風光互補發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤綜述

張麗霞，張秀霞，2，劉 婷 ，王二壘，楊小聰，魏舒怡

（1.北方民族大學 電氣信息與工程學院，寧夏 銀川 750021；2.西安交通大學 電子信息工程學院，陜西 西安 710049；3.中國科學院研究生院 北京 100049）

能源是國民經(jīng)濟發(fā)展和人民生活必須的重要物質基礎。建立在煤炭、石油、天然氣等化石燃料基礎上的能源體系極大推動了人類社會的發(fā)展。同時，化石能源的使用帶來嚴重的環(huán)境污染和生態(tài)系統(tǒng)破壞。因此，世界各國在加強對環(huán)境污染治理的同時，加大對可再生、無污染新能源的開發(fā)利用[1-3]，風能、太陽能作為可再生清潔能源，成為替代化石能源的首選。

由于風能、太陽能在時間和空間上的互補性，彌補了風能和太陽能獨立發(fā)電在資源上的缺陷，使得風光互補發(fā)電比單一風力發(fā)電或光伏發(fā)電更為高效。在實際的應用系統(tǒng)中，外界條件的變化使得系統(tǒng)輸出功率不穩(wěn)定，就存在最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Track，MPPT）的問題。

1 風光互補發(fā)電系統(tǒng)

風光互補發(fā)電系統(tǒng)結構如圖1所示，其組成主要有太陽能電池板、風電機組、蓄電池、逆變器、控制器、交流負載、直流負 載等[1，3]。

圖1 風光互補發(fā)電系統(tǒng)結構圖Fig.1 Wind-solar hybrid generation system structure

2 最大功率點跟蹤控制

風光互補發(fā)電系統(tǒng)在工作時，隨著日照強度、環(huán)境溫度、風力大小及方向的不同，各組件輸出電壓將發(fā)生變化，使得輸出功率也產(chǎn)生很大變化，所以風力發(fā)電機和太陽能電池陣列本身就是一種極不穩(wěn)定的電源。在外界條件變化的條件下輸出盡可能多的電能，提高系統(tǒng)的效率，就需要對系統(tǒng)進行最大功率點跟蹤。所謂最大功率點跟蹤 （Maximum Power Point Tracking，MPPT），即是指控制器能夠實時偵測太陽能電池陣列及風電機的發(fā)電電壓，并追蹤最高電壓電流值（VI），使系統(tǒng)以最高的效率對蓄電池充電[4]。MPPT控制實質是一個自尋優(yōu)過程，通過控制系統(tǒng)各組件的特定參數(shù)，或控制DC/DC變換器開關管的開通時間，使系統(tǒng)各組件在各種不同的外界環(huán)境下智能化地輸出最大功率[3]。

3 MPPT控制算法

在風光互補發(fā)電系統(tǒng)的開發(fā)和應用過程中，由于太陽能電池陣列和風力發(fā)電機組的轉換效率比較低，所以對于其最大功率跟蹤技術的研究一直是一個重要內(nèi)容。近年來，國內(nèi)外學者已提出了多種控制算法[4-6]。

3.1 太陽能電池陣列的MPPT控制算法

太陽能電池陣列輸出電壓具有非線性特性，因外界日照強度及溫度的改變而變化，因此在特定的情況下存在相應的最大功率點[3]，目前，進行太陽能發(fā)電MPPT控制的方法主要有以下3種：功率擾動觀察法、增量電導法和恒壓控制法。

1）功率擾動觀察法（P&O）[4-6]，又稱爬山法，是目前常用的一種MPPT控制方法。其原理是通過擾動前后功率的變化量進行擾動方向的判斷，先賦予一個輸出電壓信號 （UPV+ΔU），再進行功率測量，若功率變化量大于零，則表示擾動方向正確，可向同一方向繼續(xù)擾動；若功率變化量小于零，則向反方向擾動[6]，圖2為其控制框圖[3]。

圖2 擾動觀察法控制框圖Fig.2 P&O control block diagram

P&O法的優(yōu)點是測量參數(shù)少，結構簡單，通過不斷擾動趨于系統(tǒng)的最大功率點；缺點是跟蹤精度和速度與跟蹤步長ΔU以及初始值UPI的選取密切相關，且有可能在最大功率點附近產(chǎn)生震蕩；若跟蹤步長ΔU太小，當外界環(huán)境變化較快時其跟蹤速度緩慢；若跟蹤步長ΔU太大，當?shù)竭_最大功率點附近時，會加大震蕩從而損失較多功率[7]，有時在運行中發(fā)生程序控制失序，出現(xiàn)“誤判”現(xiàn)象[4-6]。

