為離網(wǎng)型，其發(fā)電為直流負載，將其交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姾螅ㄟ^DC/DC 電路進行風輪轉(zhuǎn)速控制，從而實現(xiàn)風能最大功率跟蹤。

通過研究發(fā)現(xiàn)，風能與太陽能之間存在著良好互補性，如大部分地區(qū)夏季太陽能大，風能小，冬季太陽能小，風能大，通過綜合應(yīng)用太陽能與風能，實現(xiàn)再生資源的最大效用，這種形式被稱為風光互補系統(tǒng)。

2 光伏輸出特性研究

光伏輸出特性存在著十分明顯的非線性，其輸出受多占用因素的影響。如下圖為一定照度不同溫度下光伏電壓電流輸出曲線圖：

圖1 一定照度不同溫度下光伏電壓電流輸出曲線圖

從上圖中可以看出，在照度保持一定的基礎(chǔ)上，其光伏板溫度變化，光伏所產(chǎn)生的電流與電壓值也會出現(xiàn)變化，其中電流變化幅度較小，在溫度增加下電流略微增加，電壓變化幅度較大，在溫度增加下光伏輸出電壓逐漸降低。由此可以看出，光伏輸出其線非線性較為明顯，其最大輸出功率曲線則近乎一條直線。

為實現(xiàn)最大功率點快速跟蹤，則必須獲得實時優(yōu)化電流值，其電流值的計算則需要獲取光伏內(nèi)部參數(shù)值，從本質(zhì)上來看，其光伏組件內(nèi)部參數(shù)的求解，實際上是獲取該光伏組件反向飽和電流與二極管品質(zhì)因子，兩者決定著光伏輸出特性及輸出效率。通過對二極管品質(zhì)因素對光伏輸出特性影響的研究發(fā)現(xiàn)，在一定溫度及照度基礎(chǔ)上，增加光伏二極管品質(zhì)因子，其輸出功率增加，反向飽和電流增加，光伏輸出效率同樣會增加，證明了光伏組件反向飽和電流與二極管品質(zhì)因子對光伏輸出特性的影響。

3 光伏最大功率跟蹤控制方法及算法

3.1 在理想照度下的光伏最大功率跟蹤算法

1）常規(guī)最大功率跟蹤控制方法

在理想照度前提下，其光伏最大功率跟蹤方法主要包括擾動觀察法、恒定電壓法、增量電導法與模糊邏輯法。其中擾動觀察法屬于當前最為常用的最大功率跟蹤方法，其應(yīng)用是在輸出電壓或電流中增加擾動±△，在跟蹤過程中，以對比輸出功率值的方式判斷是否改變輸出電壓或輸出電流，從而實現(xiàn)最大功率跟蹤。擾動觀察法始終處于動態(tài)比較過程中，其計算量較大，跟蹤效率較低；恒定電壓法屬于最為簡單的一種最大功率跟蹤方式，其方法是通過設(shè)置優(yōu)化電壓，在跟蹤控制過程中，輸出電壓不斷跟蹤優(yōu)化電壓值并實現(xiàn)最大功率跟蹤，如下圖為恒定電壓法輸出特性曲線圖：

圖2 恒定電壓法輸出特性曲線圖

從上圖中可以看出，只有當恒定電壓為15.2V 時，光伏輸出功率點與最大輸出功率曲線只存在一點相交，由此可見這種最大功率跟蹤控制方法跟蹤效率較低，輸出效率較低；增量電導法是通過不斷判斷dP/dV 是否等于0 實現(xiàn)最大效率跟蹤，如dP/dV=0，則其跟蹤到最大功率點，如dP/dV ≠0，則繼續(xù)判斷。光伏輸出處于最大功率點時，其滿足如下公式：

這種最大功率跟蹤方法實現(xiàn)較為容易，但其測量精度要求較高，計算量較大，輸出效率一般；模糊邏輯法屬于一種基于數(shù)學模型的智能控制方法，通過專家自身經(jīng)驗進行模糊規(guī)則與隸屬函數(shù)設(shè)置，以模糊處理方法對隸屬度進行反模糊處理并獲取輸出量，實現(xiàn)最大功率輸出控制，這種方法跟蹤速度快，但其控制效果受專家經(jīng)驗影響較大，其輸出效率較高。

2）快速優(yōu)化電流的最大功率跟蹤算法

快速優(yōu)化電流的最大功率跟蹤算法的實現(xiàn)，是在獲取輸出電流值的基礎(chǔ)上，將其電流值調(diào)整到Kx 值為0.87 的近似優(yōu)化電流，并對光伏照度、溫度等進行補償，其計算及跟蹤速度較快，可以實現(xiàn)最高功率點的高效跟蹤。

