風光互補發電系統控制技術綜述

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（北方工業大學 電力電子與電氣傳動北京市高等學校工程研究中心，北京 100144）

1 引言

近年來，可再生能源已成為實現能源多樣化、社會可持續發展及應對氣候變化的重要替代能源［1］。這些能源中，太陽能、風能是最普遍的自然資源，且兩者具有天然的互補性和最佳的匹配性，并都具有較廣闊的應用前景［2］。風光互補發電系統彌補了風力和太陽能獨立發電系統在資源利用上的缺陷，綜合利用風光互補技術進行發電已成為新的發展趨勢。

由于地域差異，遠離電網的地區，如游牧民區、邊防哨所、山區信號站等，電力來源需依靠獨立供電系統，要解決長期穩定可靠的供電問題，只能依賴當地的自然能源，風光互補發電無疑是解決獨立供電的最佳方案［3］。為獲得良好的電力能源輸出，如何實現對風光互補發電系統的合理控制成為研究的重點。

2 風光互補發電系統

風光互補發電系統總體結構如圖1所示，系統主要由電能產生環節、電能變換控制環節和電能存儲消耗環節3部分組成。

圖1 風光互補發電系統結構圖Fig.1 Wind－solar hybrid generation system structure

2.1 電能產生環節

電能產生環節包括風力發電和太陽能發電兩部分。風力發電部分可通過直流風機或交流風機獲取風能轉化為電能；太陽能發電部分通過太陽能電池板獲取光能轉化為電能。

2.2 電能變換控制環節

電能變換控制環節由DC／DC變換器、主控制電路等部分構成，是發電系統的核心環節。

交流風機輸出的三相交流電需經整流后進入DC／DC變換器，直流風機輸出直流電經過穩壓后直接送入DC／DC變換器；太陽能電池板輸出得到的直流電通常要通過1個防反二極管后，再送入DC／DC變換器。

主控制電路通常采用PLC或單片機、DSP等控制芯片，通過控制DC／DC變換器實現功率變換，同時還可對各種信息、參數進行數據采集、處理，從而實現設備保護、風險預警等功能。

2.3 電能存儲消耗環節［4］

電能存儲消耗環節包括存儲和消耗兩部分。電能的存儲部分由蓄電池承擔，用來消除由于天氣等原因引起的能量供需的不平衡，在整個系統中起到電能調節和平衡負載的作用。電能的消耗部分主要由直流負載、交流負載組成。直流負載可由蓄電池直接引入，也可通過1個升壓或降壓直流變換電路提供所需要的直流電壓；對于交流負載則需將蓄電池輸出的直流電變為交流電。

3 風光互補發電控制技術

風速、光強、負載用電量和蓄電池狀態是影響風光互補發電系統運行狀態的主要因素。通常這些因素都在不斷變化，且互相聯系、制約［5］。由于各因素的隨機性影響，需對風光互補發電系統進行合理控制，才能實現不同條件下的最優運行。

控制器主要功能包括：對風機和太陽能電池板的輸出功率進行控制；對蓄電池進行充放電控制；對系統保護以及協調輸入輸出能量控制等。針對不同發電系統的要求，控制器的復雜程度及功能特點也不盡相同［4］。本文對現有的獨立風光互補發電系統的控制技術進行了歸納和分類，如圖2所示。

3.1 太陽能電池板的控制

3.1.1 最大功率點跟蹤控制

太陽能電池板輸出電壓、電流是隨日照強度和電池結溫的變化而變化，具有較強的非線性特點，因此在特定的工況下存在著1個最大功率輸出點。

圖2 風光互補發電系統控制技術分類Fig.2 Classification of wind－solar hybrid generation system control technologies

通常，自然光的輻射強度及大氣的透光率均處于動態變化中，為了在相同日照強度和電池結溫下獲得盡可能多的電能，就存在最大功率輸出點跟蹤的問題［6］，因此，需要對太陽能電池板進行最大功率點跟蹤控制（MPPT）。MPPT控制實質是一個自尋優過程，通過控制電池板的特定參數，或控制DC／DC變換器開關管的開通時間，使電池板能在各種不同的日照和溫度環境下智能化地輸出最大功率。目前，應用于獨立風光互補發電系統的太陽能電池板MPPT控制技術主要有恒壓控制、擾動觀察和電導增量3種。

1）恒壓控制法。恒壓控制法（CVT）的原理比較簡單，在相同溫度，不同光照強度下，太陽能電池板的最大功率點PM近似處于某一恒定的電壓值VM附近，因此，只需通過調節DC／DC變換器的占空比改變負載阻抗，使電池板的輸出電壓穩定在VM附近，便可實現 MPPT控制［4］。其控制框圖如圖3所示。

