單開關(guān)控制風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的控制策略研究

，， ，，

(嘉興恒創(chuàng)電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 嘉興 314000)

近年來，隨著工業(yè)的發(fā)展以及人口的增多，能源消耗日益增多，尤其是化石能源，如今，它們已經(jīng)面臨短缺的局面。另一方面，人類利用化石能源一般采用燃燒的方式，因而造成了一系列環(huán)境問題，比如煤炭燃燒會排放大量二氧化碳和有毒氣體，造成了嚴(yán)重的大氣污染。在這種背景下，各國的眼光開始轉(zhuǎn)向清潔、可再生的新能源，其中，風(fēng)能和太陽能憑借著成本低、無污染、資源豐富等特點(diǎn)成為應(yīng)用最為廣泛的能源，現(xiàn)在對它們的利用也已經(jīng)很有規(guī)模[1]。太陽能作為一種清潔能源，由于具有普遍性、無害性和長久性等特點(diǎn)，與石油、煤炭和天然氣等傳統(tǒng)能源相比，有著無法比擬的優(yōu)勢[2]。風(fēng)能和太陽能在時間和氣候上的互補(bǔ)性，組成風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，并合理的配置兩者容量的大小，可以提高系統(tǒng)輸出的穩(wěn)定性，減少儲能容量的投入，對節(jié)能減排具有積極的作用[3]。風(fēng)光互補(bǔ)可以結(jié)合太陽能發(fā)電以及風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)各自的不足，是一種最優(yōu)的能源結(jié)合的方式。

傳統(tǒng)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一般都是風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽能電池板分別通過一個DC/DC變換器實(shí)行最大功率點(diǎn)追蹤(maximum power point tracking,MPPT)控制[4-5]，或者將風(fēng)力發(fā)電機(jī)得到的交流電整流后和太陽能電池板輸出并聯(lián)作為DC/DC變換器的輸入，對整體進(jìn)行MPPT控制[6]。在控制策略上，一般都是獨(dú)立實(shí)現(xiàn)風(fēng)電和光電的MPPT控制，文獻(xiàn)[7]采用功率法對風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)MPPT控制，對于光伏發(fā)電，則結(jié)合傳統(tǒng)MPPT方法，提出了以定電壓法啟動結(jié)合功率前饋的變步長電導(dǎo)增量法。文獻(xiàn)[8]提出一種基于二進(jìn)制蟻群模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的光伏系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤控制策略，利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對最大功率點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測。文獻(xiàn)[9]提出了一種基于 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的最大功率點(diǎn)跟蹤控制模型，通過對光伏陣列進(jìn)行區(qū)域劃分，并根據(jù)不同區(qū)域的光照強(qiáng)度與溫度的變化，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤與控制。文獻(xiàn)[10]采用了雙輸入的DC/DC變換器，分析光伏與風(fēng)能MPPT控制各自特點(diǎn)后，提出一種能同時適用于兩者的自調(diào)整MPPT策略，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與效率。

本文則是采用將整流后的風(fēng)電和光電直接串聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，只用單個開關(guān)實(shí)現(xiàn)MPPT控制，節(jié)省了系統(tǒng)成本，在控制算法上，則采用定時掃描法和擾動觀察法相結(jié)合的方式，保證了找到的最大功率點(diǎn)的準(zhǔn)確性，從而避免陷入局部最大功率點(diǎn)。

1 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)主要由電能產(chǎn)生部分、電能變換部分、電能存儲部分、電能消耗部分以及控制器這五個部分組成。

本系統(tǒng)總的原理圖如圖1所示，電能產(chǎn)生部分由風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電構(gòu)成，太陽能電池板輸出與風(fēng)力發(fā)電機(jī)整流輸出串聯(lián)后共同給蓄電池充電；電能變換部分則是蓄電池前后的變換電路，前級變換器是為了改變風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽能電池板串聯(lián)后的整體輸出電壓，從而使系統(tǒng)工作在最佳工作點(diǎn)上以輸出最大功率。系統(tǒng)中負(fù)責(zé)電能存儲的是蓄電池，它可以消除由于天氣等原因引起的能量供應(yīng)和能量需求的不平衡[11]；電能消耗部分就是各種用電負(fù)載及卸荷電阻；控制器是整個系統(tǒng)的核心，它可以實(shí)現(xiàn)對蓄電池的充放電控制、負(fù)載控制以及對系統(tǒng)的保護(hù)控制。

圖1 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)原理圖

2 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)模型

2.1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型

風(fēng)吹過風(fēng)輪帶動風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，風(fēng)輪帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，若是直接將風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)連接在一起則構(gòu)成最簡單的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，即直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

