小型風(fēng)光互補(bǔ)控制策略研究

謝明月

（鹽城工學(xué)院電氣工程系 ，江蘇 鹽城224000）

大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電是實(shí)現(xiàn)能源、環(huán)境和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑之一。安裝小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)可以在高效使用能源、減少碳排量的同時(shí)，更大程度上實(shí)現(xiàn)能源獨(dú)立。目前，風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)的應(yīng)用多作為獨(dú)立的供電系統(tǒng)［1，2］。

1 風(fēng)光互補(bǔ)主電路

小型風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的主電路中包含太陽能電池陣列和風(fēng)力發(fā)電機(jī)儲(chǔ)能電路，通過DC－DC充電控制單元，給蓄電池充電。如圖1所示，風(fēng)光互補(bǔ)儲(chǔ)能電路中D1為屏蔽二極管，接在太陽能電池陣列和蓄電池之間，只有當(dāng)光伏電池陣列輸出電壓大于蓄電池兩端電壓時(shí)，D1才能導(dǎo)通，否則D1截止，這樣能確保在無光照的情況下蓄電池不會(huì)對光伏電池陣列反向充電，起到屏蔽保護(hù)作用。D5為防反接二極管，若蓄電池的極性接反，D5導(dǎo)通，使蓄電池通過D5短路，產(chǎn)生很大電流，保險(xiǎn)絲F快速燒斷，起到蓄電池的防反接保護(hù)作用。MOSFET管T5為負(fù)載開關(guān)，在蓄電池放電時(shí)，從保護(hù)蓄電池的角度出發(fā)，當(dāng)蓄電池電壓小于正常工作電壓時(shí)，T5截止，斷開負(fù)載回路，實(shí)現(xiàn)蓄電池過放電保護(hù)，避免蓄電池深度放電而造成損壞。只有當(dāng)蓄電池容量重新達(dá)到滿荷時(shí)，T5才重新導(dǎo)通，接通負(fù)載回路。MOSFET管T6為蓄電池的充電回路開關(guān)，正常狀態(tài)時(shí)T6導(dǎo)通，當(dāng)蓄電池充電已滿，且風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電模塊產(chǎn)生的電量能滿足WSN節(jié)點(diǎn)的供電需求時(shí)，斷開T6，防止蓄電池過充電。

圖1 風(fēng)光互補(bǔ)主電路圖

2 MPPT控制策略

2．1 光伏電池陣列的MPPT控制策略

已經(jīng)有相當(dāng)多的文獻(xiàn)對光伏電池陣列的最大功率跟蹤策略進(jìn)行深入研究，并提出多種控制方法，其中常用的方法有：電壓反饋法、擾動(dòng)與觀察法、電導(dǎo)增量法［3］。光伏電池陣列最大功率跟蹤控制的三種方法優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

以上的方法中，爬山搜索法是最受關(guān)注的［4，5］，其又稱為擾動(dòng)法。本文提出結(jié)合電壓反饋法和擾動(dòng)與觀察法對光伏電池陣列輸出功率進(jìn)行控制，即電壓反饋擾動(dòng)MPPT控制策略，擾動(dòng)采用變步長擾動(dòng)，如圖2（a）、（b）所示。

2．2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的MPPT控制策略

在低風(fēng)速區(qū)使風(fēng)力發(fā)電機(jī)始終運(yùn)行于最佳葉尖速比，即跟蹤最大功率點(diǎn)，每年可多生產(chǎn)電能20%～30%，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。然而，欲實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤，必須采用適當(dāng)?shù)目刂品椒?，即所謂的MPPT控制策略。目前已經(jīng)有很多不同的MPPT控制方案，各有優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍［6］。其中，最佳葉尖速比法、功率信號(hào)反饋法和爬山搜索法三種方法較為常用［7］。風(fēng)力發(fā)電機(jī)最大功率跟蹤的三種控制方法的優(yōu)缺點(diǎn)如表2所示。

表1 三種方法的優(yōu)缺點(diǎn)（光伏電池陣列）

表2 三種方法的優(yōu)缺點(diǎn)（風(fēng)力發(fā)電機(jī)）

擾動(dòng)法基本是由軟件編程實(shí)現(xiàn)，不需要額外的硬件條件。本文研究的風(fēng)力發(fā)電機(jī)屬于慣性小的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，且采用變步長控制，可以防止最大功率點(diǎn)附近可能引起的振蕩，故本文對風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的功率采用變步長擾動(dòng)MPPT控制策略，如圖2（b）所示。

