基于MPPT的小型風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)控制策略的研究

牛歡歡 ，鄭喻

(三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

基于MPPT的小型風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)控制策略的研究

牛歡歡 ，鄭喻

(三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

為了確保小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的可靠性運(yùn)行，提高能源利用率，提出了包含最大功率跟蹤控制，負(fù)載跟蹤控制和蓄電池充放電控制的功率協(xié)調(diào)控制策略，并在MATLAB/Simulink環(huán)境下搭建整個(gè)系統(tǒng)的仿真模型，驗(yàn)證了控制策略的可行性。

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)；協(xié)調(diào)控制策略；最大功率跟蹤控制；負(fù)載功率跟蹤控制

1 引言

目前，風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電作為清潔能源越來越受到人們的重視。本文是基于風(fēng)能太陽(yáng)能在季節(jié)分布上良好的互補(bǔ)性，提出了由風(fēng)力機(jī)和光伏陣列及蓄電池作為儲(chǔ)能裝置構(gòu)成的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，從而彌補(bǔ)單一能量密度低、穩(wěn)定性差，受氣象影響大等缺點(diǎn)。文中對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的MPPT控制進(jìn)行了分析探討，提出較經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的控制策略。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)由能量產(chǎn)生、能量?jī)?chǔ)存、能量消耗三個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成，總體結(jié)構(gòu)。

如圖1所示。能量產(chǎn)生環(huán)節(jié)又分為風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電兩部分；能量?jī)?chǔ)存環(huán)節(jié)由蓄電池來承擔(dān)，引入蓄電池是為了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，在整個(gè)系統(tǒng)中起到了調(diào)節(jié)能量和平衡負(fù)載的作用；能量消耗環(huán)節(jié)就是各種用電負(fù)載，可分為直流和交流兩類負(fù)載，交流負(fù)載需要逆變器連入電路。

圖1 小型風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 系統(tǒng)的功率協(xié)調(diào)控制策略

3.1 最大功率跟蹤控制

在風(fēng)光發(fā)電應(yīng)用的過程中，通過提高風(fēng)能和太陽(yáng)能的利用率來提高用戶的經(jīng)濟(jì)效益，因此，使風(fēng)力機(jī)和光伏陣列處于最大功率輸出具有重要的意義。目前，風(fēng)力發(fā)電最大功率跟蹤控制最常用的MPPT有三種：葉尖速比法，爬山發(fā)，功率信號(hào)反饋法[1]，本文中選擇的風(fēng)力發(fā)電最大功率控制方法為爬山法。太陽(yáng)能MPPT的控制常用的有電導(dǎo)增量法、擾動(dòng)與觀察法、恒定電壓法[2-4]這三種，本文在光伏陣列進(jìn)行最大功率跟蹤控制時(shí)選用的是電導(dǎo)增量法。

3.2 負(fù)載功率跟蹤控制

小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)捕獲的能量既要供給負(fù)載，又要給蓄電池充電。當(dāng)系統(tǒng)捕獲的能量大于負(fù)載和蓄電池可接受最大功率之和時(shí)，蓄電池會(huì)處于過充電狀態(tài)，此時(shí)，風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速上升，將嚴(yán)重危害系統(tǒng)的安全運(yùn)行。為了保護(hù)蓄電池和風(fēng)力機(jī)的安全，需要跟蹤蓄電池可接受的最大功率和負(fù)載所需功率之和，使風(fēng)力機(jī)的工作點(diǎn)偏離最佳葉尖速比工作點(diǎn)，進(jìn)而減小風(fēng)能的吸收，使系統(tǒng)保持在安全的狀態(tài)下運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)工作于負(fù)載功率跟蹤狀態(tài)時(shí)，由于端電壓變化不大，可以設(shè)定負(fù)載電流和蓄電池設(shè)定的充電電流作為輸入，與DC/DC變換器的實(shí)際輸出電流進(jìn)行比較，其誤差經(jīng)PI調(diào)節(jié)后產(chǎn)生PWM調(diào)制信號(hào)，通過調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)側(cè)DC/DC變換器的占空比，從而來控制動(dòng)態(tài)變化的負(fù)載電流和隨著控制方法不同而變化的蓄電池的充電電流之和，以此控制蓄電池的充電功率，使其保持在最大可接受的 蓄電池充電功率范圍內(nèi)。

圖2 負(fù)載功率跟蹤控制原理圖

3.3 蓄電池充放電控制

自然條件的隨機(jī)變化，使得小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的功率也隨之波動(dòng)，從而導(dǎo)致蓄電池很少能快速、完整地一次性給蓄電池充滿電。蓄電池的充電倍率較低大概為0.01～0.02C，放電電流較小，放電倍率大概為0.004～0.05C。針對(duì)蓄電池這種長(zhǎng)期處于浮充和循環(huán)的工作模式，本文中采用的是改進(jìn)三段式充電方法[5-6]。

在充電初期，首先檢測(cè)蓄電池的荷電狀態(tài)SOC，如果荷電狀態(tài)大于98%，表明蓄電池充滿電，對(duì)蓄電池進(jìn)行涓流充電，補(bǔ)充其自放電能量損失，使其減少發(fā)生析氣反應(yīng)。如果蓄電池荷電狀態(tài)小于98%，檢測(cè)蓄電池端電壓和電流，判斷蓄電池端電壓Uf>Uset，若Uc>Uset，進(jìn)行恒壓充電，減少水解反應(yīng)發(fā)生，避免蓄電池過充，保證蓄電池安全。若Uc