由空氣動力學(xué)知識可知，風(fēng)機(jī)實(shí)際吸收的風(fēng)能為

(1)

式中λ——風(fēng)力機(jī)的葉尖速比,λ=ωR/v;

ω——風(fēng)力機(jī)的角速度;

R——風(fēng)輪半徑;

β——風(fēng)力機(jī)的槳距角;

Cp——風(fēng)能利用系數(shù)，經(jīng)常表示為葉尖速比與槳距角的函數(shù)，Cp≤0.593，不同槳距角下它隨λ的變化如圖2所示

圖2 不同槳距角下Cp隨λ的變化曲線

根據(jù)式(1)知，對于固定的系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)的風(fēng)輪面積S，風(fēng)機(jī)半徑R，空氣密度ρ是不變的，所以風(fēng)力機(jī)的輸出機(jī)械功率僅與槳距角β，葉尖速比λ和風(fēng)速v有關(guān)。若是保持槳距角不變，則在風(fēng)速一定的情況下，風(fēng)機(jī)輸出的機(jī)械功率隨風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速n的變化關(guān)系與CP隨λ的變化關(guān)系一致，不同風(fēng)速下，風(fēng)力機(jī)的輸出機(jī)械功率隨風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速n的變化曲線如圖3所示。

圖3 風(fēng)機(jī)的輸出機(jī)械功率隨轉(zhuǎn)速的關(guān)系

2.2 太陽能發(fā)電系統(tǒng)模型

太陽能電池板是本系統(tǒng)的另一電能產(chǎn)生部分，它的作用是將光能轉(zhuǎn)化為電能。根據(jù)太陽能電池的等效物理模型，可以得到太陽能電池的實(shí)際輸出電流IL和輸出電壓VO的關(guān)系式

(2)

式中ISC——太陽能電池在光照下所產(chǎn)生的電流，大小與外界溫度及光照強(qiáng)度有關(guān)；

Rs——由于太陽能電池材料本身的電阻率、電極本身以及與硅表面的接觸等引入的附加串聯(lián)電阻;

Rsh——旁漏電阻；

IS——PN結(jié)的反向飽和電流;

Vt——溫度的電壓當(dāng)量,Vt=KT/q;

q——單位電荷,等于1.6×10-19C;

K——玻爾茲曼常數(shù)，等于0.86×10-4eV/K;

T——太陽能電池板的表面溫度，用熱力學(xué)溫度表示。通常情況下，Rs很小，而Rsh很大，所以將(VO+RsIL)/Rsh的效果忽略不計(jì)。

結(jié)合式(2)可以得到太陽能電池在不同溫度和不同光強(qiáng)下的特性曲線，如圖4和圖5所示。

圖4 不同溫度下的特性曲線

圖5 不同光強(qiáng)下的特性曲線

3 最大功率追蹤策略

MPPT方法諸多，葉尖速比控制法、功率反饋法和爬山搜索法最為常用。

葉尖速比控制法要根據(jù)實(shí)測的風(fēng)速，不斷改變轉(zhuǎn)速使得每一風(fēng)速下風(fēng)機(jī)都輸出最佳葉尖速比。功率反饋法只需要測量轉(zhuǎn)速，將實(shí)時的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對應(yīng)到預(yù)先模擬的最佳功率曲線中，將相對應(yīng)的功率與實(shí)際功率作對比以控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來找到最大功率點(diǎn)。爬山搜索法和擾動觀察法類似，不需要測量轉(zhuǎn)速和風(fēng)速，只需給轉(zhuǎn)速一個擾動，根據(jù)功率的變化方向改變轉(zhuǎn)速的擾動方向從而找到最大功率點(diǎn)。

從圖4和圖5可知，太陽能電池的輸出功率具有很強(qiáng)的非線性，受溫度和光照強(qiáng)度的影響大。但是在一定的外界環(huán)境下，太陽能電池在某一特定工作點(diǎn)將會輸出最大功率。太陽能發(fā)電中實(shí)現(xiàn)MPPT的方法有很多，比如恒定電壓法、擾動觀測法、電導(dǎo)增量法、模糊控制算法等[12]。擾動觀察法就是不斷改變太陽能電池板的輸出電壓的大小，根據(jù)每一次擾動后功率變化的方向來決定下一次輸出電壓變化的方向。若擾動后功率減小，則讓輸出電壓向上次電壓變化的反方向變化，如果擾動后功率增大或者不變，則繼續(xù)按原方向改變輸出電壓，直至找到最大功率點(diǎn)。該方法算法簡單，且易實(shí)現(xiàn)，既避免了恒壓控制法對環(huán)境溫度的依賴又克服了導(dǎo)納增量法計(jì)算復(fù)雜、對傳感器要求高的缺點(diǎn)。本文的控制策略將以該方法為基礎(chǔ)，再根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行優(yōu)化。

