小型風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)MPPT策略研究

吳 萍

（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 三門峽472000）

由于全球環(huán)境問題的嚴(yán)重性，電力資源相當(dāng)匱乏，并且隨著當(dāng)前社會的發(fā)展，人們對電力能源的需求也在日益提升。不僅如此，工業(yè)發(fā)電雖然能夠彌補當(dāng)前當(dāng)?shù)叵到y(tǒng)中出現(xiàn)的不足，但是從整體而言，對于環(huán)境的破壞程度也隨之上升。因此當(dāng)前社會的發(fā)展就需要采用更為清潔環(huán)保的能源來取代工業(yè)發(fā)電，在當(dāng)前情況下，就研制出了風(fēng)光互補發(fā)電設(shè)備，這項系統(tǒng)的研發(fā)可以有效彌補其能源密度較低、穩(wěn)定性差以及容易受外界影響等不足，從而完善風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的實用性，為我國電力穩(wěn)定和環(huán)境保護(hù)提供了有效保障。對于光伏系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)來說，在系統(tǒng)屬性上都屬于非線性系統(tǒng)，因此對于這兩種系統(tǒng)的工作狀況來說，很難用精確的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述，因此采用了MAPPT的方式對這兩種系統(tǒng)進(jìn)行研究。

1.系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

小型風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)是一種能夠同時將風(fēng)能和太陽能進(jìn)行轉(zhuǎn)換、從而產(chǎn)生出電能的裝置。雖然在電力生產(chǎn)中，由于風(fēng)能與光能在獲取階段都有不穩(wěn)定因素存在，但是卻有著很強的互補性。因此對于風(fēng)光互補系統(tǒng)來說，可以更好地彌補風(fēng)能或光能系統(tǒng)獨立工作時在能源供應(yīng)中出現(xiàn)的各種不穩(wěn)定性。同時，它還能根據(jù)負(fù)載和具體的資源條件合理、靈活地配置系統(tǒng)的容量[1]。這樣一來，既能保證減少發(fā)電系統(tǒng)的成本，又能在一定程度上保證供電的可靠性。此外，風(fēng)光互補系統(tǒng)還可以作為一種離網(wǎng)的分布式供能系統(tǒng)，可以不依賴于電網(wǎng)，完成對蓄電池的獨立供電，并且不受地域限制，既節(jié)能又環(huán)保。

將風(fēng)力和光伏所產(chǎn)生的電能注入蓄電池中，可以有效消除天氣、環(huán)境等外界因素對電能供應(yīng)產(chǎn)生的不良影響，保證電力供需關(guān)系能夠達(dá)到平衡，此外還能在整個發(fā)電系統(tǒng)中，起到調(diào)節(jié)能量平衡負(fù)載的作用。電力系統(tǒng)的負(fù)載可分為直流電負(fù)載和交流電負(fù)載兩種類型，其中交流電負(fù)載的供電需要借助逆變器來實現(xiàn)。

2.系統(tǒng)的功率協(xié)調(diào)控制策略

2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT控制

當(dāng)前社會，太陽能與風(fēng)能已經(jīng)成為了當(dāng)前最具潛力的能源，已經(jīng)得到了世界各國的高度重視，而光伏發(fā)電系統(tǒng)也在分布式發(fā)電系統(tǒng)中扮演著重要角色。就目前而言，投資費用高、轉(zhuǎn)換效率低、輸出電能不穩(wěn)定等已經(jīng)成為限制其進(jìn)一步大規(guī)模推廣的主要因素。因此為了在光伏轉(zhuǎn)換效率一定的前提下，最大限度地發(fā)揮光伏的性能，研究高效的MPPT控制策略以使光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率最大化，對于促進(jìn)光伏發(fā)電的進(jìn)一步發(fā)展有著重要的意義。常用的MPPT控制算法主要有恒定電壓法、擾動觀察法、導(dǎo)納增量法、模糊控制法以及智能算法。但是這些算法在實現(xiàn)最大功率追蹤的過程中各自存在諸多弱點，如實現(xiàn)復(fù)雜、精度差、速度慢等，所以研究一種易于實現(xiàn)、精度高、速度快的高效MPPT控制策略勢在必行。