圖2 MPPT控制策略

2．3 變步長算法

對光伏電池陣列和風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率的MPPT控制都用到變步長擾動(dòng)法，本文采用統(tǒng)一的變步長算法。

動(dòng)態(tài)的改變占空比的數(shù)值，能減小振蕩，快速跟蹤最大功率輸出。變步長擾動(dòng)MPPT策略是通過擾動(dòng)BUCK電路占空比D實(shí)現(xiàn)的，占空比變化的表達(dá)式為：

式中，D（k）、D（k－1）表示第k、k－1時(shí)刻的占空比；ΔD為占空比增量，其值是動(dòng)態(tài)改變的。本文利用當(dāng)前控制周期下的功率與前一控制周期的變化量ΔP來確定占空比增量：

3 蓄電池充電管理

蓄電池充電采用改進(jìn)的三段式充電方法，首先檢測風(fēng)力發(fā)電機(jī)的空載輸出電壓，當(dāng)電壓大于卸載限定電壓時(shí)，根據(jù)其輸出電壓，調(diào)節(jié)PWM的占空比來控制MOSFET管T7，卸載多余功率。AD采樣檢測蓄電池的電壓、電流，判斷蓄電池的狀態(tài)，選擇進(jìn)入恒流充電、恒壓充電或截止充電。充電管理流程圖如圖3所示。

圖3 蓄電池充電管理程序

4 實(shí)驗(yàn)波形及分析

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電模塊給蓄電池充電或給WSN節(jié)點(diǎn)供電時(shí)，都是通過控制BUCK電路輸出合適的電量，對BUCK電路的占空比控制至關(guān)重要。PWM波形驅(qū)動(dòng)MOSFET管，本文采用的PWM波的頻率選為f＝5 kHz。如圖4所示，可以看出MPPT的動(dòng)態(tài)調(diào)制過程，PWM波反映系統(tǒng)的擾動(dòng)過程，占空比先逐漸增大，再逐漸減小，依此類推。MPPT擾動(dòng)的方向由軟件程序決定。

風(fēng)光互補(bǔ)模塊在正常工作模式下，輸入驅(qū)動(dòng)電路1和驅(qū)動(dòng)電路2的PWM波形如圖5所示。然后通過驅(qū)動(dòng)電路對PWM信號(hào)進(jìn)行放大，控制光伏電池陣列和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出電量。

圖4 MPPT控制波形圖

圖5 正常工作模式下的PWM波形

控制卸載電路的PWM信號(hào)，如圖6所示。當(dāng)風(fēng)速小于過速保護(hù)值且無多余功率時(shí)，卸載電路不工作；若存在多余功率，調(diào)整PWM0占空比，卸載掉多余功率；當(dāng)風(fēng)速大于過速保護(hù)值，風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行，卸載掉風(fēng)力發(fā)電機(jī)回路的功率。

圖6 卸載電路工作的PWM波形

5 結(jié)束語

風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)就是利用風(fēng)能和太陽能資源的互補(bǔ)性，找到一種比較好的控制系統(tǒng)，盡量使風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)更加穩(wěn)定高效。本文通過對比幾種常見的最大功率點(diǎn)跟蹤方法，分別提出了光伏電池陣列采用變步長電壓反饋擾動(dòng)MPPT控制策略，風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用變步長擾動(dòng)MPPT控制策略；并給出了實(shí)驗(yàn)波形及分析，為實(shí)際應(yīng)用提供了一種有效的方法。

［1］ 馬 強(qiáng)．小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電獨(dú)立電源系統(tǒng)的優(yōu)勢及應(yīng)用［J］．內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)科技，2007，（S1）：148－150．

［2］ 劉 棟．高原地區(qū)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究［D］．北京：北京交通大學(xué)，2010．

［3］ 董 宏，張 飄．通信用光伏與風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)［M］．北京：人民郵電出版社，2008．

［4］ 何思洋．離網(wǎng)式風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)及控制器的研究［D］．天津：天津大學(xué)，2012．

［5］ 程 明，張建忠，王念春．可再生能源發(fā)電技術(shù)［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012．

［6］ 郭成達(dá)．風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)研究［D］．大連：大連理工大學(xué)，2009．

［7］ 趙爭鳴，陳 劍，孫曉瑛．太陽能光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2012．