風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)MPPT及儲(chǔ)能控制策略研究

王寧，陳磊，馮良韜

（1.華北理工大學(xué)輕工學(xué)院，河北唐山063000；2.華北理工大學(xué)研究生學(xué)院，河北唐山063000；3.國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司唐山供電公司，河北唐山063000）

綠色發(fā)展

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)MPPT及儲(chǔ)能控制策略研究

王寧1，陳磊2，馮良韜3

（1.華北理工大學(xué)輕工學(xué)院，河北唐山063000；2.華北理工大學(xué)研究生學(xué)院，河北唐山063000；3.國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司唐山供電公司，河北唐山063000）

探討了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)MPPT及儲(chǔ)能控制策略及相關(guān)問(wèn)題，分析了風(fēng)光互補(bǔ)常用MPPT算法，研究了相關(guān)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)各子系統(tǒng)的控制策略及仿真研究。

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)；MPPT；儲(chǔ)能控制

引言

伴隨著近兩個(gè)多世紀(jì)的工業(yè)革命，地球的資源被大量開(kāi)發(fā)與利用，資源的過(guò)渡開(kāi)發(fā)與浪費(fèi)已經(jīng)造成了生態(tài)破壞、環(huán)境污染以及迫在眉睫的能源危機(jī)；為了解決此類關(guān)系到人類生存的問(wèn)題，全世界范圍內(nèi)興起了對(duì)新能源的研究與開(kāi)發(fā)利用，比如，風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源。而在新能源利用的研究領(lǐng)域也逐漸出現(xiàn)了風(fēng)光互補(bǔ)能源的相關(guān)研究。本文就以此作為切入點(diǎn)，探討風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)MPPT及儲(chǔ)能控制策略及相關(guān)問(wèn)題。

1　風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)概述

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)主要是太陽(yáng)能+風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其中利用AC/DC變換器、交流與直流負(fù)載共同完成雙向變換，以完成在蓄電池的能量?jī)?chǔ)存。其中，光伏發(fā)電主要是對(duì)太陽(yáng)光輻射的能量轉(zhuǎn)換，使其成為電能；而風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，則是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能；蓄電池的工作原理比較簡(jiǎn)單，以電動(dòng)勢(shì)、電化反應(yīng)為主，通常以氧化還原反應(yīng)即可進(jìn)行放電過(guò)程與充電過(guò)程的理解；AC/DC變換器包括升壓性、降壓性與升降壓性等較為常見(jiàn)，該系統(tǒng)中的控制器比較關(guān)鍵，控制策略包括對(duì)光伏、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率的跟蹤控制、實(shí)測(cè)吞吐能力削峰填谷能力對(duì)功率的平抑控制。

2　風(fēng)光互補(bǔ)常用MPPT算法

2.1基本原理

MPPT，意思是整個(gè)調(diào)節(jié)歷程或稱作最大功率點(diǎn)跟蹤。可以通過(guò)簡(jiǎn)單的線性電路對(duì)其加以說(shuō)明。根據(jù)一般的功率公式可知，R0耗損功率則根據(jù)求導(dǎo)后的公式可以得到，則其功率損耗最大。因此，在一般的線性電路中，可以通過(guò)外部負(fù)載阻抗調(diào)整為電源內(nèi)阻值，以達(dá)到最大功率輸出；當(dāng)然這種調(diào)整只能規(guī)定在較短的時(shí)間范圍內(nèi)；那么，由此可以將變換器看成在外環(huán)境變化時(shí)的外阻，而通過(guò)調(diào)整它的占空比達(dá)到對(duì)電源內(nèi)阻變化情況的跟蹤，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)阻與外阻的有效調(diào)整，從而達(dá)到所謂的能量最大值，即實(shí)現(xiàn)MPPT［1］。

2.2選取適用算法

第一，在恒定電壓法（CVT）方面，易于實(shí)現(xiàn)，且在最大功率處輸出電壓穩(wěn)定，但精度較差，實(shí)際的應(yīng)用乏善可陳；而在實(shí)際測(cè)量方法（AC）方面，能夠?qū)夥姵貞?yīng)用方面的老化問(wèn)題進(jìn)行避免，也就是說(shuō)能夠在準(zhǔn)確度方面略勝一籌，但成本高，當(dāng)出現(xiàn)局部遮陰時(shí)，易出現(xiàn)多峰值，處理比較麻煩；開(kāi)路電壓比例系數(shù)法（OCV）能夠在最大功率點(diǎn)處于穩(wěn)定狀態(tài)，但系數(shù)選擇方面的工路電壓易引起供電間斷；還有其他諸如短路電流比例系統(tǒng)數(shù)法（SEC）、三點(diǎn)中心比較法、占空比擾動(dòng)法、電導(dǎo)增量法、最優(yōu)梯度法等，都各自有優(yōu)勢(shì)與不足。