2.2 負(fù)載功率跟蹤控制

在周圍溫度相對固定的情況下，光照強度的變化可以直接改變風(fēng)光互補系統(tǒng)對電力的接受能力，通過圖1可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光伏電池處于最大功率點時其輸出電壓在某一恒定電壓附近穩(wěn)定。例如：可以首先設(shè)計出一個優(yōu)化電壓，然后再根據(jù)輸出電壓的變化，對電壓進(jìn)行實時跟蹤，并在跟蹤過程中通過不同情況來不斷對電壓值進(jìn)行優(yōu)化，從而能夠保證整個光伏電池當(dāng)前工作的最大功率。只有當(dāng)恒定電壓法的功率曲線和真實的最大功率曲線在某一光照強度相交時，跟蹤到的才是系統(tǒng)真實的最大功率點，其他情況下跟蹤到的都不是系統(tǒng)真實的最大功率點。優(yōu)點：1.控制思路簡單；2.可靠性較高；3.容易實現(xiàn)且系統(tǒng)的工作電壓比較穩(wěn)定。缺點：1.精度差；2.輸出功率小，跟蹤效率低；3.忽略了電池溫度對開路電壓的影響。因為光伏電池的轉(zhuǎn)換效率會隨著溫度的升高而有一定下降，光伏電池在使用時溫度會升高。以PVL-72為例，由表2-2(c)可以得到，溫度每升高1℃，其開路電壓隨著下降0.35%。

圖1 負(fù)載功率跟蹤控制原理圖

2.3 蓄電池充放電控制

在自然條件中，有許多不確定因素的存在，使小型風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)也隨著這些不確定因素在造成了功率出現(xiàn)無規(guī)則波動，從而導(dǎo)致風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池很少有機會能夠做到一次性充電完成。蓄電池本身對倍率有著一定要求，這些倍率在通常情況下，一般都會處于0.01～0.2C范圍之間，只有這樣才能保證蓄電池的放電倍率能夠處于0.004～0.05C之間。由于蓄電池長期都處于這樣的工作環(huán)境下，因此對于蓄電池的充電工作，則可以采取三段式充電方式。

例如：在對蓄電池進(jìn)行充電的初期，首先要對蓄電池的電荷狀態(tài)SOC做好檢測工作，如果蓄電池中的荷電狀態(tài)處于98%以上，則表明蓄電池處于滿電狀態(tài)，這時就可以針對蓄電池采取涓流式充電方法，從而補充蓄電池在放電過程中所消耗的額外電力。此外，當(dāng)工作人員對蓄電池進(jìn)行檢測的過程中，檢測結(jié)果顯示蓄電池的電荷狀態(tài)不足98%，那么就需要檢測人員重新對蓄電池端點電壓和電流進(jìn)行檢測，以便確認(rèn)電壓Uc與設(shè)定值Uset的大小關(guān)系，如果Uc大于Uset，就需要對蓄電池進(jìn)行恒壓充電，從而降低水解反應(yīng)問題出現(xiàn)，同時還能避免蓄電池充電過多，保證了蓄電池安全。如果說UC小于Uset，那么就說明蓄電池可接受充電的電量較大，這時就需要盡可能地利用風(fēng)能、光能對蓄電池實行MPPT充電，即實現(xiàn)對蓄電池的快速充電。

對于蓄電池的放電工作，要在放電閾值電壓最低的狀態(tài)下進(jìn)行，當(dāng)出現(xiàn)高于電壓閾值的時候，蓄電池放電工作要能夠滿足其負(fù)載需求。一旦低于當(dāng)前電壓閾值，就需要立刻將蓄電池電源切斷，防止過度放電現(xiàn)象。

3.系統(tǒng)仿真模型建立

在MATLAB/Simulink環(huán)境下，建立起小型風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)仿真模型。由此看出，光伏陣列和風(fēng)力機在實際操作中，分別與系統(tǒng)中兩個BUCK轉(zhuǎn)換器相連，從而進(jìn)行功率的協(xié)調(diào)控制工作以及對蓄電池充放電控制工作，并且將這兩種工作方式連接到同一個直流母線上，并且針對當(dāng)前電力發(fā)展需求，對蓄電池自身所形成的充放電工作采用相同轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)，從而達(dá)到節(jié)約成本的作用。此外，風(fēng)光互補系統(tǒng)中采用控制器的工作方式，能夠保證這項系統(tǒng)在運行過程中，能夠保持風(fēng)力發(fā)電與光伏發(fā)電之間形成互補關(guān)系，降低系統(tǒng)在運行過程中出現(xiàn)線路故障的風(fēng)險。同時這兩個系統(tǒng)在工作中相互獨立，不會出現(xiàn)互相影響。雖然這樣做會造成成本提升，但是安全系數(shù)得到了很大提高。

