一種風(fēng)光互補系統(tǒng)的容式儲能弱功率跟蹤控制充電方法

何建國+++傅定文+++趙宏波+++李林強(qiáng)+++敖選+++付文佳

摘 要：風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電由于其無污染、資源豐富等諸多優(yōu)點，對保護(hù)環(huán)境，改善能源結(jié)構(gòu)具有重要意義。控制器是風(fēng)光互補系統(tǒng)的核心，目前采用常規(guī)的是風(fēng)力和太陽能發(fā)電輸出的電能經(jīng)整流濾波電路后變成直流電，這種方法在風(fēng)速相對較低或者弱光照的時候，有時產(chǎn)生電壓甚至低于蓄電池的電壓，發(fā)出的電能不能被充入蓄電池而損失。針對以上存在問題，該研究針對這種充電方式提出一種風(fēng)光互補系統(tǒng)的容式儲能弱功率跟蹤控制充電方法，該方法使系統(tǒng)在低風(fēng)速或弱光照時利用這一部分能量并有效的對蓄電池充電，提高風(fēng)力和太陽能發(fā)電系統(tǒng)的能量利用率。

關(guān)鍵詞：風(fēng)光互補；容式儲能；弱功率跟蹤；充電

1 概述

風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電由于其無污染、資源豐富等諸多優(yōu)點，對保護(hù)環(huán)境，改善能源結(jié)構(gòu)具有重要意義。由于風(fēng)能和太陽能在資源條件和技術(shù)應(yīng)用上都有很好的互補性。隨著新能源發(fā)電的不斷推廣與風(fēng)光互補發(fā)電技術(shù)的不斷成熟[1]，風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)作為一種靈活、較為穩(wěn)定的能源供給系統(tǒng)必將成為今后新能源發(fā)展的熱點，并將得到廣泛的發(fā)展與應(yīng)用。

風(fēng)能和光伏的天然波動性是無法控制的[2]，風(fēng)力發(fā)電的實際風(fēng)能利用系數(shù)低于0.593，太陽能存在天陰、早晚弱光照等低功率無法利用的情況，因此充分利用發(fā)電輸出量是很重要的。目前風(fēng)光互補發(fā)電控制系統(tǒng)中風(fēng)力和太陽能發(fā)電輸出的電能經(jīng)整流濾波電路后變成直流電，采樣控制電路通過采集風(fēng)力發(fā)電機(jī)或太陽板發(fā)電數(shù)據(jù)、蓄電池充放電的電壓電流數(shù)據(jù)，確定是否閉合開關(guān)電路對蓄電池進(jìn)行充電。在風(fēng)速高或光照強(qiáng)的時候，這種控制方法效果不錯，可是在風(fēng)速相對較低或者弱光照的時候，風(fēng)機(jī)或太陽能所產(chǎn)生的電壓電流都比較低，這樣的小電流對蓄電池充電效率很低，有時產(chǎn)生的電壓甚至低于蓄電池的電壓，過低的充電電壓，可能引起電池深度放電[3]。目前關(guān)于風(fēng)光互補發(fā)電的技術(shù)主要針對的是太陽能和風(fēng)能的充電控制，但未對弱功率充電有專門的研究。

2 容式儲能弱功率跟蹤控制原理

2.1 容式儲能弱功率跟蹤控制技術(shù)

電能的存儲環(huán)節(jié)主要圍繞蓄電池進(jìn)行，它在整個系統(tǒng)中能起到能量調(diào)節(jié)和平衡負(fù)載的作用[4]。在風(fēng)速相對較低或者弱光照的時候，風(fēng)機(jī)或太陽能光伏組件所產(chǎn)生的電壓電流都比較低，這樣的小電流對蓄電池充電效率很低，有時產(chǎn)生的電壓甚至低于蓄電池的電壓，發(fā)出的電能不能被充入蓄電池而損失。容式儲能弱功率跟蹤控制技術(shù)通過在蓄電池前加一個容量很大的電容儲能器件，將低風(fēng)速或弱光照時風(fēng)機(jī)和組件所發(fā)出的電能先對這個儲能器件充電，然后再通過“跟蹤控制系統(tǒng)”對蓄電池充電，從而使風(fēng)機(jī)和組件所產(chǎn)生的電能得到充分的利用，提高風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的能量利用率。

2.2 負(fù)載跟蹤控制技術(shù)