本次實(shí)際系統(tǒng)中風(fēng)力發(fā)電的整流輸出與太陽能輸出采用了串聯(lián)的方式，根據(jù)它們各自的P-U曲線可知，總輸出功率隨總輸出電壓的特性曲線可能會出現(xiàn)多峰值的情況，它的部分特性曲線如圖6所示。

圖6 風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的P-U曲線

前文所述的幾種MPPT方法都是應(yīng)用在單峰值曲線中，風(fēng)光互補(bǔ)的P-U曲線可能是多峰值的，所以上述方法不再適用。該系統(tǒng)的MPPT控制算法將分為兩個階段，由于可能是多峰值，所以，為了避免搜索到局部最大值而不是全局最大值，可以先用掃描法直接搜索到全局最大值，然后在全局最大值附近進(jìn)行擾動觀察。

考慮到對蓄電池的保護(hù)，可將整個充電模式分為恒流充電模式和恒壓充電模式兩部分。恒流充電中要設(shè)定一個電流上限Imax，并使用MPPT對系統(tǒng)進(jìn)行控制，使之以最大功率對蓄電池進(jìn)行充電，充分利用太陽能及風(fēng)能。若是充電電流大于Imax，則放棄MPPT控制，增大MPPT搜索得到的輸出電壓，使充電電流維持在Imax附近。當(dāng)蓄電池容量接近飽和，就要進(jìn)入到恒壓充電模式，在該模式中要設(shè)定一個電壓上限Umax，MPPT搜索過程依然執(zhí)行，但不把MPPT搜索的結(jié)果去控制系統(tǒng)，而是增大MPPT搜索得到的輸出電壓以減小輸出功率，使蓄電池電壓維持在Umax附近。

4 仿真分析

按照圖1的框圖搭建仿真模型，如圖7所示。測得實(shí)際300 W/300 rpm的永磁同步電機(jī)的定子電阻、定子電感、極對數(shù)分別是0.29 Ω、1.6e-4 mH、32。

仿真中，設(shè)置的太陽能電池板及風(fēng)力機(jī)的特性參數(shù)分別如表1和表2所示。

表1太陽能電池板仿真參數(shù)設(shè)置

參數(shù)值短路電流/A10開路電壓/V40最佳工作點(diǎn)電流/A8最佳工作點(diǎn)電壓/V30

圖7 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電的MPPT仿真模型

表2風(fēng)力機(jī)仿真參數(shù)設(shè)置

參數(shù)值額定輸出機(jī)械功率/W300額定風(fēng)速/m·s-112額定風(fēng)速下的最大功率/W300額定轉(zhuǎn)速/rpm300槳距角/°0

實(shí)際仿真中，MPPT算法比較的是蓄電池的充電功率，由于充電功率的變化情況和風(fēng)光互補(bǔ)總輸出功率的變化情況一致，而且無法知道具體的充電功率的最大值，所以可以直接觀察風(fēng)光互補(bǔ)總輸出功率的變化情況。進(jìn)行MPPT控制時，先用掃描法找到全局最大功率點(diǎn)，再在最大功率點(diǎn)處進(jìn)行擾動觀察。當(dāng)風(fēng)速為12 m/s，光照為1 000 W/m2時，得到的充電功率的波形如圖8所示。

圖8 MPPT控制下的充電功率波形

仿真時間在0～4 s的區(qū)間段是系統(tǒng)運(yùn)行在掃描模式下的功率曲線，由于在掃描模式中占空比是不斷減小的，所以風(fēng)光互補(bǔ)輸出總電壓是不斷增大的，說明該小型風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的輸出功率隨輸出總電壓的變化曲線中有兩個峰值。從圖8也可以看出，MPPT控制下系統(tǒng)最后能以掃描模式下找到的最大功率輸出。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

借助太陽能發(fā)電的實(shí)驗(yàn)平臺可驗(yàn)證MPPT控制算法的有效性及兩種充電模式對蓄電池是否能起到保護(hù)作用。

MPPT控制方法采用的是掃描法+擾動觀察法，實(shí)驗(yàn)平臺如圖9所示，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表3所示。

表3實(shí)驗(yàn)參數(shù)

參數(shù)值光伏板開路電壓/V37.6光伏板短路電流/A8.54光伏板最大功率電壓/V29.6光伏板最大功率電流/A8.11蓄電池電壓/V12

圖9 實(shí)驗(yàn)平臺

在CodeWarrior中進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，用FreeMaster查看整個掃描過程中充電功率隨占空比變化的關(guān)系如圖10所示。

