共直流母線式風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的仿真研究

南國(guó)君， 丁 明， 王貽玲

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 教育部光伏系統(tǒng)工程研究中心，安徽 合肥 230009；2.合肥供電公司 調(diào)度所，安徽 合肥 230022）

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人類(lèi)對(duì)能源的需求日益增加，開(kāi)發(fā)可再生能源成為實(shí)現(xiàn)世界各國(guó)能源發(fā)展戰(zhàn)略的重大舉措。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)、光伏發(fā)電技術(shù)現(xiàn)已成熟，近幾年發(fā)展速度飛快，成為可再生能源中重點(diǎn)發(fā)展的領(lǐng)域。風(fēng)能和太陽(yáng)能都具有能量密度低、穩(wěn)定性差的弱點(diǎn)，并受到地理分布、季節(jié)變化、晝夜交替等影響。然而太陽(yáng)能與風(fēng)能在時(shí)間上和地域上有一定的互補(bǔ)性，利用太陽(yáng)能、風(fēng)能的互補(bǔ)特性，可以獲得比較穩(wěn)定的總輸出，有效解決無(wú)風(fēng)或無(wú)陽(yáng)光電力供應(yīng)中斷問(wèn)題，提高供電的穩(wěn)定性和可靠性，可大大減小儲(chǔ)能蓄電池的容量，因此風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)已經(jīng)成為新能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)外均開(kāi)始了對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)的研究，大多集中于互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的靜態(tài)體系結(jié)構(gòu)的研究、底層發(fā)電、蓄能設(shè)備的配置及控制、系統(tǒng)仿真等。文獻(xiàn)［1］提出了風(fēng)／光復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)（WSHPS）結(jié)構(gòu)仿真的一般數(shù)學(xué)模型，包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義、系統(tǒng)各部件數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上，在C＋＋Builder環(huán)境下開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的仿真軟件；文獻(xiàn)［2－3］在設(shè)計(jì)風(fēng)光互補(bǔ)獨(dú)立供電系統(tǒng)優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，用包含精英策略的遺傳算法優(yōu)化，以自適應(yīng)罰函數(shù)法處理約束；文獻(xiàn)［4］提出一種基于改進(jìn)微分進(jìn)化算法的風(fēng)光互補(bǔ)混合供電系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化配置模型，在滿(mǎn)足獨(dú)立供電系統(tǒng)基本性能指標(biāo)的前提下，構(gòu)造出以系統(tǒng)投資成本、運(yùn)行成本、維持系統(tǒng)供電可靠性等綜合成本最小為目標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)；文獻(xiàn)［5］提出了優(yōu)化風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。

本文詳細(xì)分析了風(fēng)力發(fā)電技術(shù)、光伏發(fā)電技術(shù)以及風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)，設(shè)計(jì)共直流母線式風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，討論了該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工作原理和控制策略，并利用PSCAD軟件建立風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電的仿真模型，在風(fēng)速及日照強(qiáng)度變化下對(duì)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，獲得了較好的效果。

1 共直流母線式風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

共直流母線式風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏陣列（PV）、風(fēng)力發(fā)電機(jī)（Wind Power）、斬波電路（DC／DC）、整流電路（AC／DC）及并網(wǎng)逆變電路（DC／AC）5部分組成，如圖1所示。光伏陣列經(jīng)太陽(yáng)光照射發(fā)出直流電，經(jīng)DC／DC升壓送到直流母線；風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出交流電，必須經(jīng)過(guò)AC／DC轉(zhuǎn)換成直流電并入直流母線；直流母線上的電能經(jīng)過(guò)DC／AC轉(zhuǎn)換成交流電供給當(dāng)?shù)刎?fù)荷使用或者并入電網(wǎng)。該系統(tǒng)發(fā)出的電能是光伏與風(fēng)力兩者發(fā)出的功率之和，并且并網(wǎng)運(yùn)行能夠保證直流母線電壓的穩(wěn)定。光伏陣列、風(fēng)力機(jī)以及變流器的控制都是實(shí)現(xiàn)上述功能的關(guān)鍵。

圖1 共直流母線式風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

2 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)建模及變流器控制

2.1 光伏陣列模型及DC／DC的控制

光伏陣列是由若干光伏電池根據(jù)負(fù)載需要，經(jīng)過(guò)串、并聯(lián)組成。根據(jù)太陽(yáng)電池的伏安特性曲線以及物理模型，得其數(shù)學(xué)模型［6］為：

其中，I為輸出電流；Iph為光照產(chǎn)生的電流；I0為電池的反面飽和電流；q為電子電荷電量；V為輸出電壓；A為光伏電池中半導(dǎo)體器件的P－N結(jié)系數(shù)；K為玻爾茲曼常數(shù)；T為電池溫度；Rs、Rsh為等效電阻。