圖3 CVT法控制框圖Fig.3 CVT control block diagram

CVT法實際上是一種穩壓控制，簡單、易實現、穩定性高。但是由于忽略了溫度對陣列輸出電壓的影響，該方法的實質并不是真正意義上的最大功率點跟蹤，對于四季溫差或日溫差較大的地區，CVT法并不能在所有的溫度環境下完全地跟蹤最大功率［6］，便會導致功率損失。因此，該法適用于溫度變化不是很明顯的情況。

文獻［7－8］采用CVT法對太陽能電池板進行MPPT控制，大大簡化了系統MPPT的控制設計，并提高了發電效率。

2）擾動觀察法。擾動觀察法（P＆O）又稱為登山法、爬山法，是目前研究較多且常用的MPPT控制方法。控制對象可以是太陽能電池板的電壓或者電流。其工作原理為：周期性的給對象加擾動，比較輸出功率與加擾動前的輸出功率的大小，若功率增加則在下1個周期以相同方向加擾動；反之，則改變擾動方向［6］，圖4所示為其控制框圖。

圖4 擾動觀察法控制框圖Fig.4 P＆O control block diagram

擾動的加法有2種：可直接給被控對象加擾動，也可給控制DC／DC變換器驅動信號的占空比加擾動。擾動過程中，由于步長為定值，選擇合適的擾動步長［5］對于跟蹤最大功率點的快速性、準確性有著至關重要的作用。

P＆O法的優點為：結構簡單，被測參數少，容易實現，且是一種真正的最大功率跟蹤（TMPPT）。但也存在：①系統在最大功率點附近會產生震蕩；②步長較小時太陽能電池板易工作于低功率輸出區，而步長較大時最大功率點附近的波動又會加大；③外部環境發生較快變化時，很有可能發生誤判［6］等缺點。該法適用于光照強度變化較小及對電能質量要求不高的場合。

文獻［9－10］采用了P＆O法進行 MPPT控制，取得了良好的控制性能；文獻［5］采用P＆O法控制，并通過仿真證明了該方法滿足系統快速性的要求。

文獻［4］提出將P＆O法與CVT法結合進行控制，即：先根據經驗值VM，采用CVT啟動（CVT法有良好的啟動特性）；然后采用P＆O法，取得最大功率點，此時，可獲得最大功率點處的V′M，由于溫度的非突變性，一定時間內，V′M基本保持不變；然后采用CVT法，將系統輸出電壓控制在測得的V′M附近，實現 MPPT。這種技術結合了二者的優點，控制效果更佳。

為減少定步長P＆O法在最大功率點附近振蕩的幅度，并準確、快速地跟蹤到最大功率點，變步長P＆O法被越來越多地應用在風光互補發電系統中。其基本原理為：在原有擾動原則的基礎上，當功率的變化出現變號時［11］，僅改變擾動步長值，而擾動方向不變。如：加入擾動Δ后，若功率變化量ΔP＞ε（ε為一數值較小正數），保持原Δ值與擾動方向；若ΔP＜－ε，擾動值變為Δ／2，而擾動方向不變。

變步長P＆O法解決了傳統定步長P＆O法在跟蹤過程中劇烈振蕩的問題，在一定程度上減少了功率損耗。

文獻［12－13］采用變步長P＆O法控制電池板的功率輸出，提高了MPPT控制的靈敏度；文獻［11］對電池板的MPPT控制基于變步長P＆O法，并在算法中增加了搜索電壓的上、下限限幅值，防止了系統的誤判；文獻［14］也采用同樣的方法進行控制，在此基礎上，又加入了滯環比較法［15］進行改進，避免外部環境發生突變引起的誤判。

同樣為減少P＆O法的誤判概率，文獻［16－17］提出了基于P＆O法的擾動回探法，即：加入擾動Δ后，若功率P增加ΔP，變為P′，則先改變擾動方向，確認功率減小為P后，再改變擾動方向，使功率增大到P′，繼續加擾動，并重復此過程。擾動回探法減少誤判可能性，同時提高了太陽能利用率。

3）電導增量法。為解決P＆O法帶來的功率損失等問題，K.H.Hussein提出了電導增量法［18］（INC）。根據太陽能電池板的P－U特性曲線在最大功率點處的斜率為零，即dP／dU＝0，所以有：

