滑模變結(jié)構(gòu)在風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉 倩，李 時(shí)，孫 靜，劉曉淞

(1.滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，安徽 滁州 239000； 2.國網(wǎng)滁州供電公司營銷部，安徽 滁州 239000)

0 引言

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)以其資源豐富、清潔安全、可再生的突出優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)成為新能源發(fā)電技術(shù)的主要代表。筆者針對這兩種發(fā)電系統(tǒng)高度非線性的特點(diǎn)，運(yùn)用滑模變結(jié)構(gòu)的非線性、對系統(tǒng)的干擾和參數(shù)攝動(dòng)具有完全自適應(yīng)性的突出優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)了基于滑模變結(jié)構(gòu)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)。

1 滑模變結(jié)構(gòu)

圖1中，A、B、C3點(diǎn)分別表示通常點(diǎn)、起始點(diǎn)和終止點(diǎn)，系統(tǒng)的狀態(tài)變量的運(yùn)動(dòng)有3種形式，若運(yùn)動(dòng)變量的運(yùn)動(dòng)軌跡慢慢向C點(diǎn)靠攏并逐漸趨于穩(wěn)定，此時(shí)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，正在進(jìn)行滑模運(yùn)動(dòng)。

圖1 超曲面示意圖

2 滑模變結(jié)構(gòu)控制器設(shè)計(jì)

2.1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)

在負(fù)荷已知的情況下，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電方式分為：

1)風(fēng)力充足的時(shí)候，風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的功率P(w)能完全滿足負(fù)荷的要求，這是一種工作模式，此時(shí)滑模面選擇為

2)另外一種工作模式就是風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的功率P(w)不能滿足負(fù)荷的要求，此時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作在最大功率輸出狀態(tài)，此時(shí)滑模面選擇為

圖2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)兩種工作模式之間切換

2.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)

和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)類似，當(dāng)負(fù)荷為已知的情況下，光伏發(fā)電系統(tǒng)也存在兩種運(yùn)行模式：其一是光線充足時(shí)候，其二是光線不足時(shí)不能滿足負(fù)荷需求的情況。

圖3 光伏發(fā)電系統(tǒng)兩種工作模式之間切換方式

3 實(shí)驗(yàn)仿真

以Matlab為平臺，針對滁州天長市氣象條件的變化，對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、太陽能發(fā)電系統(tǒng)在滑模變結(jié)構(gòu)控制器作用下的工作情況進(jìn)行仿真分析。

3.1 變環(huán)境時(shí)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)分析

當(dāng)環(huán)境風(fēng)速改變時(shí)，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的輸出特性曲線如圖4所示。取160 s的風(fēng)速變化曲線，上面一副圖是滁州天長市某天某時(shí)的風(fēng)速v，下面一幅圖的曲線表示的是風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的最大功率曲線，對比圖中兩條曲線可以看出，風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的最大功率曲線與風(fēng)力曲線高度相似。虛線表示當(dāng)?shù)貙?yīng)時(shí)間的負(fù)載曲線，分析得知，在第27 s～第35 s、第38 s～第42 s、第65 s～第87 s、第124 s～第129 s之間曲線在虛線之下，此時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)以最大功率運(yùn)行。其他時(shí)間段，曲線在虛線之上，此時(shí)風(fēng)力發(fā)電能滿足實(shí)際負(fù)載需求，觀察虛線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，可以看出當(dāng)負(fù)載功率發(fā)生變化時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)都能很好地跟蹤負(fù)荷。說明滑模控制器能很好地切換風(fēng)力發(fā)電機(jī)的兩種發(fā)電模式，起到了好的控制效果。

圖4 風(fēng)速變化時(shí)候的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出曲線

3.2 變環(huán)境時(shí)光伏發(fā)電系統(tǒng)分析

滁州天長市某天某時(shí)的光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度，光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出特性曲線如圖5所示。

圖6為光照強(qiáng)度變化及環(huán)境溫度變化時(shí)光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出曲線，第1幅圖中的曲線為光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的最大功率曲線Pmax，虛線為負(fù)荷Psref；第2幅圖中的曲線為光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的實(shí)際功率曲線Ps，從第15 s～第35 s，第40 s～第60 s，第100 s～第115 s，第125 s～第150 s，曲線都在虛線之上，此時(shí)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的風(fēng)力滿足負(fù)荷需求，按第一種工作模式發(fā)電，在虛線的轉(zhuǎn)折處，發(fā)電系統(tǒng)能很好地跟隨負(fù)荷，在其余時(shí)間段，虛線都在曲線之上，此時(shí)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的風(fēng)力不能滿足負(fù)荷需求，按第2種工作模式發(fā)電，說明滑?？刂破髂芎芎玫厍袚Q光伏發(fā)電系統(tǒng)的兩種發(fā)電模式，起到了好的控制效果。

圖5 光照強(qiáng)度變化曲線及環(huán)境溫度變化曲線

4 結(jié)語

針對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)高度非線性的特點(diǎn)，在變環(huán)境下設(shè)計(jì)了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)的滑模變結(jié)構(gòu)控制器，可根據(jù)用戶的實(shí)際負(fù)載變動(dòng)以及當(dāng)?shù)丨h(huán)境、氣候資源合理地優(yōu)化配置系統(tǒng)的容量，完成了在兩種工作模式之下的自由切換，很好地跟蹤負(fù)荷變化需求，提高了電網(wǎng)供電的可靠性、經(jīng)濟(jì)性，提高了控制品質(zhì)。