對(duì)具有最大功率點(diǎn)跟蹤控制的混合發(fā)電系統(tǒng)的研究

【摘要】本文研究了一個(gè)包括太陽(yáng)能光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的混合發(fā)電發(fā)電系統(tǒng)，這種混合發(fā)電系統(tǒng)在傳統(tǒng)能源不能覆蓋到的地方可以作為一個(gè)小規(guī)模的可控選擇的電源。本文還使用了一種改進(jìn)型的電導(dǎo)增量法來(lái)追蹤太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)，這個(gè)混合系統(tǒng)由于它的簡(jiǎn)單、容易控制和低成本而具有吸引力。文章中對(duì)這個(gè)混合系統(tǒng)和詳細(xì)的仿真結(jié)果具有完整的描述，仿真結(jié)果表明了本系統(tǒng)的可行性。

【關(guān)鍵詞】混合能源系統(tǒng)；太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)；風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；最大功率點(diǎn)跟蹤

1、引言

風(fēng)能和太陽(yáng)能是環(huán)境友好型的能源，它們是世界上增長(zhǎng)速度最快的能源。最近幾年，使用包括太陽(yáng)能光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電等新能源越來(lái)越具有吸引力。發(fā)展中國(guó)家的偏遠(yuǎn)山區(qū)或者是遠(yuǎn)離主要傳輸線的農(nóng)村，小規(guī)模單機(jī)發(fā)電系統(tǒng)是一種很好的選擇。

使用混合發(fā)電系統(tǒng)確保了負(fù)荷需求的穩(wěn)定性，通過(guò)把風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電與能量存儲(chǔ)技術(shù)結(jié)合起來(lái)可以獲得更高的發(fā)電容量并且可以克服發(fā)電輸出的波動(dòng)。為了得到一個(gè)恒定的功率輸出，必須具有一個(gè)有效的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能光伏發(fā)電所發(fā)出的電能可以通過(guò)蓄電池或電容器能量存儲(chǔ)系統(tǒng)來(lái)儲(chǔ)存。

在本文中，一個(gè)包括不同風(fēng)速和不同太陽(yáng)光照的混合發(fā)電系統(tǒng)給一個(gè)單獨(dú)負(fù)荷提供持續(xù)的電能。風(fēng)力系統(tǒng)和太陽(yáng)能系統(tǒng)作為主要的能源，燃料電池作為后備能源。同時(shí)，使用了一種基于改進(jìn)型的電導(dǎo)增量法來(lái)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤。

2、混合發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

圖1所示的混合發(fā)電系統(tǒng)包含風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)，它們分別通過(guò)各自的直流變換器并聯(lián)連接到公共直流母線，再經(jīng)過(guò)逆變器給負(fù)荷提供電能。

2.1風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

2.1.1理想風(fēng)力機(jī)的功率輸出

任意控制體內(nèi)空氣能量方程如下所述：

2.1.2實(shí)際風(fēng)力機(jī)的功率輸出

通常用功率系數(shù)Cp來(lái)表示實(shí)際風(fēng)力機(jī)從風(fēng)中所吸取功率的比例。因此，實(shí)際風(fēng)力機(jī)的功率輸出可用下式來(lái)表示：

功率系數(shù)CP并不是常數(shù)，其值隨來(lái)流風(fēng)速、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、葉片參數(shù)（如攻角、漿距角）變化。通常可以將功率系數(shù)CP表示成葉尖速比λ和漿距角β的函數(shù)。其中葉尖速比λ的表達(dá)式如下：

式（4）

式中，WR為風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，單位為rad/s；VW代表來(lái)流風(fēng)速，單位為m/s?？梢酝ㄟ^(guò)轉(zhuǎn)速來(lái)計(jì)算角速度WR[1]-[3]。

