基于MPPT的分布式電源協(xié)調(diào)控制研究

范宇 孔憲佐

摘 要：本課題圍繞光伏電池和燃料電池的協(xié)調(diào)控制展開研究，首先建立光伏電池并網(wǎng)的整體模型。其次在分析電池單體及堆棧的發(fā)電原理，用基于電極的微觀動(dòng)態(tài)電化學(xué)電勢(shì)建立燃料電池的數(shù)學(xué)模型，最后，將燃料電池及光伏電池集成子模塊，在MATLAB/SIMULINK仿真軟件中進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果顯示光伏電池功率與燃料電池功率的和總是10kw。在此基礎(chǔ)上，將光伏電池與燃料電池等效為兩個(gè)直流源，通過一系列電力電子器件，并入電網(wǎng)，仿真結(jié)果證明，光伏電池和燃料電池混合并網(wǎng)系統(tǒng)可以向電網(wǎng)提供穩(wěn)定的功率輸出。

關(guān)鍵詞：光伏電池；燃料電池；協(xié)調(diào)控制；并網(wǎng)

1 緒論

本文建立一個(gè)關(guān)于分布式電源（Distributed Generator，DG）的完整可控的系統(tǒng)并進(jìn)行仿真是分布式發(fā)電技術(shù)研究的核心。研究分布式發(fā)電的效益和可行性，以及處理不平衡負(fù)載、系統(tǒng)諧波等問題，都可以歸納為分布式發(fā)電的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)問題。

以可再生能源光伏電池（Photovoltaic Cell，PV）和固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）為代表，模擬當(dāng)其中一個(gè)能源供電量發(fā)生變化時(shí)，另一個(gè)電源的功率變化。在功率指標(biāo)控制約束條件下，協(xié)調(diào)兩種電源各自的發(fā)電量，保證并網(wǎng)條件下，穩(wěn)定可靠的電能供給。

2 基于MPPT的PV和SOFC協(xié)調(diào)控制策略

協(xié)調(diào)控制就是系統(tǒng)能夠在不同的天氣條件下合理調(diào)節(jié)能量流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)化操作。

光伏電池和燃料電池都屬于分布式電源，分布式電源的可預(yù)測(cè)性和可控性都沒有傳統(tǒng)電源好，所以需要確定光伏電源和燃料電源的相關(guān)性，作為控制速度與控制強(qiáng)度衡量的標(biāo)準(zhǔn)。

相對(duì)于燃料電池來說，光伏電池的可控性稍差一些，因?yàn)楣庹諒?qiáng)度是大自然決定的，是不隨人的意志改變的，無法控制太陽(yáng)能電池板接收所需要的能量，所以，本課題采用控制燃料電池的數(shù)目來控制最后發(fā)出的總功率。

在白天光照強(qiáng)度大的時(shí)候，光伏電能可基本滿足需求，就不需要啟動(dòng)燃料電池；在晚上以及陰天無光照的情況下，光伏電池?zé)o法供電，就需要啟動(dòng)燃料電池供電，以滿足需求。冬季，白天光照強(qiáng)度不大，光伏電池同樣無法滿足需求，也需要啟動(dòng)燃料電池來補(bǔ)充不足的部分；燃料電池發(fā)電時(shí)產(chǎn)生的廢熱可在冬天為住戶供暖，這樣可以進(jìn)一步提高利用率，節(jié)省住戶的供暖費(fèi)用。

基于以上分析，采用光伏電池的電能全部供電，燃料電池輔助供電的協(xié)調(diào)控制方法，即用燃料電池補(bǔ)充不足電能。相對(duì)來說，燃料電池的發(fā)電量比較可控。

3 PV與SOFC協(xié)調(diào)控制仿真分析

本課題PV與SOFC協(xié)調(diào)控制模型在Matlab/Simulink軟件的實(shí)現(xiàn)。Signal Builder模塊提供太陽(yáng)光照強(qiáng)度的變化曲線，PV模塊中實(shí)現(xiàn)MPPT功能，輸出是功率。設(shè)定額定容量10kW，得到Ps給定，再經(jīng)過SOFC模塊得到實(shí)際輸出的功率Ps。本文PV輸出功率與光照強(qiáng)度的變化是一致的。圖1的曲線圖是兩者輸出功率的總和。從圖中可以看出，這個(gè)仿真結(jié)果實(shí)現(xiàn)了額定容量10kW的要求。

PV與SOFC協(xié)調(diào)控制并網(wǎng)分析?；谏鲜龇治?，PV與SOFC的協(xié)調(diào)控制輸出功率滿足了要求后，在 PV與SOFC在輸出功率滿足上節(jié)的變化曲線的前提下，輸出電壓與電流的變化。由于PV與SOFC發(fā)出的均是直流電，基于此，可以將PV與SOFC等效成直流源，設(shè)定輸出為400V，通過直流母線，經(jīng)逆變器等電力電子器件并入電網(wǎng)。圖12是PV與SOFC等效成直流源后，在Matlab/Simulink仿真軟件中進(jìn)行并入電網(wǎng)仿真分析，結(jié)果如圖2所示。

從圖2中可以得出，PV和SOFC混合并網(wǎng)系統(tǒng)可以向電網(wǎng)提供穩(wěn)定的功率輸出。

4 結(jié)論

本課題采用光伏電池的電能全部供電，燃料電池輔助供電的協(xié)調(diào)控制方法，即用燃料電池補(bǔ)充不足電能。相對(duì)來說，燃料電池的發(fā)電量比較可控。對(duì)PV與SOFC的協(xié)調(diào)控制在理論分析的基礎(chǔ)上，得出系統(tǒng)圖，通過系統(tǒng)圖，在Matlab/Simulink軟件中搭建出仿真模型，并且對(duì)其進(jìn)行了分析。最后將PV與SOFC等效成兩個(gè)直流源，并入三相電網(wǎng)分析，得出了結(jié)論：PV和SOFC混合并網(wǎng)系統(tǒng)可以向電網(wǎng)提供穩(wěn)定的功率輸出。

參考文獻(xiàn)：

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