光伏為主小型發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 亞，王章軍，黃澤琦，何佳迅，楊海艷

（1.重慶泰山電纜有限公司，重慶401120；2.上?；糸_光電技術(shù)有限公司，上海200000；3.湖北電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢430000）

0 引言

太陽能與風(fēng)能發(fā)電屬于清潔綠色能源，符合國家能源十四五發(fā)展規(guī)劃和低碳環(huán)保發(fā)展要求［1-3］。我國既是世界能源消費(fèi)大國，也是風(fēng)光資源豐富國家。光伏發(fā)電具有如下優(yōu)點(diǎn)：1）隨處獲得，減少電能傳輸損耗；2）無需長途運(yùn)輸，成本低；3）發(fā)電過程無廢物，環(huán)保；4）發(fā)電裝備少建設(shè)成本低。目前應(yīng)用最廣泛的新能源［4-5］。

風(fēng)力發(fā)電被廣泛應(yīng)用，但相比光伏發(fā)電有著環(huán)境、條件上的約束，如風(fēng)機(jī)與占地面積太大、風(fēng)能不可預(yù)測性與區(qū)域性，風(fēng)力發(fā)電具有不穩(wěn)定性［6-9］。

將太陽能和風(fēng)能有機(jī)結(jié)合構(gòu)成的風(fēng)光發(fā)電互補(bǔ)系統(tǒng)，不僅可以降低系統(tǒng)成本，還能夠提高系統(tǒng)供電的可靠性，更加適應(yīng)市場的需求［10-11］。因此本文設(shè)計(jì)光風(fēng)儲互補(bǔ)的小型發(fā)電系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)清潔綠色能源的最大利用。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)

1.1 光伏電池原理

光伏發(fā)電系統(tǒng)主要部件有光伏電池方陣、儲能設(shè)備（蓄電池）［12］、控制器、逆變器［13］、其他配套組件。設(shè)計(jì)時首先根據(jù)需求對光伏電池進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，其模型可用一恒流為Iph的電流源并聯(lián)一正向二極管表示，實(shí)際上光伏電池自身還存在電阻，如圖1所示，與光伏電池并聯(lián)的電阻Rsh稱之為旁路電阻，與之相串聯(lián)的電阻Rs稱之為串聯(lián)電阻［14］。

圖1 光伏電池的等效電路Fig.1 Equivalent circuit of photovoltaic

由光伏電池等效電路得出，其輸出電壓V與輸出電流I關(guān)系如式（1）所示：

取參考值：Sref=1 000 W/m2，Tref=25 ℃，a=0.002 5 A/℃，b=0.5，c=0.002 88 V/℃，在非標(biāo)準(zhǔn)光照強(qiáng)度和溫度下，對輸出特性進(jìn)行研究。本文查閱通用光伏電池規(guī)格參數(shù)，根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)（480 W），選擇JMD140-12P型號的多晶硅光伏電池［16-18］進(jìn)行設(shè)計(jì)。

根據(jù)以上選擇的光伏電池參數(shù)得到：Vm=17.5 V；Im=8 A；Voc=21.5 V；Isc=8.8 A；

通過Matlab 將上述數(shù)據(jù)代入式（1）以及式（2）-式（7）中，在不同光照強(qiáng)度S和不同溫度T下，分別得到不同的I-U曲線和P-U曲線，如圖2-圖5所示。

圖2 不同光照時的I-U圖像Fig.2 I-U images under different lighting conditions

圖3 不同光照時的P-U圖像Fig.3 P-U images under different lighting conditions

通過I-U曲線比較得出：1）U比較低時，I認(rèn)為不變化，此時光伏電池可看做一個恒定電流源。2）U過高時，I急劇下降至0，U=Voc。通過P-U曲線比較得出：P在U的變化范圍內(nèi)有一峰值，即此電壓下的最大功率點(diǎn)。

圖4 不同溫度時的I-U圖像Fig.4 I-U images at different temperatures

圖5 不同溫度時的P-U圖像Fig.5 P-U images at different temperatures

當(dāng)溫度不變，改變光照時：由I-U曲線知，Isc隨著S的變化而明顯改變，S降低，Vsc減小，而Voc變化幅度很小。由P-U曲線知，S降低，P減小，并且Vm也隨之會有改變。

當(dāng)光照不變，改變溫度時：由I-U曲線知，Isc和Voc都隨著T的變化而改變，T升高，Isc增加，而Voc減小。由P-U曲線知，P隨著T的改變有微弱變化，并且Vm也隨之左右移動。