當(dāng)葉尖速比λ在理想值下，功率系數(shù)Cp具有它的最大值，此時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率最大。在實(shí)際設(shè)計(jì)實(shí)例中，對(duì)高速風(fēng)力機(jī)而言，功率系數(shù)Cp的最大取值范圍在0.4—0.5之間。對(duì)低速風(fēng)力機(jī)而言，功率系數(shù)Cp的最大取值范圍在0.2—0.4之間。功率系數(shù)Cp超過(guò)0.4就被認(rèn)為是比較好的風(fēng)力機(jī)[4]。本文所采用的是Windseeker 503/24v風(fēng)力機(jī)，其典型的功率系數(shù)Cp和葉尖速比λ的關(guān)系曲線如圖2所示。

從圖2可以看出，當(dāng)葉尖速比λ為9的時(shí)候，功率系數(shù)Cp具有最大值，此時(shí)風(fēng)力機(jī)捕獲的功率最大。

2.1.3永磁同步發(fā)電機(jī)

本文使用了一個(gè)小型的永磁同步發(fā)電機(jī)來(lái)研究控制直流電壓對(duì)最大功率捕獲的影響，這個(gè)模型把風(fēng)力機(jī)直流電壓和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速聯(lián)系起來(lái)，但是它忽略了磁飽和對(duì)鐵心的影響。d軸和q軸同步電抗是相同的。發(fā)電機(jī)電樞電流與轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電壓的關(guān)系為：

通過(guò)控制發(fā)電機(jī)的終端電壓就可以控制其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。發(fā)電機(jī)的終端電壓可以用下式表示：

假定發(fā)電機(jī)和二極管整流器直接相連，且電樞電流的基波分量和相電壓是同相位的，即上式中的φ為0。于是上式就可以簡(jiǎn)化為：

根據(jù)參考文獻(xiàn)[5]，對(duì)于三相全橋二極管整流電路，考慮到換相重疊的影響時(shí)，其整流側(cè)直流電壓可以用下式表示：

從而，依據(jù)上面的推導(dǎo)，風(fēng)速的增加會(huì)使葉尖速比λ和功率系數(shù) Cp變小，但風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩會(huì)增加。于是風(fēng)力機(jī)就會(huì)加速，從而輸出的直流電壓就會(huì)增加，所以，電樞電流就會(huì)減少使得制動(dòng)轉(zhuǎn)矩減小。這一直將持續(xù)到轉(zhuǎn)矩平衡為止[6]。

2.2太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)

2.2.1光伏電池的數(shù)學(xué)模型

光伏電池是利用半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)制作而成的。所謂光伏效應(yīng)是指半導(dǎo)體材料吸收光能，由光子激發(fā)出電子-空穴對(duì)，經(jīng)過(guò)分離而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。光伏電池的I-U特性隨日照強(qiáng)度S和電池溫度t而變化，即。根據(jù)電子學(xué)理論，當(dāng)負(fù)載為純電阻時(shí)，光伏電池的實(shí)際等效電路如圖3所示：

其中---二極管結(jié)電流（A），Isc—光伏電流（A）， I0—反向飽和電流（對(duì)于光伏單元而言，其數(shù)量級(jí)為10-4A），q—電子負(fù)荷（），K—波爾茲曼常數(shù)（），T—絕對(duì)溫度（）， n—二極管品質(zhì)因子（當(dāng)T=330K時(shí)，約為 ），RS—串連電阻（為低阻值，小于1），Rsh—并聯(lián)電阻（為高阻值，數(shù)量級(jí)為K）[7]。

2.2.2光伏發(fā)電最大功率跟蹤

當(dāng)光伏陣列輸出電壓比較小時(shí)，隨著電壓的變化，輸出電流變化很小，光伏陣列類似為一個(gè)恒流源；當(dāng)電壓超過(guò)一定的臨界值繼續(xù)上升時(shí)，電流急劇下降，此時(shí)的光伏陣列類似為一個(gè)恒壓源。光伏陣列的輸出功率則隨著輸出電壓的升高有一個(gè)輸出功率最大點(diǎn)。最大功率跟蹤器的作用是在溫度和輻射強(qiáng)度都變化的環(huán)境里，通過(guò)調(diào)節(jié)光伏陣列的工作點(diǎn)，使光伏陣列工作在輸出功率最大點(diǎn)。

