風光互補發電系統控制策略研究

成丁雨，李起華，連 亮，張利軍，邵 波

（山西中電科技特種裝備有限公司，山西 太原 030032）

0 引 言

社會經濟的穩定發展與能源的持續供給有著直接聯系，除了傳統發電方式，新能源發電方式，如光伏發電、風力發電、地熱能發電等，在市場中的占比也在不斷提高。風能的產生具備季節性特征，在無風期產生的電能較少，而太陽能則與光照強度也存在直接關聯，為了提高系統發電效率，如何優化風光互補發電系統運行狀態，也成為許多企業需要重點關注的問題。

1 風力發電系統控制策略

目前，主要的風電控制策略有3種：最佳葉尖速比控制、最大負載功率曲線控制及最大功率點搜索控制。

1.1 最佳葉尖速比控制

該方法在應用過程中，其主要的作用原理在于，根據所處環境風力的產生情況，對于風機輪葉的運行速率進行調整，使整個系統的運行狀態處于最佳比值的情況下，這也確保了風機運行過程的穩定性，使其可以持續穩定的對外輸出電能。在實際應用中，可以借助傳感器設備和智能管理技術，對于外界環境的風力值進行監測，結合云計算技術完成葉尖速比的計算工作，將數據計算結果與最佳最佳葉尖速比之間進行比對，隨后將差值信息傳遞給風機控制系統，接著對風電機組運行情況進行調整，從而確保系統可以維持在最佳的工作狀態。此類控制方法在實際應用中，具備操作流程簡單、調整效果明顯等應用優勢，但是為了維持最佳的工作狀態，風機系統一直處于動態調整的狀態，這也增加了系統后續維護時的應用成本。因此在實際應用中，對于該處理方法的應用相對較少。圖1為最佳葉尖速比控制原理圖。

圖1 最佳葉尖速比控制原理圖

1.2 最大負載功率曲線控制法

該處理方法的工作原理在于，借助數據處理技術、云計算技術等方法，對于風電機組的輸出情況進行分析，為了提升數據分析結果的直觀性，會對外進行曲線圖的輸出，根據曲線圖明確目前對應功率的最佳取值點，將該點作為風電機組工作調整的重要參數。相比于其他的處理方法，該方法在應用過程中，不需要對目前環境中的風速進行測量，提高了檢測過程的便捷性，而且對機組運行功率進行調整的過程相對簡單，具備較高的應用價值。圖2為最大負載功率法控制原理圖。

1.3 最大功率點的搜索控制

最大功率點的搜索控制也屬于常用的控制方法，此類方法在實際應用中，又被稱作是擾動觀察法。其應用原理在于，對機組出口功率與轉動速度之間的關系進行深入研究，在風機轉速來到某一轉折點時，其輸出功率處于最大的運行狀態，確定該轉折點的具體位置和相關聯的其他參數信息，以此為基礎來調整風電機組的運行狀態，從而提高風機工作狀態的可靠性。

圖2 最大負載功率法控制原理圖

在理想狀態下，風機運行到最佳的輸出功率位置，保持該狀態便可以滿足電能穩定輸出的要求，即不需要對其進行擾動，結構在該狀態下可以維持持續輸出的狀態。不過從實際的運行情況來看，該狀態并不會一直被維持，擾動的情況一直處于持續輸出的狀態，而且擾動情況也具備著多變性，對此需要結合擾動變化情況，對于結構的運行功率進行調整，從而提高整個系統運行的可靠性[1]。

與最大負載功率曲線控制法相類似，該控制方法也不需要對目前所處環境的運行風速進行監測，而且不需要對風電機組的轉速情況進行監測，具備了非常高的運行穩定性。同時，系統還具備較高的自動化特性，能夠結合實際情況對系統的運行狀態進行動態調整。不過系統在實際運行中，即便外界環境一直處于穩定的風速狀態，在實際應用中，其內部輸出功率也會出現一些波動，此類波動具備較高的不可控性，利用該方法也無法完全消除此類情況，但是可以將其控制在較為合理的擾動范圍內，從而影響到系統正常的運行情況。圖3為最大功率點的搜索控制原理圖。

