風光互補發電系統MPPT及儲能控制策略研究

王寧，陳磊，馮良韜

（1.華北理工大學輕工學院，河北唐山063000；2.華北理工大學研究生學院，河北唐山063000；3.國網冀北電力有限公司唐山供電公司，河北唐山063000）

綠色發展

風光互補發電系統MPPT及儲能控制策略研究

王寧1，陳磊2，馮良韜3

（1.華北理工大學輕工學院，河北唐山063000；2.華北理工大學研究生學院，河北唐山063000；3.國網冀北電力有限公司唐山供電公司，河北唐山063000）

探討了風光互補發電系統MPPT及儲能控制策略及相關問題，分析了風光互補常用MPPT算法，研究了相關風光互補發電系統各子系統的控制策略及仿真研究。

風光互補發電系統；MPPT；儲能控制

引言

伴隨著近兩個多世紀的工業革命，地球的資源被大量開發與利用，資源的過渡開發與浪費已經造成了生態破壞、環境污染以及迫在眉睫的能源危機；為了解決此類關系到人類生存的問題，全世界范圍內興起了對新能源的研究與開發利用，比如，風能、太陽能等可再生能源。而在新能源利用的研究領域也逐漸出現了風光互補能源的相關研究。本文就以此作為切入點，探討風光互補發電系統MPPT及儲能控制策略及相關問題。

1　風光互補發電系統概述

風光互補發電系統的主體結構主要是太陽能+風力發電機，其中利用AC/DC變換器、交流與直流負載共同完成雙向變換，以完成在蓄電池的能量儲存。其中，光伏發電主要是對太陽光輻射的能量轉換，使其成為電能；而風力發電系統，則是將風能轉換為電能；蓄電池的工作原理比較簡單，以電動勢、電化反應為主，通常以氧化還原反應即可進行放電過程與充電過程的理解；AC/DC變換器包括升壓性、降壓性與升降壓性等較為常見，該系統中的控制器比較關鍵，控制策略包括對光伏、風力發電系統最大功率的跟蹤控制、實測吞吐能力削峰填谷能力對功率的平抑控制。

2　風光互補常用MPPT算法

2.1基本原理

MPPT，意思是整個調節歷程或稱作最大功率點跟蹤。可以通過簡單的線性電路對其加以說明。根據一般的功率公式可知，R0耗損功率則根據求導后的公式可以得到，則其功率損耗最大。因此，在一般的線性電路中，可以通過外部負載阻抗調整為電源內阻值，以達到最大功率輸出；當然這種調整只能規定在較短的時間范圍內；那么，由此可以將變換器看成在外環境變化時的外阻，而通過調整它的占空比達到對電源內阻變化情況的跟蹤，從而實現對內阻與外阻的有效調整，從而達到所謂的能量最大值，即實現MPPT［1］。

2.2選取適用算法

第一，在恒定電壓法（CVT）方面，易于實現，且在最大功率處輸出電壓穩定，但精度較差，實際的應用乏善可陳；而在實際測量方法（AC）方面，能夠對光伏電池應用方面的老化問題進行避免，也就是說能夠在準確度方面略勝一籌，但成本高，當出現局部遮陰時，易出現多峰值，處理比較麻煩；開路電壓比例系數法（OCV）能夠在最大功率點處于穩定狀態，但系數選擇方面的工路電壓易引起供電間斷；還有其他諸如短路電流比例系統數法（SEC）、三點中心比較法、占空比擾動法、電導增量法、最優梯度法等，都各自有優勢與不足。

第二，本次研究以光伏、風力MPPT控制為主，在光伏MPPT控制方面，根據定步長、變步長這兩種形式，利用擾動觀察法，通過對占空比的調節達到控制目的；比如，步長偏大，輸出功率震蕩、穩定性差；偏小則響應時間長、動態性差；所以，在步長方面，設置自適應算法，利用調整器完成穩態性能的實現；可以通過如下公式進行表達，即：

式中：β（k）為步長，則取值范圍為（0，1）；k為常量，根據自適應步長調整靈敏度可以得到。功率的變化值dP=P（k）-P（k-1）。

具體的實現過程或操作流程為，第一步：對I0、V0讀取；第二步：令Ik-1=I0=V0，第三步：進行數值的I（k）/V（k）讀取；第四步：計算P（k）、dP；第五步：代入上面的公式，直至其功率最大值為0；第六步：達到尋優目的。

第三，風力發電MPPT控制方面，主要是對輸出電壓電流的初始化，并對風輪機轉速取值，從而通過對風力發電輸出電壓、電流數據的采集，達到對最大功率點與對應風輪機轉速值的搜索；然后進行具體數值設定，計算功率，改變PWM占空比，達到MPPT控制的實現［2］。