因此對于480 W輸出系統(tǒng)，為了保證足夠的裕量，光伏電池至少能夠在光照強(qiáng)度1 000（光照強(qiáng)度最大）時能夠輸出560 W 以上的功率，需要2×2=4 塊同種型號（JMD140—12P）的光伏電池。

1.2 光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光伏電池選定后，接下來進(jìn)行光伏供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如圖6 所示。主要開展最大追光模塊中的Boost 電路和儲能系統(tǒng)相接的雙向DC-DC 電路設(shè)計(jì)，根據(jù)功率、母線電壓大小設(shè)計(jì)電路中具體元件參數(shù)。光伏電池輸出接Boost 電路，使光伏電池始終工作在最大工作點(diǎn)；由電感和電容組成的濾波器濾除了高次諧波，供給負(fù)載使用。雙向DC-DC電路與蓄電池組相接，作用是電能的雙向傳遞［19-20］。

圖6 光伏系統(tǒng)主電路圖Fig.6 Main circuit diagram of the photovoltaic system

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的光伏電池輸出的電壓Vph（Boost電路的輸入電壓Vin）最高值為43 V，考慮濾波電感的消耗無功功率，留有一定設(shè)計(jì)裕量，所以本次設(shè)計(jì)Boost 電路輸出的電壓Vdc選50 V，560 W電路的輸出電流最高可以達(dá)到11.2 A。Boost電路主要由電感L1、電容C1、二極管D0和受到MPPT控制的電力電子開關(guān)（IGBT）V0四部分組成［21-23］，如圖7所示。

圖7 Boost電路Fig.7 The Boost circuit

根據(jù)設(shè)計(jì)依據(jù)，選擇電感L1、電容C1、二極管D0、IGBT的V0參數(shù)如表1所示。

表1 Boost電路元器件參數(shù)Table 1 Component parameters of Boost circuit

光伏系統(tǒng)雙向DC-DC電路如圖8所示，當(dāng)直流側(cè)電壓達(dá)不到一定值時，即交流側(cè)出現(xiàn)欠壓時便需要額外的輸入，根據(jù)P=UI，當(dāng)光伏電池輸出功率不足時，為滿足負(fù)載需求，Vdc必然會降低，因此決定儲能設(shè)備是充電還是放電可以通過檢測直流側(cè)電壓Vdc的方式。當(dāng)Vdc低于參考值Vdc_ref時關(guān)斷V6調(diào)制V5使蓄電池放電，當(dāng)Vdc大于Vdc_ref時關(guān)斷V5調(diào)制V6使光伏電池向蓄電池充電。

根據(jù)儲能系統(tǒng)要求（30*12 V/120 A·h）雙向DCDC設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

圖8 雙向DC-DC電路Fig.8 DC-DC circuit

表2 DC-DC元件參數(shù)Table 2 DC-DC element parameters

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真分析

根據(jù)上一節(jié)的設(shè)計(jì)，本文在Simulink 環(huán)境下搭建了光伏系統(tǒng)的仿真模型，如圖9所示。

圖9 光伏供電系統(tǒng)仿真模型Fig.9 Simulation model of photovoltaic power supply system

本文針對光伏供電系統(tǒng)的光伏電池模塊、MPPT模 塊的Boost電路、儲能模塊進(jìn)行分析，如圖10-圖12所示。

圖10 光伏電池特性Fig.10 Photovoltaic cell characteristics

在t=1 s 時，改變光照，最大功率點(diǎn)的位置發(fā)生變化，算法模型在不同環(huán)境下，經(jīng)過了短時間的波動后，都實(shí)現(xiàn)了對最大功率點(diǎn)的跟蹤。

由圖11可知，當(dāng)光照強(qiáng)度低時，PWM 電路通過改變占空比來改變此時光伏電池輸出的電壓，使直流側(cè)電壓值保持不變，以此來穩(wěn)壓。

在1 s時，光照由1 000 W/m2突然減少到10 W/m2，從圖像可以看出，直流側(cè)電壓保持不變，光伏電池輸出幾乎為0，此時蓄電池電流值由正變負(fù)，說明此時蓄電池反向給負(fù)載充電，達(dá)到補(bǔ)充的效果。

圖11 MPPT控制模塊Fig.11 MPPT control module

圖12 儲能模塊特性Fig.12 Characteristics of energy storage module

2.2 實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證

依據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，搭建了光伏實(shí)物系統(tǒng)，如圖13所示。

圖13 光伏系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.13 Physical picture of photovoltaic system

對光伏電池的輸出特性曲線和不同光照強(qiáng)度下MPPT 的特性驗(yàn)證，通過上位機(jī)截取圖像，由實(shí)驗(yàn)可知，光伏電池輸出特性良好，并且能夠及時跟蹤光照變化，如圖14-圖15所示。

