小型風光互補控制策略研究

謝明月

（鹽城工學院電氣工程系 ，江蘇 鹽城224000）

大力發(fā)展風力發(fā)電和太陽能發(fā)電是實現(xiàn)能源、環(huán)境和社會可持續(xù)發(fā)展的有效途徑之一。安裝小型風光互補發(fā)電系統(tǒng)可以在高效使用能源、減少碳排量的同時，更大程度上實現(xiàn)能源獨立。目前，風光互補供電系統(tǒng)的應用多作為獨立的供電系統(tǒng)［1，2］。

1 風光互補主電路

小型風光互補系統(tǒng)的主電路中包含太陽能電池陣列和風力發(fā)電機儲能電路，通過DC－DC充電控制單元，給蓄電池充電。如圖1所示，風光互補儲能電路中D1為屏蔽二極管，接在太陽能電池陣列和蓄電池之間，只有當光伏電池陣列輸出電壓大于蓄電池兩端電壓時，D1才能導通，否則D1截止，這樣能確保在無光照的情況下蓄電池不會對光伏電池陣列反向充電，起到屏蔽保護作用。D5為防反接二極管，若蓄電池的極性接反，D5導通，使蓄電池通過D5短路，產生很大電流，保險絲F快速燒斷，起到蓄電池的防反接保護作用。MOSFET管T5為負載開關，在蓄電池放電時，從保護蓄電池的角度出發(fā)，當蓄電池電壓小于正常工作電壓時，T5截止，斷開負載回路，實現(xiàn)蓄電池過放電保護，避免蓄電池深度放電而造成損壞。只有當蓄電池容量重新達到滿荷時，T5才重新導通，接通負載回路。MOSFET管T6為蓄電池的充電回路開關，正常狀態(tài)時T6導通，當蓄電池充電已滿，且風光互補發(fā)電模塊產生的電量能滿足WSN節(jié)點的供電需求時，斷開T6，防止蓄電池過充電。

圖1 風光互補主電路圖

2 MPPT控制策略

2．1 光伏電池陣列的MPPT控制策略

已經有相當多的文獻對光伏電池陣列的最大功率跟蹤策略進行深入研究，并提出多種控制方法，其中常用的方法有：電壓反饋法、擾動與觀察法、電導增量法［3］。光伏電池陣列最大功率跟蹤控制的三種方法優(yōu)缺點如表1所示。

以上的方法中，爬山搜索法是最受關注的［4，5］，其又稱為擾動法。本文提出結合電壓反饋法和擾動與觀察法對光伏電池陣列輸出功率進行控制，即電壓反饋擾動MPPT控制策略，擾動采用變步長擾動，如圖2（a）、（b）所示。

2．2 風力發(fā)電機的MPPT控制策略

在低風速區(qū)使風力發(fā)電機始終運行于最佳葉尖速比，即跟蹤最大功率點，每年可多生產電能20%～30%，經濟效益十分可觀。然而，欲實現(xiàn)最大功率點跟蹤，必須采用適當?shù)目刂品椒ǎ此^的MPPT控制策略。目前已經有很多不同的MPPT控制方案，各有優(yōu)缺點和適用范圍［6］。其中，最佳葉尖速比法、功率信號反饋法和爬山搜索法三種方法較為常用［7］。風力發(fā)電機最大功率跟蹤的三種控制方法的優(yōu)缺點如表2所示。

表1 三種方法的優(yōu)缺點（光伏電池陣列）

表2 三種方法的優(yōu)缺點（風力發(fā)電機）

擾動法基本是由軟件編程實現(xiàn)，不需要額外的硬件條件。本文研究的風力發(fā)電機屬于慣性小的小型風力發(fā)電機，且采用變步長控制，可以防止最大功率點附近可能引起的振蕩，故本文對風力發(fā)電機輸出的功率采用變步長擾動MPPT控制策略，如圖2（b）所示。

