基于幾何平均數(shù)的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)MPPT控制策略研究

李源啟，陳雪亮，李 巍，王興貴

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基于幾何平均數(shù)的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)MPPT控制策略研究

李源啟1，陳雪亮2，李 巍1，王興貴1

（1.蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院，蘭州 730050；2. 武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

根據(jù)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的輸出特性，研究了一種基于幾何平均數(shù)的最大功率跟蹤控制策略。首先，利用風(fēng)力和光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT分別計(jì)算出下一時(shí)刻的電壓占空比，然后利用幾何平均數(shù)求出兩個(gè)占空比的平均值。其次，用所求平均值控制風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的輸出電壓，從而保證風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)工作在最大功率點(diǎn)。最后，通過(guò)MATLAB/Simulink進(jìn)行了仿真分析，其結(jié)果驗(yàn)證了控制策略的有效性。

風(fēng)光互補(bǔ) 最大功率 發(fā)電系統(tǒng) 幾何平均數(shù)

0 引言

隨著科技的高速發(fā)展，全球?qū)δ茉吹男枨罅颗c日俱增。風(fēng)能和太陽(yáng)能作為清潔性能源，已經(jīng)受到國(guó)際上的廣泛關(guān)注[1]。由于單個(gè)發(fā)電系統(tǒng)容易受到風(fēng)速、光照強(qiáng)度等自然條件的制約和影響，只有將二者結(jié)合起來(lái)，才能揚(yáng)長(zhǎng)避短，提高發(fā)電效率[2]。

本文針對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的輸出特性，研究了一種基于幾何平均數(shù)的最大功率跟蹤控制策略。首先，利用風(fēng)力、光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT控制策略計(jì)算出下一時(shí)刻的電壓占空比。然后，用幾何平均數(shù)求出這兩個(gè)占空比的平均值，用求得的平均占空比值調(diào)整風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的輸出電壓，從而跟蹤控制系統(tǒng)的輸出功率。這樣就可以實(shí)現(xiàn)用一個(gè)DC-DC電路同時(shí)跟蹤控制風(fēng)力和光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率。進(jìn)而保證風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)工作在最大功率點(diǎn)。最后利用MATLAB軟件對(duì)該控制策略進(jìn)行了仿真，其結(jié)果驗(yàn)證了該控制策略的有效性。

1 基于同時(shí)跟蹤最大功率跟蹤控制策略

首先，利用風(fēng)力和光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT分別計(jì)算出下一時(shí)刻的電壓占空比。計(jì)算方法有：峰值功率跟蹤法、爬山搜索法、擾動(dòng)觀察法、模糊控制法[3-7]。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)主要包括：風(fēng)力機(jī)、光伏電池板、AC-DC整流電路、DC-DC升壓電路、MPPT等。電路圖如圖1所示：

圖1 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)電路

在統(tǒng)計(jì)學(xué)中，平均值的計(jì)算方法[8]通常有以下幾種：

1)簡(jiǎn)單算術(shù)平均數(shù)

就是通常意義上的平均值，即

2)加權(quán)算術(shù)平均數(shù)

該計(jì)算方法主要通過(guò)各變量在數(shù)據(jù)中的權(quán)值決定，其表達(dá)式為

3)調(diào)和平均數(shù)

該方法也稱(chēng)倒數(shù)平均數(shù)，計(jì)算如下：

（4）

將式（4）代入式（5）中，有

（6）

式（6）中，由完全平方不等式，對(duì)于任何正數(shù)，有

（8）

4)幾何平均數(shù)

（10）

將式（10）代入式（5）可得

由此，幾何平均數(shù)也適用于本系統(tǒng)。

基于以上分析，調(diào)和平均數(shù)與幾何平均數(shù)都適用于風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)步長(zhǎng)的平均值計(jì)算，現(xiàn)取具體數(shù)值進(jìn)行分析。

2 仿真分析

利用MATLAB/Simulink進(jìn)行仿真，具體條件給定如下：

則風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率如圖2所示：

（a）風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

（b）光伏發(fā)電系統(tǒng)

（c）風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)

由于控制策略的原因，系統(tǒng)的輸出功率會(huì)發(fā)生波動(dòng)。取波動(dòng)范圍內(nèi)的平均值作為分析依據(jù)。在第1s時(shí)，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。此時(shí)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的理論輸出功率為535 W，而實(shí)際輸出功率為465 W，功率損失13%；第2s時(shí)，系統(tǒng)的理論輸出功率為465 W，實(shí)際值為395 W，功率損失15%；第4 s時(shí)，理論值為540 W，實(shí)際值為480 W，損失11%；第6 s時(shí)，理論值、實(shí)際值、功率損失分別為470 W、435 W、7.4%。

通過(guò)以上數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)風(fēng)速或光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率中只有其中一個(gè)值發(fā)生變化時(shí)，該控制策略會(huì)造成風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率損失較大。這是因?yàn)楫?dāng)只有某一個(gè)發(fā)電系統(tǒng)輸出功率變化時(shí)，求幾何平均值改變了擾動(dòng)步長(zhǎng)的大小，從而使得風(fēng)力和光伏發(fā)電系統(tǒng)都沒(méi)有工作在最大功率點(diǎn)。而當(dāng)風(fēng)速和光照強(qiáng)度同時(shí)變化時(shí)，即風(fēng)力和光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率同時(shí)發(fā)生變化，這種情況下，幾何平均數(shù)法表現(xiàn)出了一定的適應(yīng)能力，功率損失降低到了7.4%。

3 結(jié)論

在本文中，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤集中在一個(gè)系統(tǒng)中進(jìn)行控制，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，降低成本。在預(yù)測(cè)準(zhǔn)確的情況下，所設(shè)計(jì)的控制策略可以在風(fēng)速和光照強(qiáng)度的正常變化范圍內(nèi)快速跟蹤風(fēng)力和光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率，從而保證風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)工作在最大功率點(diǎn)。

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Research on MPPT Control Strategy of Wind/solar Hybrid Generation System Based on Geometric Average

Li Yuanqi1, Chen Xueliang2, Li Wei1, Wang Xinggui1

（1.College of Electrical Engineering and information Engineering, Lanzhou university of Technology, Lanzhou 730050, China；2. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM315

A

1003-4862（2017）09-0014-03

2017-06-15

李源啟（1988-），男，碩士。研究方向：電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化。