風(fēng)光互補(bǔ)微電網(wǎng)的建模及最大功率跟蹤控制策略

李 強(qiáng),胥永利,王鳳軍

(大唐東北電力試驗(yàn)研究所有限公司 新能源室，吉林 長(zhǎng)春 130012)

風(fēng)光互補(bǔ)微電網(wǎng)的建模及最大功率跟蹤控制策略

李 強(qiáng),胥永利,王鳳軍

(大唐東北電力試驗(yàn)研究所有限公司 新能源室，吉林 長(zhǎng)春 130012)

為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)輸出功率的最大化，利用Matlab/Simulink對(duì)以風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)及儲(chǔ)能環(huán)節(jié)為基礎(chǔ)的風(fēng)光互補(bǔ)型微電網(wǎng)進(jìn)行了建模，并通過(guò)仿真分析，驗(yàn)證了建立模型的有效性。描述了系統(tǒng)儲(chǔ)能環(huán)節(jié)及逆變環(huán)節(jié)的工作原理及特點(diǎn)，分別針對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，利用不同智能方法，搭建了最大功率跟蹤模型，并對(duì)這些方法進(jìn)行對(duì)比分析，仿真結(jié)果驗(yàn)證了控制策略的可行性與有效性，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)功率輸出最大化的目的。

風(fēng)光互補(bǔ)微電網(wǎng)；建模；最大功率跟蹤策略

0 引言

目前，對(duì)石油、煤炭等不可再生能源的過(guò)度消耗不僅造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，而且制約著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。風(fēng)能、太陽(yáng)能新能源等具有清潔無(wú)污染，取之不盡、用之不竭的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)利用新能源現(xiàn)在已經(jīng)成為世界各國(guó)的熱門課題[1]。文獻(xiàn)[2]將風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)作為獨(dú)立電源系統(tǒng)和清潔的供電系統(tǒng)，在資源利用以及系統(tǒng)配置方面有其合理性。文獻(xiàn)[3]建立的光伏電池模型能夠較好地模擬實(shí)際光伏的特性，但調(diào)試過(guò)于簡(jiǎn)單。文獻(xiàn)[4]探討了最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法的發(fā)展思路,對(duì)該領(lǐng)域今后的研究方向做了展望，指出單級(jí)式光伏逆變系統(tǒng)中的最大功率點(diǎn)跟蹤己成為國(guó)內(nèi)外光伏領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[5]提出通過(guò)預(yù)測(cè)下一個(gè)控制時(shí)刻的風(fēng)速，來(lái)確定下一時(shí)刻最優(yōu)功率點(diǎn)搜索的起始轉(zhuǎn)速，再利用變步長(zhǎng)轉(zhuǎn)速擾動(dòng)實(shí)現(xiàn)最大功率追蹤，但風(fēng)速估計(jì)較為困難，精度難以保證，控制比較為困難。

本文利用Matlab/Simulink軟件平臺(tái)搭建風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，驗(yàn)證各個(gè)系統(tǒng)的有效性。通過(guò)對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的論述，并利用仿真模型對(duì)其進(jìn)行有效研究，以實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤的目的。

1 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)建模

1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文建立的風(fēng)光互補(bǔ)型微電網(wǎng)是基于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)及儲(chǔ)能環(huán)節(jié)搭建而成的，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of wind-solar generation system

本文所提出的微電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用，適用于偏遠(yuǎn)地區(qū)及海島等無(wú)大電網(wǎng)供電的區(qū)域，能夠?qū)崿F(xiàn)自給自足供電。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及光伏發(fā)電系統(tǒng)可以持續(xù)向用戶供電，并將多余電能儲(chǔ)存在儲(chǔ)能系統(tǒng)中。由儲(chǔ)能蓄電池組成的儲(chǔ)能系統(tǒng)可保障用戶在風(fēng)、光不足等情況下的用電需求。

1.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)建模

光伏電池的基本原理是基于半導(dǎo)體的光伏效應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換，將光能直接轉(zhuǎn)換為電能。光伏電池可以等效為較大平面面積的二極管，其工作原理可以用單二極管等效電路進(jìn)行描述[6]。

光伏電池面積及溫度有關(guān)，二極管電流IVD是pn節(jié)擴(kuò)散電流總和，其表達(dá)式為

(1)

式中：q為電荷常數(shù)(1.6×10-9C)；K為玻爾茲曼常數(shù)(1.38×10-23J/K)；A為二極管因子；E為pn結(jié)空間電荷；IDO為在無(wú)光照下的飽和電流，其表達(dá)式為

(2)

式中：S為pn節(jié)面積；NC、NV為導(dǎo)帶和價(jià)帶的有效態(tài)密度；NA、ND受主雜質(zhì)和施主雜質(zhì)的濃度；DN、DP為電子和空穴的擴(kuò)散系數(shù)；τn，τp為電子和空穴的少子壽命；EG為半導(dǎo)體材料的帶隙。