3.2 部分遮蔽光伏狀態(tài)下最大功率跟蹤控制方法

在光伏發(fā)電中，其光伏陣列尺寸、光伏構(gòu)件串并聯(lián)結(jié)構(gòu)、二極管連接方式、遮蔽狀況等均會對光伏全局峰值造成影響，引起光伏陣列最大功率跟蹤困難問題。

在部分遮蔽的情況下，其遮蔽光伏組件所具備的通流能力則會降低，如部分遮蔽為串聯(lián)組件，則被遮蔽組件會阻礙未被遮蔽組件電流輸出，并增加其對未被遮蔽組件輸出功率的消耗，從而形成熱斑效應(yīng)。

為降低遮蔽對光伏陣列輸出功率影響，在光伏組件中均設(shè)置有旁路二極管，防止熱斑效應(yīng)發(fā)生。應(yīng)用傳統(tǒng)跟蹤方法，其部分遮蔽是無法跟蹤到光伏全局峰值的，在研究中學者提出了一些遮蔽部分最大功率跟蹤，但其實現(xiàn)方法較為復雜，計算量較大，在光伏發(fā)電中，提出應(yīng)用模糊邏輯最大功率跟蹤控制方法，實現(xiàn)遮蔽情況下最大功率跟蹤。

4 風電機組最大功率跟蹤控制技術(shù)

風電機組主要依靠風速進行發(fā)電，然而風速其本身存在著不確定性、隨機性、非線性等特點，進行發(fā)電機內(nèi)部特性監(jiān)測是難以實現(xiàn)的，且風電機組在運行過程中隨著電機發(fā)熱及運行，其內(nèi)部特性會出現(xiàn)變化，由此可以看出，在風電發(fā)電系統(tǒng)中建立完善的數(shù)學模型其困難度較高。

在風電機組最大功率跟蹤控制中提出應(yīng)用模糊控制方法，通過經(jīng)驗制定控制規(guī)則，應(yīng)用計算機實現(xiàn)風電機組最大功率跟蹤控制。為提高風電機組輸出效率，最終將模糊邏輯與擾動觀察相結(jié)合，形成組合式最大功率跟蹤控制策略，通過仿真研究后證明了模糊邏輯與擾動觀察相結(jié)合的最大功率跟蹤控制策略可以有效提高各種風速狀況下風電機組輸出效率。

5 分布式風光互補系統(tǒng)控制策略

在實際應(yīng)用中，分布式風光互補發(fā)電系統(tǒng)多設(shè)置于風光資源充足，原理電網(wǎng)的區(qū)域，并以獨立供電電源進行應(yīng)用，系統(tǒng)多采取無人值守型，其發(fā)電系統(tǒng)能量調(diào)節(jié)、最大功率跟蹤、故障警報等均由智能控制構(gòu)件來實現(xiàn)。分布式風光互補系統(tǒng)其控制策略主要包括能量調(diào)度管理、最大功率跟蹤策略、數(shù)據(jù)采集、逆變控制及蓄電池放電策略等。在分布式風光互補系統(tǒng)中，應(yīng)用模糊邏輯最大功率跟蹤策略，在仿真研究后發(fā)現(xiàn)其輸出效率獲得較大改善，證明了該控制策略的有效性。隨著研究深入，有學者提出模糊免疫控制策略，模糊免疫控制工作示意圖如下：

圖3 模糊免疫控制工作示意圖

模糊免疫控制策略，具備著模糊與免疫控制優(yōu)點，其模型動態(tài)性能及魯棒性較好，通過仿真研究，證明了該控制策略可以有效提高發(fā)電輸出效率，改善發(fā)電輸出特性。當前分布式風光互補系統(tǒng)控制及最大功率跟蹤研究多處于理論階段，還應(yīng)通過實際系統(tǒng)驗證，充分保障分布式風光互補系統(tǒng)運行效果，改善系統(tǒng)輸出特性與輸出效率。

6 結(jié)論

風能與太陽能作為可再生清潔資源，在環(huán)節(jié)能源問題與環(huán)境問題中發(fā)揮著重要現(xiàn)實意義。在風能與太陽能應(yīng)用研究中，將其能量獲取的最大量作為研究的重要內(nèi)容，通過采取最大功率跟蹤方法以提高風電機組與光伏發(fā)電系統(tǒng)電能輸出效率。

本文概述光伏發(fā)電、風能發(fā)電與風光互補技術(shù)的基礎(chǔ)上，對光伏輸出特性、光伏最大功率跟蹤控制方法及算法、風電機組最大功率跟蹤控制技術(shù)、分布式風光互補系統(tǒng)控制策略等進行研究。

在理論研究的基礎(chǔ)上進行實際驗證，以改善分布式風光互補系統(tǒng)輸出特性與輸出效率，提高發(fā)電綜合效益。

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