第二，本次研究以光伏、風(fēng)力MPPT控制為主，在光伏MPPT控制方面，根據(jù)定步長(zhǎng)、變步長(zhǎng)這兩種形式，利用擾動(dòng)觀察法，通過(guò)對(duì)占空比的調(diào)節(jié)達(dá)到控制目的；比如，步長(zhǎng)偏大，輸出功率震蕩、穩(wěn)定性差；偏小則響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、動(dòng)態(tài)性差；所以，在步長(zhǎng)方面，設(shè)置自適應(yīng)算法，利用調(diào)整器完成穩(wěn)態(tài)性能的實(shí)現(xiàn)；可以通過(guò)如下公式進(jìn)行表達(dá)，即：

式中：β（k）為步長(zhǎng)，則取值范圍為（0，1）；k為常量，根據(jù)自適應(yīng)步長(zhǎng)調(diào)整靈敏度可以得到。功率的變化值dP=P（k）-P（k-1）。

具體的實(shí)現(xiàn)過(guò)程或操作流程為，第一步：對(duì)I0、V0讀?。坏诙剑毫領(lǐng)k-1=I0=V0，第三步：進(jìn)行數(shù)值的I（k）/V（k）讀取；第四步：計(jì)算P（k）、dP；第五步：代入上面的公式，直至其功率最大值為0；第六步：達(dá)到尋優(yōu)目的。

第三，風(fēng)力發(fā)電MPPT控制方面，主要是對(duì)輸出電壓電流的初始化，并對(duì)風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速取值，從而通過(guò)對(duì)風(fēng)力發(fā)電輸出電壓、電流數(shù)據(jù)的采集，達(dá)到對(duì)最大功率點(diǎn)與對(duì)應(yīng)風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速值的搜索；然后進(jìn)行具體數(shù)值設(shè)定，計(jì)算功率，改變PWM占空比，達(dá)到MPPT控制的實(shí)現(xiàn)［2］。

3　風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)子系統(tǒng)的控制策略

3.1光伏子系統(tǒng)控制

首先，本次研究中，通過(guò)MATLAB/SIMULINK搭建光伏電池仿真模型，從而達(dá)到對(duì)光伏電池最大功率跟蹤仿真模型的實(shí)現(xiàn)；其中的參數(shù)如下：開(kāi)路電壓320 V、短路電流10.65 A、最大功率電壓300 V、最大功率電流10.25 A、串聯(lián)電阻2.000 Ω、電壓電流溫度系數(shù)為0.700/0.015。其次，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)分析能夠了解到，采用傳統(tǒng)的算法跟蹤在整個(gè)過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)相對(duì)性的震蕩，因而輸出具有不穩(wěn)定性，但是，通過(guò)本次研究中所選擇的方法，則可以解決相關(guān)的問(wèn)題，提升跟蹤速度至0.1 s內(nèi)，而且尋優(yōu)的效果非常明確，同時(shí)也更好的解決了穩(wěn)態(tài)誤差所造成的最大功率不穩(wěn)定問(wèn)題。

3.2風(fēng)力發(fā)電子系統(tǒng)控制

首先，按照MATLAB/SIMULINK搭建風(fēng)力機(jī)仿真模型，其發(fā)電機(jī)參數(shù)包括定子等效電阻0.05 Ω、定子繞組的d軸電感0.006 35 Hz、q軸電感0.006 35 H、磁通系數(shù)0.194 4、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0.192 kg·m2，以及極對(duì)數(shù)36；其次，需要選擇永磁同步發(fā)電機(jī)、變換器、MPPT控制器等相關(guān)模塊，然后共同組建風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型，其中的系統(tǒng)基本參數(shù)可以選擇額定風(fēng)速8 m/s，風(fēng)輪半徑1.6 m。根據(jù)仿真分析，最后得到的最大功率點(diǎn)在0.2 s時(shí)［3］。

3.3蓄電池在SIMULINK里的建模

蓄電池模型有實(shí)驗(yàn)型、化學(xué)型、等效電路型，最后一種為動(dòng)態(tài)模擬分析合適類型；平抑的作用在于儲(chǔ)能環(huán)節(jié)的能量調(diào)節(jié)，因此，是對(duì)輸出功率間歇性的控制，以及對(duì)電量損耗或不夠的預(yù)防；本次研究選擇蓄電池模塊、雙向變換器DC-DC，然后達(dá)到開(kāi)關(guān)段Q1與Q2的互補(bǔ)。