2）增量電導法（INC），由 K.H.Hussein提出，該方法解決了P&O法功率損失等問題，P&O法是在不確定最大功率點的大致方向的情況下進行工作點電壓或者電流調(diào)整，使之逐漸接近最大功率點電壓來實現(xiàn)最大功率跟蹤，而增量電導法避免了這種盲目性，根據(jù)太陽能電池板的P-U特性曲線在最大功率點處的斜率為零，即dP/dU，可得：

式（1）為判斷系統(tǒng)是否工作在最大功率點處的條件，即為輸出電導變化量等于負的輸出電導，該法使用瞬間電導值、電壓和電流變化量比值這兩個參數(shù)來判斷輸出電壓的變化量，若輸出電壓變化量為零，則表明此時系統(tǒng)工作在最大功率點；反之，需要改變系統(tǒng)的被控參數(shù)或者DC/DC變換器驅動信號的占空比，然后繼續(xù)進行判斷，圖3為其控制框圖[3，6-7]。

圖3 增量電導法控制框圖Fig.3 INC control block diagram

INC法的優(yōu)點是響應速度快、控制精確、具有高速、穩(wěn)定的跟蹤特性，因此對硬件的要求比較高，并且運行速度快[8]，從而決定了該法適用于光強和溫度大幅度變化的地區(qū)[3]。

3）恒壓控制法（CVT），其原理是外界溫度保持不變、光照強度發(fā)生改變的情況下，當系統(tǒng)的最大功率點處的電壓近似等于某一恒定值VM，則此時追蹤到了系統(tǒng)的最大功率點，因此，為了使太陽能電池板的輸出電壓穩(wěn)定在VM附近，需調(diào)節(jié)DC/DC變換器的占空比改變負載阻抗，便可以實現(xiàn)MPPT控制[3，7-8]，圖 4 為其控制框圖[7]。

圖4 恒壓法控制框圖Fig.4 CVT control block diagram

CVT法的優(yōu)點是簡單、易實現(xiàn)、穩(wěn)定性高。但根據(jù)其工作原理忽略了溫度造成的影響，因此該方法只是光照強度改變情況下的最大功率點跟蹤，對于溫差較大的地區(qū)，該法不能因溫度的變化進行最大功率點跟蹤，從而導致功率的損失。

3.2 風力發(fā)電機的MPPT控制算法

風力發(fā)電系統(tǒng)與太陽能發(fā)電系統(tǒng)一樣也存在最大功率點，風力發(fā)電部分若要捕獲最大風能，須根據(jù)風速的變化對風力機的轉速進行實時調(diào)整，這就產(chǎn)生了變速發(fā)電運行模式[9]。根據(jù)風力發(fā)電機的原理可知，當輸出功率大于輸出機械功率時，風力發(fā)電機的轉速下降；反之，轉速將會增加。因此，可以通過風輪轉速的控制調(diào)節(jié)風力發(fā)電機的輸出功率，即調(diào)節(jié)控制電路驅動信號的占空比[10]，目前，應用于風力發(fā)電機MPPT控制技術主要有葉尖速比控制法、功率信號反饋法、擾動觀察法3種方法[11]。

1）葉尖速比控制法。其原理是只要風速一定，風力機或者發(fā)電機的轉速就保持一個值不變，即當葉尖速比λ為最佳條件λm時，就跟蹤到了系統(tǒng)的最大功率點，圖5為其控制原理圖[12]。

圖5 葉尖速比法控制框圖Fig.5 Tip speed ratio control block diagram

該方法的優(yōu)點：易實現(xiàn)，只要1個PI控制器即可滿足控制要求，在風速測量精確的前提下，準確性高、反應速度快[12]；缺點是需要風速計測量風速，對于小型風光互補發(fā)電系統(tǒng)成本過高，且增大了系統(tǒng)維護的難度[11]。

2）功率信號反饋法。風力機輸出的最大功率Pmax是根據(jù)最大功率曲線得出，按照相應的輸出功率選擇風輪轉速ω，對風力機進行調(diào)節(jié)控制，圖6為其控制原理圖[12]。

圖6 功率信號反饋法控制框圖Fig.6 Power signal feedback control block diagram

該方法的優(yōu)點是不需要了解風力機特性，也不需要測風裝置測量風速，從而避免了風速檢測環(huán)節(jié)存在的問題，具有更好的使用價值[12]。缺點是外界風速發(fā)生變化時，風速曲線不容易確定，無法進行相應的調(diào)整[11]；理論的最大功率曲線在實際運行中，其參數(shù)的設定將影響跟蹤的準確性；對于不同風輪機，其風速曲線也是不同的，需進行離線或仿真實驗得出相應的風速曲線，會增加應用成本和控制難度[12]。