式（1）為判斷最大功率點的條件，即當輸出電導的變化量等于輸出電導的負值時就可認為電池板工作在最大功率點處。此法利用電壓和電流的變化量比值、瞬間電導值兩個參數判斷輸出電壓，若比較后為相等，則表示達到最大功率點跟蹤；若不相等則改變電池板的被控參數或DC／DC變換器驅動信號的占空比，進而繼續判斷。

INC法與P＆O可以說是殊途同歸，差別僅在于邏輯判斷與量測參數的取舍［16］。INC法的優點為：控制精確，響應速度比較快。但該控制方法對硬件的要求比較高，系統各個部分要求具有較快的響應速度［19］。該方法適用于氣象條件變化較快的場合，尤其在光強和溫度大范圍變化的情況下，系統具有高速、穩定的跟蹤特性。

文獻［20］對太陽能電池板的 MPPT控制基于INC法實現，并用在線調整占空比增量的方法對電導微增法進行了改進，加快了系統的動態響應速度，且減小了系統振蕩。

3.1.2 負載跟蹤控制

負載跟蹤控制就是對電能產生環節和電能消耗環節的功率匹配控制。負載的不確定性要求系統輸出的能量應與蓄電池和負載所需求的能量相匹配，當負載所需求的能量不多時，系統就不再需要跟蹤太陽能電池板輸出的最大功率點。

文獻［5］根據系統要求，在負載需求能量小于電池板輸出能量時，對太陽能電池板進行負載跟蹤控制。控制器計算負載電流與蓄電池的最大可接受電流之和、蓄電池端電壓值，從而算出負載和蓄電池的需求功率，并將此功率值作為電池板輸出功率的參考值，利用PI調節器調節DC／DC變換器占空比而實現功率匹配。

3.1.3 光源跟蹤控制

為提高有效日照時間和發電效率，可跟蹤光源的太陽能電池板開始被應用于風光互補發電系統中。在常規太陽能電池板基礎上，系統加入感光傳感器和驅動電機等特定裝置，通過對電池板的仰角和方位角進行控制，便可實現光源跟蹤。

光源跟蹤控制技術可有效地利用太陽能資源，提高日發電量。但是，光源跟蹤裝置本身電能消耗較大，便失去了一定的實用價值。該控制技術適用于光源不穩定或變化較快的場合。

文獻［21］所設計的船用風光互補發電系統控制器根據其特定的使用場合，對太陽能電池板采用光源跟蹤控制，采用光敏三極管作為感光傳感器，驅動電機選用步進電機作為執行機構，其控制過程為：早上開始跟蹤太陽位置，使電池板始終接收到最強太陽輻射，當太陽下山或者天空光線較差時，電池板轉回到朝向東方的初始位置，當再次檢測到太陽升起或天空光線變強時，繼續跟蹤光源。通過該控制技術，風光互補發電系統能夠很好地應用在由于船舶航行中河道走向變化和所在地域變更所引起的光照角度變化較大的情況。

3.2 風力發電機的控制

3.2.1 MPPT控制

與太陽能電池板一樣，風力發電機的輸出也存在一個最大功率點，風光互補發電系統若要捕獲最大的風能，必須根據風速的變化對風力機的轉速進行實時調整，即實現MPPT控制，這就產生了變速發電的運行模式，而變速發電的實質是在風速隨機變動時又要獲得最大的風能，因此MPPT控制在風力發電中具有舉足輕重的地位［22］。

由風力發電機的電動原理可知，當輸入的機械功率大于其輸出電功率時，風力發電機的轉速將要增加；反之，轉速下降。因此，可通過控制風力發電機的輸出功率，完成對輸出電功率的調節。調節控制電路驅動信號的占空比就可實現輸出功率控制，從而間接達到控制風力發電機轉速的目的［12］。目前，應用于獨立風光互補發電系統的風力發電機MPPT控制技術主要有最大功率給定法等3種。

1）最大功率給定法。基本原理是通過測量風力發電機轉速來推測風力機的最佳葉尖速比λopt，根據λopt與風機的最大輸出功率Pmax的對應關系，可得到Pmax，將Pmax作為發電機功率的給定，與系統輸出的實際功率進行比較，其誤差通過PID調節后產生PWM信號來調節DC／DC變換器的占空比而實現MPPT控制，最大功率給定法控制框圖如圖5所示。

圖5 最大功率給定法控制框圖Fig.5 Maximum given power control block diagram

λopt與Pmax有如下關系：

式中：ρ為空氣密度；Cpmax為最大風能利用系數；R為風輪機半徑；ωw為風輪機的角速度。

控制過程中，發電機轉速可以根據輸出交流電壓頻率與轉速之間關系獲得，整個系統無需機械傳感器，提高了可靠性。

文獻［5，10］采用最大功率給定法實現風機MPPT控制，系統響應較快。其中文獻［5］的仿真結果表明，控制過程中發電機轉速波動較小，從而可減小發電機機械磨損，也減緩了對整個系統的沖擊，提高了系統可靠性。

