風光互補發電系統最大功率跟蹤實現電路的研究

嚴春平，倪志蓮

(九江職業技術學院，江西九江 332007)

1 引言

太陽能和風能是最普遍的自然資源，也是取之不盡的可再生能源，而且兩者在時間變化分布上有很強的互補性。太陽能和風能在時間上的互補性使得風光互補發電系統在資源分布上具有很好的匹配性。

風光互補發電系統在資源上彌補了風電和光電獨立系統在資源上的各自缺陷，在技術應用中可以通過儲能環節使獨立的風電、光電系統得到合理化整合。風光互補發電系統可以根據用戶的用電負荷情況和資源條件進行系統容量的合理配置，既可保證發電系統的供電可靠性，又可降低發電系統的造價。無論是怎樣的環境和怎樣的用電要求，風光互補發電系統都可做出最優化的系統設計方案來滿足用戶的要求。

2 風光互補發電系統的構成

風光互補發電系統主要由風力發電機、太陽能電池板、DC/DC變換器、整流器、蓄電池、逆變器、控制器及交直流負載組成，如圖1所示。其運行原理如下:風力發電機將風能轉換成機械能，驅動發電機發出與風速成一定關系的交流電，經整流變成直流電，并經DC/DC變換器實現最大功率跟蹤;太陽能電池板將太陽能通過光生伏打效應轉換成直流電，通過DC/DC變換器實現最大功率跟蹤。二者皆通過控制器控制接入直流母線上，蓄電池也連接在直流母線上，當風力發電機和太陽能電池板輸出的電能除供給負載還有剩余時，蓄電池將這些電能儲存;當風力發電機和太陽能電池板輸出電能不足以滿足負載要求時，則由蓄電池向其供電。

圖1 風光互補發電系統的結構示意圖

3 最大功率跟蹤 (MPPT)

由風力發電特性及太陽能電池特性可知，風力發電機和太陽能電池都是當周圍環境變化時，其輸出的功率在某一特定時刻有一個最大功率。因此，為了提高風力發電機和太陽能電池的轉換效率，它們均應該具有最大功率點跟蹤功能。

3.1 太陽能發電MPPT原理

最大功率點跟蹤控制就是實時檢測太陽能電池的輸出功率，采用一定的控制算法預測當前工況下太陽能電池可能的最大功率輸出，通過改變當前的阻抗情況來滿足最大功率輸出的要求。MPPT的工作原理如圖2所示。

假定圖中曲線1和曲線2為兩不同光照強度下太陽能電池的輸出特性曲線，A點和B點分別為相應的最大功率點，并假定某一時刻系統運行在A點。當光照強度發生變化，即光伏陣列的輸出特性由曲線1上升為曲線2。此時如果保持負載1不變，系統將運行在A'點，這樣就偏離了相應的光照強度下的最大功率點。為了繼續跟蹤最大功率點，應當將系統的負載特性由負載1變化至負載2，以保證系統運行在新的最大功率點B。同樣，如果光照強度變化使得太陽能電池的輸出特性由曲線2減至曲線1，則相應的工作點由B點變化到B'點，應當相應的調整負載2至負載1，以保證系統在光照強度減小的情況下仍然運行在最大功率點A。

圖2 MPPT原理示意圖

3.2 風力發電MPPT原理

圖3給出了風力機在不同風速下 (v2＞v1)軸上輸出的功率pm與轉速ω的關系。可以看出，風速一定時，轉速不同會使風力機輸出功率不同。當風力機運行于一個最佳轉速時，會達到最佳葉尖速比，從而捕捉最大風能，輸出最大功率。