目前，常用的最大功率跟蹤方法有恒定電壓跟蹤法、擾動(dòng)觀察法和電導(dǎo)增量法。其中，電導(dǎo)增量法的跟蹤準(zhǔn)確性最高，在環(huán)境快速變化的情況下具有良好的跟蹤性能，因此被廣泛采用。電導(dǎo)增量法是通過(guò)比較光伏陣列的瞬時(shí)導(dǎo)抗與導(dǎo)抗變化量的方法來(lái)完成最大功率點(diǎn)的跟蹤。

達(dá)到最大功率點(diǎn)的條件，即當(dāng)輸出電導(dǎo)的變化量等于輸出電導(dǎo)的負(fù)值時(shí)，光伏電池陣列工作于最大功率點(diǎn)。在輻射強(qiáng)度和溫度變化時(shí)，光伏電池陣列的輸出電壓能平穩(wěn)追隨環(huán)境的變化，且輸出電壓波動(dòng)小。電導(dǎo)增量法通過(guò)設(shè)定一些很小的變化閉值，使光伏電池陣列穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)的鄰域內(nèi)，而不是圍繞著最大功率點(diǎn)前后波動(dòng)。當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，從一個(gè)穩(wěn)態(tài)過(guò)渡到另外一個(gè)穩(wěn)態(tài)時(shí)，電導(dǎo)增量法根據(jù)電流的變化就能夠做出正確的判斷，而不會(huì)像擾動(dòng)觀察法那樣出現(xiàn)誤判斷[8]。

為了提高最大功率跟蹤的精度，在一定的溫度和光照強(qiáng)度時(shí)，當(dāng)光伏電池的輸出功率與當(dāng)前條件下所能達(dá)到的最大功率接近到一定程度時(shí)，對(duì)它的跟蹤步長(zhǎng)△V進(jìn)行調(diào)制，將△U適當(dāng)變小，使其更精確的跟蹤最大功率。在實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中，光照強(qiáng)度突然發(fā)生變化瞬間，光伏電池兩端的工作電壓不會(huì)發(fā)生明顯變化，相反，光伏電池的輸出電流會(huì)發(fā)生瞬間的明顯變化。根據(jù)這一特點(diǎn)來(lái)判斷△U應(yīng)采用大步長(zhǎng)值△U2還是小步長(zhǎng)值△U1。在系統(tǒng)控制參數(shù)的設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)具體的光伏電池參數(shù)，來(lái)確定工作電流的變化量ε的值作為判斷標(biāo)準(zhǔn)[9]。改進(jìn)后的電導(dǎo)增量法流程圖如圖4所示：

3、仿真結(jié)果

本仿真采用的是PSIM仿真軟件，混合系統(tǒng)的各組件型號(hào)如下所示：光伏陣列采用的是富士電機(jī)太陽(yáng)能電池板ELR615 160Z，750W，它是由3串5并共15個(gè)模塊組成。當(dāng)光照強(qiáng)度為時(shí)，輸出功率最大，為750W。風(fēng)力機(jī)采用的是Windseeker 503/24v，它直接與永磁發(fā)電機(jī)相連，當(dāng)風(fēng)速為時(shí)，輸出額定功率1000W[10]。圖5-7為仿真結(jié)果。

仿真結(jié)果表明，本文所提出的混合發(fā)電系統(tǒng)能夠給負(fù)載提供恒定的功率輸出。

4、結(jié)論

本文所提出的包含太陽(yáng)能光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的混合發(fā)電系統(tǒng)，通過(guò)改進(jìn)型的電導(dǎo)增量法進(jìn)行最大功率輸出控制，可以實(shí)現(xiàn)最大功率輸出。在混合系統(tǒng)中，通過(guò)使用蓄電池，可以有效的抑制輸出功率的波動(dòng)。

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