2）P＆O法。基本原理與太陽能電池板的P＆O法原理大致相同。方法實現上可以周期性地增加或減少發電機轉速，或者周期性地改變DC／DC變換電路驅動信號的占空比，然后比較輸出功率的變化，再進行下一周期控制對象的增減動作。

P＆O法優點：①有自動跟隨與自適應的能力；②不需測風速儀器；③不必知道風力發電機確切的參數及功率特性。缺點：即使在風速穩定時，輸出功率也會有小幅度的波動。但由于風力發電部分受風速的隨機性影響，其輸出沒有必要也不可能保證高的精度與穩定［12］，因此適用范圍不會受太大影響，總體來說是一種效果較好的控制方案［23］。

文獻［4］在P＆O法的控制基礎上，加以改進，采用了變步長擾動，一定程度上降低輸出功率的波動幅度，得到了更好的控制效果。文獻［16］基于擾動回探法，采用一個DC／DC變換電路同時對風力發電系統和太陽能發電系統進行MPPT控制，簡化了系統結構。文獻［11，13］為簡化控制，也同樣采用一個DC／DC變換器進行控制，并根據變步長擾動法通過控制占空比而實現了對風力、太陽能兩個系統的MPPT控制，充分利用了能源。

3）INC法。基本原理已在太陽能電池板MPPT控制中介紹過，不再贅述。但需注意：因風力發電機輸出電壓與轉速成正比，可根據風機P－ω特性曲線推測出P－U特性曲線，進而根據判別式判斷。

文獻［20］基于改進型的電導增量法，采用風力發電機和太陽能電池經過同一個DC／DC變換器的控制方案，實現了對兩個發電系統共同的MPPT控制，降低了成本，并使控制大為簡化。

3.2.2 負載跟蹤控制

與太陽能發電系統一樣，當風力機輸出能量多于負載和蓄電池吸收的能量時，可采用負載跟蹤控制來調節系統功率輸出。負載跟蹤控制使風力機葉尖速比λ偏離最佳值［10］，從而降低風能利用系數Cp，以保證風機的輸出功率與負載消耗功率和充入蓄電池的功率相匹配。控制框圖如圖6所示，控制器將蓄電池的充電電流Ib與負載電流Il之和作為給定輸入與DC／DC變換器的輸出電流Iw進行比較，將其誤差經過PID調節后產生PWM控制信號來調節DC／DC變換器的占空比，從而實現負載跟蹤控制。

圖6 負載跟蹤控制框圖Fig.6 Loads tracking control block diagram

負載跟蹤控制可使變換器的輸出電流始終滿足蓄電池和負載的需要，使風力發電機的輸出功率始終與負載功率和充入蓄電池的功率之和相平衡。

文獻［5，10］所研究的系統在風力發電部分能量過多的情況下，對風機采用負載跟蹤控制，實現了功率間的匹配。

3.2.3 運行保護控制

當風機處于對蓄電池充電運行狀態時，若整流橋發生故障，或者風力發電機與蓄電池之間的連接斷開，風力發電機所獲得的能量將無法通過整流電路轉換成直流電能，進而無法對蓄電池進行充電。而此時，風力發電機的葉片轉速將快速上升，輸出端線電壓也將隨之上升，嚴重時，會導致風輪飛車，損壞風機的機械結構。而且在風力發電機與蓄電池之間連接斷開的情況下，會擊穿整流二極管［24］。所以控制器需要對風力發電機進行有效的保護控制。

通常的保護控制是在當風力發電機轉速達到風力發電機最大安全轉速限定值時，或風機輸出端線電壓高于設定的保護電壓時，系統逐級切入卸荷負載限速［5］，對風力發電機進行保護。

文獻［5，10，24］采用上述方法實現風機保護控制，保證了系統的正常運行，避免了意外發生；文獻［11］在常規的運行保護控制基礎上，為防止控制器的誤動作，還設置了手動閘，手動切入卸荷負載，實現過速保護；文獻［25］采用的保護控制則是在系統滿足蓄電池電壓較高且充電電流減小到某一值再啟動卸荷負載，避免了由于風速過大蓄電池電壓急劇升高時啟動卸荷負載而不充電或充電電流變小情況的發生。