與太陽能發(fā)電系統(tǒng)一樣，當(dāng)風(fēng)力機(jī)輸出能量多于負(fù)載和蓄電池吸收的能量時，可采用負(fù)載跟蹤控制來調(diào)節(jié)系統(tǒng)功率輸出。負(fù)載跟蹤控制使風(fēng)力機(jī)葉尖速比偏離最佳值，從而降低風(fēng)能利用系數(shù)，以保證風(fēng)機(jī)的輸出功率與負(fù)載消耗功率和充入蓄電池的功率相匹配?？刂破鲗⑿铍姵氐某潆婋娏髋c負(fù)載電流之和作為給定輸入與DC/DC變換器的輸出電流進(jìn)行比較，將其誤差經(jīng)過PID調(diào)節(jié)后產(chǎn)生PWM控制信號來調(diào)節(jié)DC/DC變換器的占空比[5]，從而實現(xiàn)負(fù)載跟蹤控制。負(fù)載跟蹤控制可使變換器的輸出電流始終滿足蓄電池和負(fù)載的需要，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率始終與負(fù)載功率和充入蓄電池的功率之和相平衡。

3 容式儲能弱功率跟蹤控制充電裝置

圖1為控制方法工作原理圖，圖中1為風(fēng)力和太陽能發(fā)電、2為整流濾波電路、3為第一開關(guān)電路、4為第二開光電路、5儲能元件、6控制采樣電路、7蓄電池、8控制中心。

裝置工作流程：風(fēng)力和太陽能發(fā)電組件配置的風(fēng)機(jī)和太陽板額定電壓為蓄電池電壓的1.6倍，當(dāng)風(fēng)力比較強(qiáng)或者太陽光照比較強(qiáng)的時候，控制中心通過控制采樣電路。對整流濾波電路上輸出的電壓值實時采樣為高電位值，則控制中心發(fā)出指令同時閉合第一開關(guān)電路和第二開關(guān)電路，這時風(fēng)力和太陽能發(fā)電組件產(chǎn)生的電能經(jīng)整流濾波電路后直接對蓄電池進(jìn)行充電；當(dāng)風(fēng)力較弱或者陽光照射不足時，控制中心通過控制采樣電路對整流濾波電路上輸出的電壓值實時采樣為低電位值，這時由于蓄電池的拉低作用，使這個電壓值小于能夠繼續(xù)對蓄電池充電的電壓，控制中心發(fā)出指令將第一開關(guān)電路閉合，第二開關(guān)電路斷開，由風(fēng)力和太陽能發(fā)電組件先對儲能元件充電，當(dāng)儲能元件的電壓充電達(dá)到1.25倍蓄電池電壓時，控制中心發(fā)出指令斷開第一開關(guān)電路，對儲能元件的充電完成，緊接著控制中心發(fā)出指令閉合第二開關(guān)電路，這時儲能元件開始對蓄電池充電，完成一整個充電循環(huán)。這樣的充電循環(huán)通過控制中心的控制不斷進(jìn)行，直到蓄電池充滿為止。這樣在風(fēng)力較弱或者陽光照射不足時，風(fēng)力和太陽能發(fā)電組件產(chǎn)生的弱電能也能夠?qū)π铍姵赜行С潆姡瑥亩岣吡孙L(fēng)力和太陽能發(fā)電的能量利用率。

控制原理：包括高風(fēng)速或太陽光較強(qiáng)時充電控制、低風(fēng)速或太陽光較弱時充電控制。

4 結(jié)束語

容式儲能弱功率跟蹤控制系統(tǒng)，通過測量充電電壓，對比充電閾值，合理的控制充電回路，能夠充分利用低風(fēng)速或弱光照時產(chǎn)生的電能對電池充電，提高了系統(tǒng)的能量利用率，電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，控制穩(wěn)定實效，可用于中小功率的風(fēng)光互補系統(tǒng)，如風(fēng)光互補路燈。風(fēng)光互補容式儲能弱功率跟蹤控制充電系統(tǒng)，低風(fēng)速或弱光照時，風(fēng)力和太陽能發(fā)出的電流電壓較低，不能對蓄電池有效充電，在蓄電池前加一個容量較小的電容儲能元件，在低風(fēng)速或弱光照情況時風(fēng)力和太陽能發(fā)出的電能先對這個儲能元件充電，然后再通過這個儲能元件對蓄電池充電，從而使風(fēng)力和太陽能產(chǎn)生的電能得到充分的利用，實現(xiàn)風(fēng)光互補系統(tǒng)充電效益最大化，還能減小電池板或風(fēng)機(jī)配比，降低成本。

參考文獻(xiàn)

[1]王銀杰，胡國文，王林.風(fēng)光互補智能充電控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計[J].能源研究與信息.

[2]張學(xué)慶，劉波，葉軍，等.儲能裝置在風(fēng)光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].華東電力，2010（01）：1894-1896.

[3]柳厚填，周偉舫.充電電壓對鉛蓄電池及其電極性能的影響[J].復(fù)旦學(xué)報（自然科學(xué)版），1988，27（452）：52.

[4]劉燁.離網(wǎng)型風(fēng)光互補路燈系統(tǒng)智能控制器的研究[D].泉州：華僑大學(xué)，2011.

[5]滕道樣.小功率風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤之變步長擾動法研究[J].徐州工程學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2012（04）：20-22.