4　風(fēng)光互補(bǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)儲(chǔ)能控制策略的仿真

首先，聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)對(duì)象在于能量產(chǎn)生環(huán)節(jié)與消耗環(huán)節(jié)，其中會(huì)受到外界各條件的影響，也包括多個(gè)隱形模式與供電模式；蓄電池的一種狀態(tài)為充電過(guò)程的負(fù)載、另一種是放電過(guò)程的電源性性質(zhì)；但在兩種共同作用時(shí)，其功率之合大于參考功率，所以結(jié)果是充電性制裁，相反的情況則是放電性質(zhì)。那么為了達(dá)到平抑，就需要做好控制，通常來(lái)看，控制策略流程可以選擇有風(fēng)無(wú)光、有光無(wú)風(fēng)兩種狀態(tài)，然后，再進(jìn)一步深入分析，得到聯(lián)用的運(yùn)行模式。其次，通過(guò)MATLAB/SIMULINK搭建仿真模型，風(fēng)力機(jī)1.5 M、光伏風(fēng)光蓄電聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)以500 kW為準(zhǔn)構(gòu)建仿真模型，根據(jù)此次研究發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)輸出功率有波動(dòng)，所以，需要通過(guò)對(duì)儲(chǔ)能量的快速吞吐能力的有效發(fā)揮來(lái)實(shí)現(xiàn)削峰填谷的功能，從而利用儲(chǔ)能環(huán)節(jié)達(dá)到功率的參考電量滿足，以此降低電量的波動(dòng)性，提高對(duì)能源的利用率［4］。

5　結(jié)語(yǔ)

在研究風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)方面，需要做好基本結(jié)構(gòu)的搭建、工作原理的分析，并對(duì)MPPT控制算法進(jìn)行具體探討；利用對(duì)仿真建模的研究，開(kāi)展具體的仿真分析，在充分的理論基礎(chǔ)之上，對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)功能加以仿真，并使其達(dá)到最大化的功能體現(xiàn)與能源的最有效利用；另一方面，需要認(rèn)識(shí)到這一系統(tǒng)的龐大、復(fù)雜性，并且對(duì)這一工作模式進(jìn)行進(jìn)一步的深入研究，并盡可能地結(jié)合實(shí)踐工作進(jìn)行不斷的方案優(yōu)化與流程改造，使其在專業(yè)化的發(fā)展方向上獲得更好的完善與利用。

［1］胡曉青，程啟明，白園飛，等.基于三環(huán)反饋解耦控制策略的儲(chǔ)能元件在風(fēng)光互補(bǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2013（13）:97-103.

［2］蔡國(guó)偉，孔令國(guó)，楊德友，等.大規(guī)模風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)建模與運(yùn)行特性研究［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2012（1）:65-71.

［3］艾斌，楊洪興，沈輝，等.風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)（Ⅰ）CAD設(shè)計(jì)方法［J］.太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2003（4）:540-547.

［4］李少林，姚國(guó)興.風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電蓄電池超級(jí)電容器混合儲(chǔ)能研究［J］.電力電子技術(shù)，2010（2）:12-14.

（編輯：苗運(yùn)平）

Study on the Wind Solar Hybrid Power Generation System MPPT and the Control Strategy of Energy Storage

Wang Ning1，Chen Lei2，F(xiàn)eng Liangtao3
（1.Qinggong College，North China University of Science and Technology，Tangshan Hebei 063000；2.North China University of Science and Technology Graduate School，Tangshan Hebei 063000；3.State Grid North Hebei Electric Power Co.，Ltd.Tangshan Power Supply Company，Tangshan Hebei 063000）

This paper examines the scenery complementary power generation system MPPT and storage control strategies and related issues，analysis the scenery complementary common MMPT algorithm studied scenery complementary research on control strategy and Simulation of power system，subsystem.

wind and solar hybrid power generation system；MPPT；energy storage control

TM61

A

2095-0748（2016）13-0026-03

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.13.09

2016-05-30

河北省科技廳項(xiàng)目“基于風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)儲(chǔ)能控制研究”（15214511）。

王寧（1977—），女，河北唐山人，碩士研究生，畢業(yè)于河北理工大學(xué)，館員，研究方向：控制工程中的網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)。