3）擾動觀察法。與太陽能發(fā)電系統(tǒng)基本相似，風力發(fā)電的最大功率的獲取是比較尋找得到某個風速所對應的功率，首先給風輪施加一個較小的轉速波動，然后檢測系統(tǒng)的輸出功率的變化量，如果變化量大于零，則表明擾動方向正確；如果變化量小于零，則向相反的方向進行擾動。

4 結束語

通過上述分析可以看出，各種跟蹤控制方法都有自己的優(yōu)點同時又不可避免的存在缺點，擾動觀察法作為較為常用的一種控制方法之一，其缺點是的系統(tǒng)擾動的步長大小難以確定，會造成在最大功率點附近震蕩；增量電導法印其對參數(shù)的精確測量所以設備初期投入資金較大，導致其維修費用昂貴；恒壓控制法無法因外界環(huán)境的劇烈改變而做出相應的調(diào)節(jié)；葉尖速法與增量電導法類似，在費用方面降低了其效益；功率信號反饋法則需要人為的經(jīng)驗，無法因實際變化做出相應的調(diào)節(jié)。因此，風光互補發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤控制方法的發(fā)展不很完善，其技術手段尚未完全成熟，為了更好的滿足實際需求，根據(jù)相應的情況將各種MPPT控制方法相結合，取長補短，成為風光互補發(fā)電系統(tǒng)MPPT的研究方向。隨著我國對清潔可再生能源的規(guī)劃，太陽能、風能的利用將會蓬勃發(fā)展，而風光互補發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤控制方法的簡化以及跟蹤精度與速度的提高是將來必然的發(fā)展趨勢。

[1]尹靜，張慶范.淺析風光互補發(fā)電系統(tǒng)[J].變頻器世界，2008（8）:43-45.YIN Jing，ZHANG Qing-fan.Analysis of wind-solar hybrid generating system[J].The World of Inverters，2008（8）:43-45.

[2]張峻玲，殷建英，黨政.風光互補發(fā)電系統(tǒng)及應用[J].能源研究與利用，2011（4）:48-49.ZHANG Jun-ling，YIN Jian-ying，DANG Zheng.Application of wind-solar hybrid generation system[J].Energy Research&Utilization，2011（4）:48-49.

[3]陳亞愛，金雍奧.風光互補發(fā)電系統(tǒng)控制技術綜述[J].電氣傳動，2012，42（1）:3-9.CHEN Ya-ai，JIN Yong-ao.Review of control technologies for wind-solar hybrid generation system[J].Electric Drive，2012，42（1）:3-9.

[4]馮垛生，張淼，趙慧.太陽能發(fā)電技術與應用[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[5]杜榮華，張婧，王力宏.風光互補發(fā)電系統(tǒng)簡介[J].節(jié)能，2007（3）:36-38.DU Rong-hua，ZHANG Jing，WANG Li-hong.The wind-solar hybrid power supply system[J].Energy Conservation，2007（3）:36-38.

[6]王寶忠，劉衛(wèi)法，付寧寧，等.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)MPPT算法研究[J].科學技術與工程，2010，10（34）:8432-8438.WANG Bao-zhong，LIU Wei-fa，F(xiàn)U Ning-ning，et al.Research on MPPT control algorithms for grid-connected PV system[J].Science Technology and Engineering，2010，10（34）:8432-8438.

[7]沈利生.小型風光互補發(fā)電系統(tǒng)的建模與仿真研究[D].江西：南昌大學，2011.

[8]王濤.小型風光互補發(fā)電系統(tǒng)控制器的研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學，2009.

[9]施全富.獨立運行風光互補發(fā)電系統(tǒng)的研究與設計[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學，2008.

[10]程軍.風光互補智能控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].合肥：中國科學技術大學，2009.

[11]馬騰昊.小型風電機組的MPPT控制策略研究[D].北京：北京交通大學，2010.

[12]程啟明，程尹曼，汪明媚，等.風力發(fā)電系統(tǒng)中最大功率點跟蹤方法的綜述[J].華東電力，2010，38（9）:1393-1398.CHENG Qi-ming，CHENG Yin-man，WANG Ming-mei，et al.Review on the method of tracking the maximum power point in wind power generation system[J].East China Electic Power，2010，38（9）:1393-1398.