負(fù)載電流IL表達(dá)式為

(3)

式中：UL為光伏電池輸出電壓，V；RS為串聯(lián)等效電阻，Ω；RSH為并聯(lián)等效電阻，Ω。理想電路中，RS、RSH計(jì)算時(shí)均忽略不計(jì)，此理想電池的光伏特性表達(dá)式為

短路電路試驗(yàn)時(shí)，RL=0，此時(shí)輸出電流IL=Isc。

而在開(kāi)路試驗(yàn)中，RL→∞，由式(5)可知開(kāi)路電壓UOC為

(6)

由上式可知UOC與光照強(qiáng)度有關(guān)，而與光伏電池的面積無(wú)關(guān)。IL-UL、PL-UL的關(guān)系曲線代表了光伏電池的外特性亦即輸出特性。

根據(jù)以上公式，利用Matlab/Simulink軟件平臺(tái)建立了光伏電池模塊，參數(shù)設(shè)置開(kāi)路電壓為288 V，短路電壓為354 V，開(kāi)路電流為13.88 A，短路電流為14.88 A，串聯(lián)電阻為0.5 Ω，光照強(qiáng)度為1 000 W/m2，溫度為20 ℃時(shí)，對(duì)模塊在不同光照強(qiáng)度及溫度下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)研究，得到光伏電池在不同光照強(qiáng)度及溫度下的輸出特性曲線，如圖2所示。

由試驗(yàn)結(jié)果分析可知，固定光伏電池的溫度時(shí)，隨著光照強(qiáng)度減小，最大功率點(diǎn)功率也不斷減小。固定光照強(qiáng)度時(shí)，隨著溫度逐漸升高，最大功率點(diǎn)功率值也逐漸升高，符合光伏特性曲線功率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了此系統(tǒng)的有效性及正確性。

本文中光伏的功率控制模型即為最大功率控制模塊，升壓模塊采用Boost升壓變換器，這里不再贅述。

1.3 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)建模

本文采用永磁同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行建模分析。根據(jù)貝茨理論，風(fēng)機(jī)絕不可能從氣流中獲取超過(guò)59.3%的功率[7]。實(shí)際上，風(fēng)力機(jī)的風(fēng)功率利用系數(shù)(CP)最大值的范圍是25% ～45%。因此，風(fēng)力機(jī)能夠獲取的功率為

(7)

式中：ρ為空氣密度，ρ≈1.225 kg/m3；Sw為風(fēng)輪掃過(guò)的面積，m；v為上風(fēng)向自由風(fēng)速，m/s。

風(fēng)能利用系數(shù)CP與風(fēng)速、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及葉片槳距角有關(guān)，可近似為

圖2 光伏電池特性曲線圖Fig.2 Curve of the photovoltaic characteristic

(8)

式中:β為葉片槳距角，(°)；λ為葉尖速比，

(9)

式中：ω為風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)速度；R為風(fēng)輪的半徑。

本文利用Matlab/Simulink對(duì)CP模塊進(jìn)行了建模，對(duì)于模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證，設(shè)置由λ=0，以步長(zhǎng)Δλ=0.01均勻增加，此時(shí)由模塊計(jì)算CP值，將數(shù)據(jù)存于Matlab的workplace中，可得葉尖速比與風(fēng)能利用系數(shù)關(guān)系之間的曲線如圖3所示。由圖3可知，CP值小于0.593，驗(yàn)證了貝茨理論。

圖3 葉尖速比與風(fēng)能利用系數(shù)關(guān)系曲線圖Fig.3 Coefficient curve between tip speed ratio and wind power

利用風(fēng)力機(jī)模型進(jìn)行功率與角速度之間關(guān)系驗(yàn)證風(fēng)力機(jī)模型的正確性，設(shè)置參數(shù)如下：風(fēng)速固定為10 m/s，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速初始設(shè)置為0 rad/s，以步長(zhǎng)0.1 rad/s均勻增加，直至200 rad/s為止，得到功率-轉(zhuǎn)速曲線如圖4所示。

圖4 功率-轉(zhuǎn)速曲線圖Fig.4 Curve of power-angular velocity

由圖4可知，在角速度從0 rad/s增至200 rad/s，風(fēng)力機(jī)輸出功率是角速度的單峰函數(shù)，與公式理論相符合，有且只有一個(gè)角速度164.2 rad/s，使在此固定風(fēng)速下的輸出功率為最大，此時(shí)最大功率為359.3 W。

本文中功率控制模塊即最大功率跟蹤模塊。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的是交流電，利用Matlab/Simscape中的Universal Bridge模塊進(jìn)行整流輸出。在未接入直流母線時(shí)，該系統(tǒng)也能夠獨(dú)立運(yùn)行。

1.4 儲(chǔ)能蓄電池建模

蓄電池通用的等效電路模型如圖5所示。由圖5可知，蓄電池是由內(nèi)阻R和受控電壓源Ek串聯(lián)組成。利用Matlab/Simulink選取電壓源及電阻串聯(lián)即可構(gòu)成蓄電池等效模型，不再贅述。