4.仿真結(jié)果研究

4.1 分析互補性

通過圖2可以了解到，一天之中的光照強度，最強時期是從早上六點到晚上六點，并且在這個時間段中，光伏陣列在日常工作中一直處于追蹤最大功率的工作狀態(tài)，因此對于其他時間段來說，光伏陣列則是處于休息狀態(tài)。

對于風(fēng)力機來說，晚上風(fēng)速相對較快，風(fēng)力也比較充足，因此在風(fēng)力機工作的過程中，一直都是處于負(fù)載功率跟蹤的狀態(tài)，主要是跟蹤負(fù)載以及蓄電池能夠接受的最大功率之和。而在其余的時間段中，風(fēng)力機則是抑制出現(xiàn)最大功率的跟蹤控制狀態(tài)。

通過上述分析我們可以準(zhǔn)確了解到，在一天的時間段內(nèi)，風(fēng)力機和當(dāng)前光伏陣列所進(jìn)行的協(xié)調(diào)工作，是根據(jù)當(dāng)前氣象條件以及電力用戶對用電的需求所進(jìn)行的功率控制，這樣一來既能滿足電力用戶的需要，又能保證蓄電池工作安全。

圖2 互補性分析

4.2 充放電控制分析

針對當(dāng)前風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)中蓄電池放電狀態(tài)可知（圖3）。當(dāng)時間處于0～0.3s之間的時候，光伏板在沒有光照的前提下，是不能運行工作的，這時能夠進(jìn)行正常工作的之后風(fēng)力發(fā)電機，但是對于風(fēng)力機而言，由于具有負(fù)載較輕的特性，因此在風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)中，兩大發(fā)電能源運行過程中，對于負(fù)載功率所表現(xiàn)出的需求，使修通數(shù)據(jù)中SOC不斷提升，同時提升的還有蓄電池在工作中所產(chǎn)生的電壓，這時就需要針對性地采取MPPT充電方式對蓄電池進(jìn)行充電。當(dāng)處于0.3s～0.4s這段時間中，光伏子系統(tǒng)以及風(fēng)力子系統(tǒng)所發(fā)功率大于負(fù)載和蓄電池所能接受的最大功率之和，并且還要保證在這個過程中，風(fēng)力機能夠處于負(fù)載功率跟蹤狀態(tài)，這時蓄電池電壓值將會大于當(dāng)前預(yù)設(shè)電壓值，讓蓄電池能夠處于恒定充電的狀態(tài)。在0.5s～0.7s之間，光伏陣列風(fēng)力機所發(fā)出的功率不能滿足當(dāng)前用戶需求的時候，通常情況下蓄電池往往出現(xiàn)放電趨勢，因此導(dǎo)致SOC數(shù)據(jù)也會慢慢減小 [4]。在0.7～1.7s這段時間，光伏陣列就會發(fā)揮出真正的作用，將放電功率提升到最大值。相對而言，風(fēng)力機在當(dāng)前情況下就會降低自身所發(fā)出的有效功率，然而這時所產(chǎn)生的功率，在一般情況下，都會滿足當(dāng)前電力用戶對電量的需求，而對于蓄電池來說，也將開始MPPT充電。

圖3 充放電控制仿真結(jié)果

5.結(jié)論

綜上所述，小型風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)功率控制策略，可以很好地發(fā)揮光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電各自的發(fā)電效率，不僅能夠滿足在日常工作和生活中電力用戶的需求，還能確保蓄電池和風(fēng)力機的安全運行，如此以來，就使得當(dāng)前系統(tǒng)在任何情況下，都能進(jìn)行高效穩(wěn)定的工作，保證電力系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定運行。使風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)勢得以有效互補和充分發(fā)揮，為我國電力穩(wěn)定和環(huán)境保護(hù)提供了有力支持。

【參考文獻(xiàn)】

[1]徐強,張海燕,秦臻,等.風(fēng)光互補發(fā)電及MPPT控制系統(tǒng)研究[J].電器與能效管理技術(shù),2015,(3):52-56.

[2]葛超銘,李少綱.風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)MPPT及其逆變電源控制的研究[J].電工電氣,2013,(2):6-9.

[3]王寧,陳磊,馮良韜.風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)MPPT及儲能控制策略研究[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化,2016,(13):26-28.

[4]王寧,陳磊,馮良韜.風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)MPPT及儲能控制策略研究[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化,2016,(13):26-28.