3　風光互補發電系統子系統的控制策略

3.1光伏子系統控制

首先，本次研究中，通過MATLAB/SIMULINK搭建光伏電池仿真模型，從而達到對光伏電池最大功率跟蹤仿真模型的實現；其中的參數如下：開路電壓320 V、短路電流10.65 A、最大功率電壓300 V、最大功率電流10.25 A、串聯電阻2.000 Ω、電壓電流溫度系數為0.700/0.015。其次，通過仿真實驗分析能夠了解到，采用傳統的算法跟蹤在整個過程中，會出現相對性的震蕩，因而輸出具有不穩定性，但是，通過本次研究中所選擇的方法，則可以解決相關的問題，提升跟蹤速度至0.1 s內，而且尋優的效果非常明確，同時也更好的解決了穩態誤差所造成的最大功率不穩定問題。

3.2風力發電子系統控制

首先，按照MATLAB/SIMULINK搭建風力機仿真模型，其發電機參數包括定子等效電阻0.05 Ω、定子繞組的d軸電感0.006 35 Hz、q軸電感0.006 35 H、磁通系數0.194 4、轉動慣量0.192 kg·m2，以及極對數36；其次，需要選擇永磁同步發電機、變換器、MPPT控制器等相關模塊，然后共同組建風力發電系統模型，其中的系統基本參數可以選擇額定風速8 m/s，風輪半徑1.6 m。根據仿真分析，最后得到的最大功率點在0.2 s時［3］。

3.3蓄電池在SIMULINK里的建模

蓄電池模型有實驗型、化學型、等效電路型，最后一種為動態模擬分析合適類型；平抑的作用在于儲能環節的能量調節，因此，是對輸出功率間歇性的控制，以及對電量損耗或不夠的預防；本次研究選擇蓄電池模塊、雙向變換器DC-DC，然后達到開關段Q1與Q2的互補。

4　風光互補聯合發電系統儲能控制策略的仿真

首先，聯合發電系統中的調節對象在于能量產生環節與消耗環節，其中會受到外界各條件的影響，也包括多個隱形模式與供電模式；蓄電池的一種狀態為充電過程的負載、另一種是放電過程的電源性性質；但在兩種共同作用時，其功率之合大于參考功率，所以結果是充電性制裁，相反的情況則是放電性質。那么為了達到平抑，就需要做好控制，通常來看，控制策略流程可以選擇有風無光、有光無風兩種狀態，然后，再進一步深入分析，得到聯用的運行模式。其次，通過MATLAB/SIMULINK搭建仿真模型，風力機1.5 M、光伏風光蓄電聯合發電系統以500 kW為準構建仿真模型，根據此次研究發現，系統輸出功率有波動，所以，需要通過對儲能量的快速吞吐能力的有效發揮來實現削峰填谷的功能，從而利用儲能環節達到功率的參考電量滿足，以此降低電量的波動性，提高對能源的利用率［4］。

5　結語

在研究風光互補發電系統方面，需要做好基本結構的搭建、工作原理的分析，并對MPPT控制算法進行具體探討；利用對仿真建模的研究，開展具體的仿真分析，在充分的理論基礎之上，對風光互補功能加以仿真，并使其達到最大化的功能體現與能源的最有效利用；另一方面，需要認識到這一系統的龐大、復雜性，并且對這一工作模式進行進一步的深入研究，并盡可能地結合實踐工作進行不斷的方案優化與流程改造，使其在專業化的發展方向上獲得更好的完善與利用。

［1］胡曉青，程啟明，白園飛，等.基于三環反饋解耦控制策略的儲能元件在風光互補微網系統中的應用［J］.電力系統保護與控制，2013（13）:97-103.

［2］蔡國偉，孔令國，楊德友，等.大規模風光互補發電系統建模與運行特性研究［J］.電網技術，2012（1）:65-71.

［3］艾斌，楊洪興，沈輝，等.風光互補發電系統的優化設計（Ⅰ）CAD設計方法［J］.太陽能學報，2003（4）:540-547.

［4］李少林，姚國興.風光互補發電蓄電池超級電容器混合儲能研究［J］.電力電子技術，2010（2）:12-14.

（編輯：苗運平）

Study on the Wind Solar Hybrid Power Generation System MPPT and the Control Strategy of Energy Storage

Wang Ning1，Chen Lei2，Feng Liangtao3
（1.Qinggong College，North China University of Science and Technology，Tangshan Hebei 063000；2.North China University of Science and Technology Graduate School，Tangshan Hebei 063000；3.State Grid North Hebei Electric Power Co.，Ltd.Tangshan Power Supply Company，Tangshan Hebei 063000）

This paper examines the scenery complementary power generation system MPPT and storage control strategies and related issues，analysis the scenery complementary common MMPT algorithm studied scenery complementary research on control strategy and Simulation of power system，subsystem.

wind and solar hybrid power generation system；MPPT；energy storage control

TM61

A

2095-0748（2016）13-0026-03

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.13.09

2016-05-30

河北省科技廳項目“基于風光互補發電并網系統儲能控制研究”（15214511）。

王寧（1977—），女，河北唐山人，碩士研究生，畢業于河北理工大學，館員，研究方向：控制工程中的網絡集成技術。