3.3 蓄電池的控制

為保證發電系統供電的連續性和穩定性，獨立的風光互補發電系統選取了蓄電池為儲能裝置。作為儲能環節，蓄電池在風力、日照充足的條件下可存儲供給負載后多余的電能；在風力、日照不佳的情況下輸出電能給負載。因此，蓄電池在系統中同時起到能量調節和平衡負載的作用，若對運行中的蓄電池充放電的控制、保護方法不當，極易損壞蓄電池，縮短使用壽命，而蓄電池使用壽命的長短也直接影響發電系統供電的穩定性及發電成本。因此，蓄電池充放電控制、過充過放保護控制是風光互補發電系統運行控制的又一重要部分。

3.3.1 充電控制

蓄電池的充電控制主要有：二段式和三段式。

1）二段式充電控制。先以恒定電流充電至預定的電壓值，再改為以恒定的電壓進行充電。一般情況下，兩階段之間的轉換電壓即為第2階段的恒電壓值。采用二段式控制，蓄電池在初期不會出現很大的電流；后期也不會出現蓄電池電壓過高，避免了析氣的發生［20］。

文獻［26］對蓄電池的二段式控制進行了建模與仿真，采用雙閉環PID實現，證明了二段式充電方式簡單、穩定、可行，并適用于其他的分布式發電系統。

2）三段式充電控制主要有2種充電方式。

①大電流充電－限流充電－浮充［10］控制方法的主充電階段，對蓄電池進行大電流充電，使電池電壓快速上升，至均充電壓閾值時（一般在電池容量達到80%左右），進入第2階段進行限流充電，此時，蓄電池仍未充滿，需要利用限流充電方式進行補充充電，逐漸降低充電電流，至浮充電壓時電池基本充滿，此時轉入第3階段，繼續以小電流進行充電（即浮充），以彌補蓄電池的自放電。文獻［10，11，13，20，27－32］中所研究系統對蓄電池的充電控制采用以上的三段式控制，提高了發電系統的使用效率。文獻［22－33］采用了同樣的控制方式，基于模糊－PID復合控制實現，通過仿真證明了該控制方式的優越性。文獻［34］在此基礎上提出了分只均充的新型控制方式，最大限度地利用了蓄電池的容量，同樣延長了蓄電池的使用壽命。

②恒流充電－恒壓充電－浮充控制方法首先對蓄電池采用恒流充電方式充電，蓄電池充電到達一定容量后，采用恒壓方式進行充電。在兩階段充電完畢，即蓄電池容量到達其額定容量的80%～90%時，對蓄電池進行浮充，且這一階段的充電電壓要比恒壓階段的低［12］。

文獻［7，12］采用上述的三段式方法控制充電，同樣保證了蓄電池組高效率、低損傷、安全可靠運行。

三段式控制，既可以充分利用能源，提高蓄電池的充電效率，又不會損壞蓄電池。

3.3.2 放電控制

對于蓄電池的放電控制，目前研究的較少。文獻［5］采用電壓控制法，即在蓄電池組進行放電時，維持蓄電池輸出電壓穩定，保證當負載發生變化時，能夠及時提供足夠的能量。

3.3.3 運行保護控制［5］

運行保護控制主要指蓄電池的過充過放保護控制。

過沖過放保護控制原則：當蓄電池組的電壓接近蓄電池組過放電壓時，系統報警；達到蓄電池過放電保護電壓閾值時，切除負載供電回路，蓄電池停止放電，當蓄電池端電壓再次上升到蓄電池啟動電壓時才允許重新放電；而當蓄電池處于過充狀態時，提前發出報警信號，并切斷風力發電支路與太陽能發電支路對蓄電池的充電，防止進一步充電。

文獻［24］通過設定雙重的蓄電池電壓上下限閾值，實現了更好的過沖過放保護控制；文獻［31，35］采用的保護控制是建立在3級負載的基礎上，將負載分為重要負載、次重要負載、一般負載，在蓄電池電壓降低的情況下，按優先級切斷負載，并不斷檢測電壓，保證重要負載長時間供電。

4 結論

經濟的不斷發展促使可再生能源的利用成為未來能源領域研究的重要內容，風光互補發電系統以其特有的優勢在新能源領域扮演著極其重要的角色。要獲得穩定、良好的功率輸出，控制器的設計尤為關鍵，智能化、集成化又是研究的重要內容。電力電子技術的日漸成熟使其控制器實現的功能日臻完善，系統各環節的多種控制技術能較好地匹配能量供需，提高了發電系統的能源利用率。

發展風能、太陽能等自然資源已是大勢所趨，隨著研究的不斷深入，風光互補發電系統將向著小型化、數字化、綠色化的目標不斷邁進，也將成為微電網研究中不可估量的重要內容。

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