圖3 不同風速下風力機的pm－ω關系曲線

最大風能的捕獲過程如下:假設原風速運行在V1下，風力機穩定運行在最佳功率捕獲曲線的A點上;此時風力機輸出力矩、功率和發電機輸入電磁力矩、功率相平衡。當風速升高至V2時，風力機將由A點跳至B點運行，其輸出轉矩、功率突然增加;由于慣性的作用，發電機仍運行在A點對應的轉速和功率狀態。這時發電機的輸入功率和轉矩大于其電磁功率和轉矩，轉速上升。當達到風力機功率曲線和最佳功率曲線相交的C點時，功率再一次達到新的平衡，轉速穩定。

4 MPPT的電路實現

由電路理論可得:在線性電路中，當外部負載等效阻抗與電源內阻抗成共扼時，外部負載可以獲得最大輸出功率。MPPT的實現電路實質上就是一個阻抗變換器。DC/DC直流變換電路正可通過改變開關器件的占空比來實現阻抗變化。把風力或太陽能發出直流端等效看成直流電源，DC/DC變換電路看成外部阻性負載，調節DC/DC變換電路的等效阻抗，使之在不同的外部環境下始終跟隨風力發電機或太陽能電池的內阻變化，兩者動態負載匹配就可以在DC/DC變換器的輸出直流側獲得最大輸出功率，實現風力發電或太陽能電池的MPPT。

具體選擇升壓式變換器還是降壓式變換器可根據具體設備容量來選取，一般風力發電機輸出直流電隨風速變化較大，應選擇升壓式直流變換器。而太陽能電池板最大功率跟蹤可根據蓄電池端的直流電壓選擇升壓還是降壓變換器。

針對風光互補發電系統的特點，將降壓式和升壓式變換器相結合，可得到如圖4所示的一種雙輸入DC/DC變換器。

圖4 雙輸入DC－DC變換器電路圖

其工作原理可依據功率開關T1及T2導通或截止的狀態，產生四種不同模式。

模式1:T1導通，T2截止

由于T1處于導通狀態，此時二極管VD1受反向偏壓，為截止狀態，視為開路。同時，由于T2處于截止狀態，二極管VD2導通，可視為短路。此工作模式下的等效電路如圖5a所示。太陽能電池板提供電能給負載，并對電感L及電容C充電。此工作模式電路等效于基本的降壓式變換器開關管導通時的能量儲存狀態。

模式2:T1截止，T2導通

此模式下T1為截止狀態，T2為導通狀態，此時VD1為導通狀態，可視為短路，VD2為截止狀態，可視為開路。此工作模式下的等效電路如圖5b所示。此時僅有風力機提供電能對電感L進行充電，輸出電容C則提供負載所需要的電能。此工作模式電路等效于基本降——升壓式變換器開關管導通時的能量儲存狀態。

模式3:T1截止，T2截止

由于兩切換開關均截止，此時VD1和VD2因電感電流之故，均處于導通狀態，可視為短路。此工作模式下的等效電路如圖5c所示。此時儲存于電感L的能量會釋放到負載端。此工作模式的電路等效于基本降壓式變換器的能量釋放狀態。

模式4:T1導通，T2導通

由于兩個切換開關均導通，此時VD1和VD2均處于反向偏壓截止的狀態，此時的等效電路如圖5d所示。此時兩組電壓源串聯對電感L進行充電，輸出電容則提供負載所需的電能。此工作模式的電路等效于基本降——升壓式變換器的能量儲存狀態。

5 結束語

雙輸入DC/DC變換器具有下列優點:①能夠同時將兩組直流電壓源的電能傳送至負載端。②當其中一組電源失效時，另一組電源依然能夠正常供電。③風能和太陽能兩組輸入電源可以各自通過控制該電路中開關管的通斷而達到最大輸出功率跟蹤的目的。

圖5 雙輸入DC－DC變換器不同工作模式下的等效電路

〔1〕葉杭冶等.風力發電系統的設計、運行與維護 ［M］.北京:電子工業出版社，2010.

〔2〕李鐘實.太陽能光伏發電系統設計施工與應用 ［M］.北京:人民郵電出版社，2012.

〔3〕王長貴.新能源發電技術［M］.北京:中國電力出版社，2003.