從圖10可以看出，充電功率雖然有小的波動，但是整體趨勢是隨著占空比的增大先增大后減小的。掃描模式找到的最大功率點(diǎn)對應(yīng)的占空比DUTY_Power_MAX=13954。從P_D曲線也可以看出，最大功率點(diǎn)對應(yīng)的占空比確實(shí)在14 000附近。

圖10 掃描模式中充電功率隨占空比的變化曲線

再利用FreeMater記錄在掃描法+擾動觀察法下占空比和功率隨時間的變化。記錄波形如圖11所示。

圖11 掃描法+擾動觀察法下占空比和功率變化曲線

圖11可以看出，在7.6～17.8 s之間系統(tǒng)處于掃描模式，17.8 s之后系統(tǒng)處于最大功率模式。經(jīng)測試其最終輸出的占空比是14 263，和掃描法找到的最大功率點(diǎn)對應(yīng)的占空比13 954相比有一定的差距，考慮到測試時外界環(huán)境的變化以及占空比(0～32 767表示0～100%)范圍比較大，可認(rèn)為該差值在可接受范圍之內(nèi)。

結(jié)合對蓄電池的保護(hù)，再次運(yùn)用MPPT算法。當(dāng)系統(tǒng)工作在恒流模式、恒壓模式以及從恒流模式轉(zhuǎn)為恒壓模式時，得到測試結(jié)果如圖12所示，圖中從上到下的幾條曲線分別表示蓄電池電壓、充電電流、MPPT搜索得到的占空比DUTY_PV和系統(tǒng)實(shí)際輸出的占空比DUTY_PV_OUT(U_BAT_Disp、I_PV_Disp均為實(shí)際值的10倍)。

圖12 各模式下的測試曲線

恒流模式中電流限Imax依次為8 A、2 A、1.5 A、3 A，初始電流限下系統(tǒng)能工作在最大功率點(diǎn)。從圖12(a)可以看出初始時電流限下，MPPT追蹤到的最大功率點(diǎn)對應(yīng)的充電電流為2.5 A，讓電流限減小，充電電流也會減小到相應(yīng)值附近，充電功率也減小，當(dāng)電流限大于2.5 A時，系統(tǒng)重新進(jìn)入MPPT追蹤，充電電流回到最大功率點(diǎn)對應(yīng)的電流，即2.5 A。

當(dāng)系統(tǒng)工作在恒壓充電模式時，應(yīng)將電流限設(shè)為較大值，以免電流限發(fā)揮作用。該模式中的電壓限依次為15 V、13 V、12.5 V。MPPT搜索得到的占空比DUTY_PV與DSP實(shí)際輸出的用來控制開關(guān)管的占空比DUTY_PV_OUT滿足關(guān)系式：DUTY_PV_OUT = DUTY_PV - DUTY_DEC_U- DUTY_DEC_I。其中，DUTY_DEC_U和DUTY_PDEC_I分別表示蓄電池電壓超限和充電電流超限時占空比應(yīng)改變的量。所以在本次測試中，若蓄電池電壓達(dá)到了電壓限，則系統(tǒng)應(yīng)該進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)過程中DUTY_PV_OUT應(yīng)該小于DUTY_PV。從圖12(b)可以看出，當(dāng)蓄電池電壓達(dá)到電壓限13V時，每一時刻DUTY_PV_OUT小于或等于DUTY_PV，且蓄電池電壓在13 V波動，短時間內(nèi)不會繼續(xù)升高，將電壓限設(shè)為12.5 V時亦是如此，說明了電壓限的有效性。

恒流充電模式轉(zhuǎn)為恒壓充電模式中電壓電流的初始限值為15 V，8 A，先將電流限設(shè)為2 A，再將電壓限設(shè)為12.5 V。從圖12(c)中可以看出，最大功率點(diǎn)下的充電電流是2.5 A，將電流限設(shè)為2 A時，則充電電流減小，充電功率也相應(yīng)減小，再將電壓限設(shè)為12.5 V，則蓄電池電壓減小，充電電流和充電功率也減小，說明電流限和電壓限均起了作用。

6 結(jié)論

本文采用了風(fēng)力發(fā)電機(jī)整流輸出與太陽能電池板串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，在分析傳統(tǒng)MPPT控制基礎(chǔ)上，提出了掃描法結(jié)合擾動觀察法的控制策略，并用仿真證實(shí)了其有效性，最后，結(jié)合蓄電池的充放電特點(diǎn)，用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了恒壓與恒流綜合控制的充電策略的有效性。