光伏陣列輸出的電能為直流電，但其電壓通常比較低，需要通過(guò)斬波電路（DC／DC）將其升高到直流母線電壓值，才能輸入母線。其原理是將原直流電通過(guò)調(diào)整其PWM（占空比）來(lái)控制輸出的有效電壓的大小。同時(shí)為最大限度地使用太陽(yáng)能，光伏陣列需要保持最大功率輸出，因此有必要加入最大功率跟蹤控制，目前最大功率跟蹤控制的方法普遍采用擾動(dòng)觀察法，通過(guò)調(diào)整斬波電路的占空比來(lái)調(diào)整光伏陣列的工作電壓，使得光伏陣列以最大功率輸出，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 光伏陣列控制結(jié)構(gòu)

2.2 風(fēng)力機(jī)模型及AC／DC的控制

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由風(fēng)力機(jī)、同步電機(jī)、整流裝置組成。風(fēng)力機(jī)數(shù)學(xué)模型［7］如下，風(fēng)輪實(shí)際輸出的機(jī)械功率Pm為：

其中，Pw為通過(guò)風(fēng)輪掃掠面積的風(fēng)的功率。葉片吸收風(fēng)能后產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為：

其中，ρ為空氣密度；v為風(fēng)速；R為葉片的掃風(fēng)半徑；Cp（λ，β）為風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)；λ為葉尖速比；β為槳距角；ω為風(fēng)力機(jī)的旋轉(zhuǎn)角速度。

在風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中風(fēng)力發(fā)電機(jī)通常采用直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)，直驅(qū)型同步發(fā)電機(jī)具有成本低、維護(hù)費(fèi)用低、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)。直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)的輸出為交流電，需要通過(guò)整流裝置變換成直流電并入直流母線［8］，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)?/p>

該整流裝置的控制目標(biāo)為低于額定風(fēng)速（電壓）時(shí)，控制器依功率控制方式跟蹤風(fēng)力機(jī)的功率變化；高于額定風(fēng)速（電壓）時(shí)，通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)限制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使之接近恒功率運(yùn)行。

2.3 逆變器DC／AC的控制

直流母線上的電能需要經(jīng)并網(wǎng)逆變器DC／AC轉(zhuǎn)換成交流電供給當(dāng)?shù)刎?fù)荷使用或者并入電網(wǎng)，同時(shí)直流母線電壓需要通過(guò)控制DC／AC來(lái)穩(wěn)定，因此DC／AC的控制技術(shù)成為風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電的關(guān)鍵。采用PWM逆變方案可以實(shí)現(xiàn)直流電壓的穩(wěn)定，且功率因數(shù)可調(diào)［9－10］，控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 PWM逆變器雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)

該控制系統(tǒng)為雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，外環(huán)為電壓環(huán)，內(nèi)環(huán)為并網(wǎng)電流環(huán)，同時(shí)該方案采用了電流解耦控制，控制電流直軸分量Id、交軸分量Iq可以控制系統(tǒng)的有功功率和無(wú)功功率輸出。Iqref設(shè)定為0，系統(tǒng)輸出的無(wú)功功率值為0，即實(shí)現(xiàn)了單位功率因素控制。

3 仿真分析

3.1 仿真系統(tǒng)的建立

根據(jù)圖1共直流母線式風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，在EMTDC軟件中搭建了仿真系統(tǒng)，如圖5所示。圖5中，PV模塊為光伏陣列；WG模塊為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，根據(jù)光伏系統(tǒng)以及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，利用EMTDC軟件中的編程功能搭建而成；DC／DC、AC／DC、DC／AC 3個(gè)模塊分別為斬波電路、整流電路、逆變電路，分別利用EMTDC軟件中的創(chuàng)建新模塊，將復(fù)雜的電路整合在模塊中，使得仿真系統(tǒng)圖形清晰并且易修改；Z1、Z2為線路阻抗；Load為負(fù)荷。

圖5 仿真系統(tǒng)圖

系統(tǒng)參數(shù)為：光伏陣列的容量為Ppv＝10kW，風(fēng)力發(fā)電機(jī)為直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)，容量為Pwd＝20kW。線路參數(shù)Z1＝Z2＝R1＋X1，R1＝0.06Ω，X1＝0.01Ω，負(fù)荷的有功和無(wú)功分別為10kW和5kVar。直流母線電壓Vdc＝1 000V，日照強(qiáng)度S＝1 000W／m2，溫度θ＝30℃?？諝饷芏圈眩?.225kg／m3；風(fēng)速v＝12m／s；葉片的掃風(fēng)半徑r＝4m；風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)Cp＝0.28，系統(tǒng)電壓Vs＝0.4kV，直流母線電壓Udc＝1 000V，電網(wǎng)頻率fn＝50Hz，載波頻率fs＝3 000Hz，濾波電感Lf＝0.6mH，濾波電容Cf＝1 500μF。本文對(duì)于光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤方法采用擾動(dòng)觀察法，而風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)未采用最大功率追蹤，電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為一定值。并網(wǎng)逆變器采用單位功率因數(shù)控制。