圖2 MPPT控制策略

2．3 變步長算法

對光伏電池陣列和風力發(fā)電機輸出功率的MPPT控制都用到變步長擾動法，本文采用統(tǒng)一的變步長算法。

動態(tài)的改變占空比的數(shù)值，能減小振蕩，快速跟蹤最大功率輸出。變步長擾動MPPT策略是通過擾動BUCK電路占空比D實現(xiàn)的，占空比變化的表達式為：

式中，D（k）、D（k－1）表示第k、k－1時刻的占空比；ΔD為占空比增量，其值是動態(tài)改變的。本文利用當前控制周期下的功率與前一控制周期的變化量ΔP來確定占空比增量：

3 蓄電池充電管理

蓄電池充電采用改進的三段式充電方法，首先檢測風力發(fā)電機的空載輸出電壓，當電壓大于卸載限定電壓時，根據(jù)其輸出電壓，調節(jié)PWM的占空比來控制MOSFET管T7，卸載多余功率。AD采樣檢測蓄電池的電壓、電流，判斷蓄電池的狀態(tài)，選擇進入恒流充電、恒壓充電或截止充電。充電管理流程圖如圖3所示。

圖3 蓄電池充電管理程序

4 實驗波形及分析

風光互補發(fā)電模塊給蓄電池充電或給WSN節(jié)點供電時，都是通過控制BUCK電路輸出合適的電量，對BUCK電路的占空比控制至關重要。PWM波形驅動MOSFET管，本文采用的PWM波的頻率選為f＝5 kHz。如圖4所示，可以看出MPPT的動態(tài)調制過程，PWM波反映系統(tǒng)的擾動過程，占空比先逐漸增大，再逐漸減小，依此類推。MPPT擾動的方向由軟件程序決定。

風光互補模塊在正常工作模式下，輸入驅動電路1和驅動電路2的PWM波形如圖5所示。然后通過驅動電路對PWM信號進行放大，控制光伏電池陣列和風力發(fā)電機的輸出電量。

圖4 MPPT控制波形圖

圖5 正常工作模式下的PWM波形

控制卸載電路的PWM信號，如圖6所示。當風速小于過速保護值且無多余功率時，卸載電路不工作；若存在多余功率，調整PWM0占空比，卸載掉多余功率；當風速大于過速保護值，風機停止運行，卸載掉風力發(fā)電機回路的功率。

圖6 卸載電路工作的PWM波形

5 結束語

風光互補供電系統(tǒng)就是利用風能和太陽能資源的互補性，找到一種比較好的控制系統(tǒng)，盡量使風光互補系統(tǒng)更加穩(wěn)定高效。本文通過對比幾種常見的最大功率點跟蹤方法，分別提出了光伏電池陣列采用變步長電壓反饋擾動MPPT控制策略，風力發(fā)電機采用變步長擾動MPPT控制策略；并給出了實驗波形及分析，為實際應用提供了一種有效的方法。

［1］ 馬 強．小型風光互補發(fā)電獨立電源系統(tǒng)的優(yōu)勢及應用［J］．內蒙古農業(yè)科技，2007，（S1）：148－150．

［2］ 劉 棟．高原地區(qū)風光互補發(fā)電系統(tǒng)關鍵技術研究［D］．北京：北京交通大學，2010．

［3］ 董 宏，張 飄．通信用光伏與風力發(fā)電系統(tǒng)［M］．北京：人民郵電出版社，2008．

［4］ 何思洋．離網式風光互補發(fā)電系統(tǒng)及控制器的研究［D］．天津：天津大學，2012．

［5］ 程 明，張建忠，王念春．可再生能源發(fā)電技術［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2012．

［6］ 郭成達．風光互補發(fā)電能量轉換系統(tǒng)研究［D］．大連：大連理工大學，2009．

［7］ 趙爭鳴，陳 劍，孫曉瑛．太陽能光伏發(fā)電最大功率點跟蹤技術［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2012．