圖5 蓄電池等效電路圖Fig.5 Equivalent circuit of battery

1.5 逆變環(huán)節(jié)及脈沖寬度調(diào)制控制

本文中風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是由風(fēng)機(jī)模塊、AC/DC模塊，DC/DC模塊、功率控制模塊組成，光伏發(fā)電系統(tǒng)是由DC/DC模塊、功率控制模塊組成，并與220 V直流母線相連接，經(jīng)過(guò)逆變成交流電供給交流負(fù)載。本文采用單相橋式PWM逆變電路，以IGBT作為開(kāi)關(guān)器件，采用單極性調(diào)制方式，如圖6所示。

圖6 單相方波全橋逆變電路圖Fig.6 Circuit of the single phase square wave full bridge inverter

2 最大功率跟蹤控制策略研究

2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤技術(shù)

本文在Matlab/Simulink軟件環(huán)境下建立了光伏發(fā)電最大功率跟蹤系統(tǒng)的仿真模型。針對(duì)擾動(dòng)觀察法以及模糊控制法分別進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真[8]，采樣周期是0.000 1 s。在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，即外界光照強(qiáng)度G=1 000 W/m2，環(huán)境溫度T=25 ℃時(shí)，光伏電池的具體參數(shù)如下：最大功率Pmpp=230 W，最大功率點(diǎn)電壓Umpp=29.5 V，開(kāi)路電壓Uoc=35.4 V，短路電流ISC=8.54 A，最大功率點(diǎn)電流Impp=7.95 A。

在保持環(huán)境溫度為25 ℃不變，光照強(qiáng)度由1 000 W/m2變化為800 W/m2，相對(duì)應(yīng)的仿真輸出波形如圖7所示。

圖7 光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results when the illumination intensity changes

當(dāng)光照強(qiáng)度維持1 000 W/m2不變，環(huán)境溫度由25 ℃變化為15 ℃時(shí)，相對(duì)應(yīng)的仿真輸出波形如圖8所示。

根據(jù)圖7、8可知，模糊控制法在外界條件發(fā)生變化時(shí)，可以更加快速地跟蹤系統(tǒng)功率的變化。

圖8 環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results when the environmental temperature changes

2.2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤技術(shù)

利用Matlab/Simulink中S-Function模塊編寫了MPPT.m文件以實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤，其中MPPT.m文件包含了定步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法及變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法來(lái)跟蹤風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)[9]。

在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，當(dāng)風(fēng)速由10 m/s升至15 m/s時(shí)，相對(duì)應(yīng)的仿真波形輸出如圖9所示。由圖9可知，變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法，跟蹤最大功率點(diǎn)時(shí)更加快速穩(wěn)定，而定步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法容易陷入局部震蕩。

圖9 風(fēng)速發(fā)生變化時(shí)仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results when the environmental temperature changes

3 結(jié)論

本文基于Matlab/simulink環(huán)境，搭建了含小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)能單元的孤立運(yùn)行微電網(wǎng)模型，并利用各自特性進(jìn)行驗(yàn)證，證明了模塊的有效和正確性。利用不同智能方法實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤，并對(duì)比不同方法的優(yōu)劣性。

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李強(qiáng)

(編輯 蔣毅恒)

Modeling and Research on the Maximum Power Point Tracking Control Strategy of Wind-Solar Hybrid Micro-Grid

LI Qiang, XU Yongli, WANG Fengjun

(New Energy Department of Datang Northeast Electric Power Test and Research Institute， Changchun 130012, Jilin Province, China)

In order to maximize the output power of the wind and solar hybrid power generation system, the software Matlab/Simulink was applied to set up a model of wind and solar hybrid micro-grid based on the wind power generation system, photo-voltaic power generation system and energy storage. The validity of the established model is verified by the simulation analyses. More importantly, several significant issues was accomplished, i.e., the working principle and characteristics of the energy storage link and inverter link. Several different intelligent methods to build maximum power point tracking model were used, aiming at photo-voltaic wind power generation system, respectively. Different methods are analyzed and compared, and the simulation results show great feasibility and effectiveness to maximize power output.

wind-solar hybrid micro-grid; model; the maximum power point tracking control strategy

TK89

A

2096-2185(2016)02-0050-05

2016-08-28

李 強(qiáng)(1989—)，男，碩士，助理工程師，主要研究方向?yàn)榉植际桨l(fā)電系統(tǒng)，建模，302914284@qq.com；

胥永利(1972—)，男，本科，工程師，主要研究方向?yàn)樾履茉搭I(lǐng)域，繼電保護(hù)，619946833@qq.com；

王鳳軍(1986—)，男，本科，助理工程師，主要研究方向光伏發(fā)電技術(shù)，逆變技術(shù)，137566429@qq.com。