3.2 仿真結(jié)果

在風(fēng) 速v＝12m／s、日 照 強(qiáng) 度S＝1 000W／m2、溫度θ＝30℃等參數(shù)不變的情況下，對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，仿真時(shí)間為50s，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 條件不變時(shí)風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)仿真

從圖6可看出，光伏陣列的電流輸出值經(jīng)過(guò)短暫時(shí)間后穩(wěn)定在29.6A。光伏陣列的有功輸出值為9kW保持不變。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的有功輸出由于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)剛啟動(dòng)有功輸出大幅波動(dòng)，經(jīng)過(guò)2.5s的調(diào)整，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的有功輸出穩(wěn)定在13.15kW。風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的有功輸出穩(wěn)定值為22kW，風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的無(wú)功輸出穩(wěn)定值為0.16kVar，直流母線的電壓值為1kV。

從圖6可以看出，在外部環(huán)境不變的情況下，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的輸出值穩(wěn)定不變。光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤方法采用擾動(dòng)觀察法，尋找最大功率點(diǎn)的速度非常快，并且采用Boost升壓電路，完成最大功率控制的同時(shí)將光伏工作電壓升高到直流母線電壓值。采用電流解耦控制的逆變系統(tǒng)，將風(fēng)光系統(tǒng)的有功值充分輸出的同時(shí)，無(wú)功量輸出值非常小，無(wú)功輸出與有功輸出比值為0.007，接近單位功率因數(shù)。直流母線電壓值始終穩(wěn)定在1kV，逆變系統(tǒng)完成了穩(wěn)定直流母線電壓的目的。

當(dāng)仿真到15s時(shí)，日照強(qiáng)度從1 000W／m2增加到1 500W／m2，仿真到30s時(shí)，風(fēng)速?gòu)膙＝12m／s增加到v＝14m／s，溫度θ＝30℃不變的情況下，對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可看出，光伏陣列的電流輸出值經(jīng)過(guò)短暫時(shí)間后穩(wěn)定在29.6A，仿真到15s，隨著日照強(qiáng)度上升，其輸出電流也上升至30.8A穩(wěn)定。光伏陣列的有功輸出在15s前為9kW，日照強(qiáng)度上升后有功輸出也隨之增加到9.5kW。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的有功輸出經(jīng)過(guò)2.5s的調(diào)整穩(wěn)定在13.15kW，到30s，有功輸出增加到19kW穩(wěn)定。風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的有功輸出仿真到15s，從22kW增加至22.5kW，到30s又增加到28.3kW。風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的無(wú)功輸出15s前為0.16kVar，15s后增加至0.17kVar，到30s又增加到0.22kVar。直流母線的電壓始終穩(wěn)定在1kV，只在15s與30s時(shí)輸出值小幅波動(dòng)。

從圖7可以看出，在外部環(huán)境變化（風(fēng)速、日照強(qiáng)度）的情況下，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的輸出值也發(fā)生了變化。日照強(qiáng)度增加，光伏陣列的輸出電流以及功率都隨之增加，風(fēng)速增加，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的有功輸出也增加，風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的有功輸出也增加，無(wú)功增加少許。隨著日照強(qiáng)度增加，光伏陣列的最大功率點(diǎn)也會(huì)發(fā)生變化，最大功率點(diǎn)跟蹤控制調(diào)整光伏陣列電流的輸出值至最大功率輸出。隨著外部環(huán)境變化，流過(guò)直流母線上的能量也發(fā)生變化，但并網(wǎng)逆變器的電壓外環(huán)控制將直流母線電壓值始終穩(wěn)定在1kV。

圖7 條件變化時(shí)風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)仿真圖

4 結(jié)束語(yǔ)

風(fēng)能和太陽(yáng)能都是清潔能源，隨著光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的日趨成熟及實(shí)用化進(jìn)程中產(chǎn)品的不斷完善，為風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)可以彌補(bǔ)風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電存在的缺陷，降低系統(tǒng)建造及運(yùn)行成本，也可以提供更加可靠的電能。本文設(shè)計(jì)了共直流母線式風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，詳細(xì)分析了該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工作原理和控制策略，并且利用PSCAD軟件建立了共直流母線風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電的仿真模型，分別在外部環(huán)境不變與外部環(huán)境變化（風(fēng)速、日照強(qiáng)度）2種情況下對(duì)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，獲得了較好的效果。

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