對(duì)于放電，蓄電池要設(shè)置最低放電閾值電壓，高于最低放電電壓閾值時(shí)，盡可能滿足負(fù)載需求，一旦低于這個(gè)閾值電壓，立即切斷蓄電池，避免蓄電池過放。

4 系統(tǒng)仿真模型建立

在MATLAB/Simulink環(huán)境下，建立小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，如圖3所示。光伏陣列與風(fēng)力機(jī)分別連接兩個(gè)BUCK變換器[7]，進(jìn)行功率協(xié)調(diào)控制和蓄電池充放電控制，連接到同一直流母線上。這樣充放電與功率控制使用一個(gè)變換器，節(jié)約了硬件成本。控制器采取風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電獨(dú)立控制的形式[8-9]，這樣可以防止控制器發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)完全癱瘓，不能對(duì)負(fù)載供電的危險(xiǎn)。一旦其中一個(gè)控制器發(fā)生故障時(shí)，另一個(gè)還能在自然條件允許的情況下對(duì)負(fù)載進(jìn)行持續(xù)供電。雖然成本比一個(gè)控制器集成控制要高，但是其安全系數(shù)得到了很大的提高。

5 仿真結(jié)果及分析

5.1 互補(bǔ)性分析

首先從光伏陣列來說，由于光伏陣列對(duì)溫度的影響變化沒有光照強(qiáng)度敏感，且一天之內(nèi)的溫度變化范圍并不是很大，所以把光伏陣列的溫度設(shè)置為恒定值25℃。從圖4可知，早六點(diǎn)到晚六點(diǎn)是一天中光照強(qiáng)度最大的時(shí)候，在這一時(shí)間段內(nèi)，光伏陣列一直處于追蹤最大功率的工作狀態(tài)，而在其他時(shí)間段內(nèi)，光伏陣列是處于不工作狀態(tài)。

對(duì)于風(fēng)力機(jī)，由于在夜間，風(fēng)速較大，風(fēng)力機(jī)處于負(fù)載功率跟蹤狀態(tài)，跟蹤負(fù)載和蓄電池可接受的最大功率之和。其余時(shí)間段，風(fēng)力機(jī)則處于最大功率跟蹤控制狀態(tài)。

從以上分析可以看出，在一天當(dāng)中，風(fēng)力機(jī)與光伏陣列協(xié)調(diào)工作，根據(jù)氣象條件和用戶用電需求進(jìn)行功率控制，既滿足了用戶的功率需求，又保證了蓄電池的安全。

圖3 系統(tǒng)仿真模型

圖4 互補(bǔ)性分析

5.2 充放電控制分析

對(duì)蓄電池的充放電狀態(tài)可以對(duì)照?qǐng)D5。在0～0.3s，光伏子系統(tǒng)無光照不工作，只有風(fēng)力機(jī)工作，但是負(fù)載較輕，光伏陣列和風(fēng)力機(jī)所發(fā)的功率大于負(fù)載需求，因此SOC不斷增加，蓄電池端電壓也隨之不斷增加，蓄電池進(jìn)行MPPT充電。在0.3～0.4s，光伏子系統(tǒng)和風(fēng)力子系統(tǒng)所發(fā)功率大于負(fù)載和蓄電池所能接受的最大功率之和，風(fēng)力機(jī)處于負(fù)載功率跟蹤狀態(tài)，蓄電池電壓大于預(yù)設(shè)電壓值，蓄電池處于恒壓充電階段。在0.5～0.7s，光伏陣列和風(fēng)力機(jī)所發(fā)功率不能滿足用戶用電需求，蓄電池處于放電狀態(tài)，SOC逐漸減小。在0.7～1.7s，光伏陣列所發(fā)功率較大，風(fēng)力機(jī)所發(fā)功率較小，剛剛能滿足用電需求用戶用電需求，且有小部分剩余電能進(jìn)行儲(chǔ)能，蓄電池進(jìn)行MPPT充電。在1.7～2s，風(fēng)速逐漸變大，風(fēng)力機(jī)所發(fā)功率逐漸增加，風(fēng)力機(jī)和光伏陣列所發(fā)功率大于用戶用電需求，且剩余電能較多，蓄電池進(jìn)行MPPT充電，因此SOC顯著增

圖5 充放電控制仿真結(jié)果

加。2～2.3s，加重用電負(fù)荷，光伏陣列和風(fēng)力機(jī)所發(fā)功率不能滿足用戶用電需求，蓄電池進(jìn)行放電，使得SOC不斷降低。2.3～2.4s，光伏陣列和風(fēng)力機(jī)所發(fā)功率大于用戶用電需求，蓄電池進(jìn)行充電，SOC開始增加。

6 結(jié)論

綜上分析，小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的功率控制策略很好地完成了其職能，滿足了用戶用電需求，保證了蓄電池和風(fēng)力機(jī)的安全，使系統(tǒng)在任何工況下都能處于高效、穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

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Research on Small-scal Wind and PV Hybrid Generation System Control Strategy Based on MPPT

NIUHuan-huan，ZHENGYu

(College of Electrical Engineering & New Energy,China Three Georges University,Yichang 443002,China )

In order to ensure that small wind and solar power system reliably run,improve energy′s efficiency,the coordinated control strategy based on maximum power point tracking control,load power tracking control and battery charge and discharge control is put forward,And build a simulation model of the entire system in MATLAB / Simulink environment,verified the feasibility of the control strategy.

Wind/PV hybrid power generation system;coordinated control strategy;maximum power point tracking control;load power tracking control

2015-01-21

陳媛冰(1991-)，女，碩士，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮痈哳l磁技術(shù)。

1004-289X(2015)05-0038-04

TM921

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