3 光伏-風(fēng)力發(fā)電平臺設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電過程其本質(zhì)是風(fēng)能—機(jī)械能—電能轉(zhuǎn)化，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要由風(fēng)機(jī)與AC-DC 模塊組成［24-26］。風(fēng)機(jī)選用三相異步交流風(fēng)機(jī)，實(shí)際功率可根據(jù)貝茲理論計(jì)算［27］，如式（8）所示。

式（8）中，P為風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率；ρ為空氣密度；S為風(fēng)輪掃掠面積；v為風(fēng)速；CP為風(fēng)能利用系數(shù)。最大輸出功率與風(fēng)能利用系數(shù)成正相關(guān)關(guān)系［28-29］。

圖14 光伏電池輸出特性Fig.14 Output characteristics of photovoltaic cells

圖15 光伏電池MPPT特性Fig.15 MPPT characteristics of photovoltaic cells

本系統(tǒng)選用功率為600 W 的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)［30-31］，為保證母線電壓穩(wěn)定，采用鼓風(fēng)機(jī)模擬了風(fēng)速上升、風(fēng)速下降、風(fēng)速先下降再上升三種情況，對風(fēng)機(jī)進(jìn)行了輸出端電壓穩(wěn)定性測試，如圖16所示。

圖16 風(fēng)機(jī)測試圖Fig.16 Fan test diagram

通過示波器對輸出電壓監(jiān)測，采集周期為5 s設(shè)定下，可看出，隨著風(fēng)速改變，風(fēng)電機(jī)輸出電壓Uout穩(wěn)定，滿足系統(tǒng)要求，如圖17-圖19所示。

3.2 光伏-風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制策略

本文以光伏發(fā)電為主，風(fēng)力發(fā)電為輔進(jìn)行控制策略設(shè)計(jì)，如圖20所示。

系統(tǒng)運(yùn)行模式分為離網(wǎng)與并網(wǎng)模式，離網(wǎng)模式為直流運(yùn)行模式，由光伏陣列直接向直流負(fù)載供電、光伏電池電能經(jīng)過雙向DC-DC 逆變器進(jìn)入蓄電池進(jìn)行儲存，當(dāng)光伏電池供能不足時，由風(fēng)機(jī)經(jīng)過AC-DC 逆變器為直流負(fù)載供能。并網(wǎng)模式時，為了保證電能質(zhì)量穩(wěn)定性，光伏電池經(jīng)過雙向DC-DC 逆變器、風(fēng)機(jī)經(jīng)過AC-DC逆變器將電能轉(zhuǎn)換成直流后進(jìn)入儲能系統(tǒng)，再由儲能系統(tǒng)經(jīng)過充放電控制器對交流負(fù)載進(jìn)行供電。

圖17 風(fēng)速增大UoutFig.17 Uout when wind speed increases

圖18 風(fēng)速降低UoutFig.18 Uoutwhen wind speed idecreases

圖19 風(fēng)速先降再升UoutFig.19 Uout when wind speed drops and then rises

3.3 光伏-風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)及仿真，搭建實(shí)物系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，如圖21所示。

圖20 光—風(fēng)發(fā)電系統(tǒng)控制策略Fig.20 Control strategy of wind-solar power generation system

圖21 風(fēng)光互補(bǔ)試驗(yàn)平臺Fig.21 Wind-solar complementary test platform

離網(wǎng)試驗(yàn)時，該系統(tǒng)可單獨(dú)作為能源對直流負(fù)荷進(jìn)行供電，適用于偏遠(yuǎn)或孤立環(huán)境。并網(wǎng)試驗(yàn)時，該系統(tǒng)可向就近負(fù)荷供電，為大電網(wǎng)減輕負(fù)擔(dān)。

4 結(jié)語

本文從工程需求出發(fā)，設(shè)計(jì)并搭建了一套光伏發(fā)電為主，風(fēng)力發(fā)電和儲能為輔的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)。通過對光伏電池特性的分析，建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行Matlab 的仿真探究，結(jié)合選定的光伏電池參量和輸出特性，對MPPT 與DC-DC 電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，利用Simulink軟件對本文發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)系統(tǒng)需求設(shè)計(jì)了風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，通過改變風(fēng)速模擬實(shí)際陣風(fēng)情況，對風(fēng)機(jī)系統(tǒng)輸出穩(wěn)定性進(jìn)行了驗(yàn)證。最后設(shè)計(jì)光伏-風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制策略，搭建小型發(fā)電系統(tǒng)，進(jìn)行離網(wǎng)與并網(wǎng)驗(yàn)證。