2 光伏發電系統的控制策略

在光伏發電系統運行的過程中，其發電效率和許多的外在因素有著直接地關聯，如外界環境中的日照環境、氣候溫度等。假定外界光照與溫度處于比較穩定的狀態，此時系統的出口阻抗也會處于某一固定數值，在系統外接負載阻抗數值與系統輸出阻抗值保持一致時，系統處于最佳的工作狀態，輸出功率也達到了最高[2]。為了確保光伏系統發電過程的可靠性，也需要對其做好產出功率跟蹤，目前常用的跟蹤方法如下。

2.1 恒壓控制法

結合以往的數據，能夠總結出系統運行過程中合理的運行曲線，對曲線中的相關內容展開分析，可以發現在區域光照強度處于某一穩定狀態下時，曲線中存在某一拐點位置所對應的發電功率處于最大值。因此，在假定外界溫度處于均衡狀態時，可以通過調整系統的產出電壓來計算出調節系統的具體產出功率，對于電壓輸出情況進行追蹤，從而確定最佳功率點的輸出位置。通常情況下，此類方法也被稱作是恒壓替代法，該方法可以忽略掉外界溫度對于系統輸出功率的影響，不過從實際應用環境來看，系統所在外界環境的溫度一直處于動態變化的過程中，因此利用該方法所測定出的數值并不一定代表最大功率。雖然此類方法的應用過程便捷度高、操作過程比較簡便，但是精準度較低，不適用一些高精準度要求的場所[3]。圖4為恒壓控制法原理圖。

2.2 擾動觀察法

該方法從應用原理上來看，與最大功率點的搜索控制相類似，其應用原理在于，對系統的電壓和電流的關系進行深入研究，并且在系統運行的過程中提供一個擾動關系，隨后對系統表現情況生成曲線圖，在系統來到某一轉折點時，其輸出功率處于最大的運行狀態，確定該轉折點的具體位置和相關聯的其他參數信息，以此為基礎來調整光伏系統的運行參數，從而提高系統工作狀態的可靠性。與其他的控制應用方法相比，該控制方法的最大的應用優勢在于，能夠非常快速地完成最大功率的確定工作，并且應用的成本相對較低，具備較高的適應性。不過該方法對于溫度的敏感性較高，而且也不具備較高的精準度，因此常用于一些小型的運行系統[4]。圖5為擾動觀察法原理圖。

3 蓄電池控制策略

在系統設計過程中，對蓄電池結構進行優化設計有著非常重要的作用，并且對于互補系統而言，蓄電池在前期的應用成本占比也較高，如何在確保蓄電池儲能效果的基礎上，延長蓄電池結構的使用壽命，從長久利益來看，該做法能夠提高系統運行的可靠性，減少了相關運行成本的支出。結合現有條件，能夠選擇的充電策略包括恒壓充電法、恒流充電法和兩段式充電法。

從綜合性價比情況來看，恒壓充電法或者是恒流充電法在應用過程中，都存在著不同的應用弊端，對此在條件允許的情況下，應優先選擇兩段式充電法來作為蓄電池的充能形式。在實際應用的過程中，一般會選擇在前期利用恒流充電法來完成既定的充電任務，隨后再利用恒壓充電法來完成后續的充電任務。蓄電池在此過程中，能夠避免被巨大電流持續沖擊的情況，從而將蓄電池的溫度控制在合理范圍內，減少了電能外泄漏的可能性。但是此類充電模式在充電之前如果蓄電池存在放電的情況，那么其內部結構會受到一些損傷，在強電流刺激下，會出現不可逆傷害的情況。因此，在實際的應用過程中，還會在原有充電模式的基礎上增加浮充充電模式，借助三階段充電的方法，可以對蓄電池結構本身的性能進行改善，從而起到延長系統使用壽命的作用。

圖3 最大功率點的搜索控制原理圖

圖4 恒壓控制法原理圖

圖5 擾動觀察法原理圖

4 結 論

本文主要介紹了風光互補系統的各部分子系統的控制策略，以供參考。