風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)控制仿真研究①

楊尚駿

(安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

現(xiàn)在,由于社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,世界各國政府和人民等對能源的要求也日漸提高,但是以原油,煤等為代表的不可再生能源卻日漸減少,而且對環(huán)境污染影響很大[1-2]。為了響應(yīng)國家碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)任務(wù)，以風(fēng)能和太陽能為代表的的清潔能源受到重視[3]。因為風(fēng)能和太陽能的波動性，采用最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)提高其發(fā)電效率[4]。根據(jù)風(fēng)能和太陽能的互補(bǔ)性，設(shè)計風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)提高系統(tǒng)發(fā)電效率，并通過儲能電池的運(yùn)用提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性[5-6]。通過仿真驗證設(shè)計的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)具有較好的最大功率跟蹤能力，同時蓄電池可以有效地充放電，并網(wǎng)側(cè)負(fù)載可以正常運(yùn)行，系統(tǒng)具有良好的系統(tǒng)穩(wěn)定性。

1 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的建模

1.1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本原理是外界的自然風(fēng)作用在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的扇葉上，帶動扇葉的轉(zhuǎn)動，使其產(chǎn)生機(jī)械能，然后通過風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的風(fēng)輪軸，將機(jī)械能輸出出去，接著通過電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能輸送到電網(wǎng)，最后到達(dá)用電負(fù)載，帶動電力設(shè)備運(yùn)行。

按照貝茨定律,即可求得風(fēng)力發(fā)電功率的數(shù)學(xué)模型如(1):

(1)

式(1)中，Cp是風(fēng)能利用系數(shù)；ρ是空氣密度，單位是Kg/m3,R是風(fēng)輪機(jī)的半徑，單位是m;V是風(fēng)速，單位為m/s.

通過公式可知在空氣密度，風(fēng)輪機(jī)的半徑，外界風(fēng)速一定的情況下風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電輸出功率和其風(fēng)能利用系數(shù)Cp成正比關(guān)系[7]。

其中風(fēng)能利用系數(shù)是關(guān)于葉尖速比與漿距角的非線性函數(shù)。其關(guān)系如式(2):

(2)

式(2)中，n為風(fēng)輪動作的轉(zhuǎn)速，ωw為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時候機(jī)械角速度，R為風(fēng)葉半徑，v為風(fēng)速。

通過建立風(fēng)力機(jī)模型，其風(fēng)能利用系數(shù)Cp與葉尖速比λ和漿距角β存在如圖1關(guān)系。

由圖1可知在不同的漿距角下風(fēng)能利用系數(shù)Cp的值不同，且一直變化。在一定的漿距角下，隨葉尖速比的變化風(fēng)能利用系數(shù)Cp而變化，但是存在一點(diǎn)λm在其變化過程中使得Cp最大，從而使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)有最大發(fā)電功率。

通過分析可以得到風(fēng)能利用系數(shù)Cp最大時最大漿距角為0，而當(dāng)漿距角為20時風(fēng)能利用系數(shù)最小，通過模型將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的漿距角定為0，即研究風(fēng)能利用系數(shù)Cp與葉尖速比λ的關(guān)系，通過對葉尖速比的調(diào)節(jié)使風(fēng)能利用系數(shù)最大。從而獲得最大發(fā)電功率。

將葉尖速比λ帶入到發(fā)電輸出功率的公式中，可以分析得出：通過對葉尖速比的調(diào)節(jié)可以獲得最大風(fēng)能利用系數(shù)，即我們?yōu)榱藢崿F(xiàn)風(fēng)力機(jī)的最大功率跟蹤可以通過對風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。進(jìn)而實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的高效運(yùn)行。傳統(tǒng)的MPPT方法有葉尖速比法，擾動觀察法，功率信號反饋法[8]，結(jié)合傳統(tǒng)的MPPT方法的優(yōu)缺點(diǎn)，為了實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤設(shè)計了功率反饋法與擾動觀察法相結(jié)合的方法，可以有效的完成。經(jīng)過剖析了傳統(tǒng)MPPT方式的特點(diǎn),并設(shè)計了一個功率反饋分析法和擾動分析法相結(jié)合的大功率追蹤方式,利用本方式能夠更高效的對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實現(xiàn)大功率追蹤,從而使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。在Matlab/Simulink中搭建的仿真模型如圖2所示。

1.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)模型

光伏發(fā)電的原理是利用半導(dǎo)體的光伏效應(yīng)，當(dāng)光線投射在電池表面的時候，材料內(nèi)部的P-N結(jié)中的電子移動，使電池兩端產(chǎn)生電勢差由此產(chǎn)生電流，進(jìn)而使光能轉(zhuǎn)化為電能。

在理想狀態(tài)下的光伏電池可以等效成一個二極管和電流源的并聯(lián)，但是在實際使用過程中我們還必須考慮所有的內(nèi)阻。因此，光伏電池的等效電路如圖3所示。

根據(jù)圖3中的光伏電池原理圖可以得到流過負(fù)載R的電流為式(3)：

I=Iph-Id-Ish

(3)

式(3)中Id的表達(dá)式為式(4)：

(4)

式(4)中：Io為二極管反向飽和電流(A);K為玻爾茲曼常數(shù)，大小為1.38×10-23J/K;電子電荷q=1.6×10-23C;T為絕對溫度(K);A為P-N結(jié)因子，在此系統(tǒng)中取1。

流過Rsh的電流Ish為式(5)：

(5)

將式(4)和式(5)帶入式(3)中計算可以得到(6)：

(6)

從式(6)中可以看出，光伏電池輸出電流和串聯(lián)電阻Rs成反比關(guān)系,并與并聯(lián)電阻Rsh成正比。一般在光伏電池中Rs小于1Ω，Rsh約幾千歐姆，所以可以將Rs在計算忽略不計，Rsh視為斷路，因此式(6)可以簡化為式(7)：

(7)

然而，光伏電池在應(yīng)用時容易受到外界因素的影響，所以在應(yīng)用時一般采用工程光伏電池模型(8)：

(8)

其中C1,C2為其修正系數(shù)，其滿足式(9)：

(9)

(10)

采用定步長擾動法實現(xiàn)最大功率跟蹤，光伏發(fā)電系統(tǒng)在Matlab/Simulink搭建的仿真模型如圖4所示。

1.3 蓄電池和并網(wǎng)側(cè)模型模型

在理想狀態(tài)下蓄電池的充放電可以簡單的等效為電壓源串聯(lián)一個小內(nèi)阻，建立蓄電池儲能的等效模型[9]。通過逆變器將電能輸送到系統(tǒng)中，然后提供給負(fù)荷使用[10]。模型中利用對蓄電池的充放電來平衡系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性,以便保障能量的順利傳遞,在能量傳遞部分引入雙向的DC/DC自動變換器,雙向DC/DC自動變換器主要是在保證輸入,輸出電流極性恒定的情況下,按照需要改變輸送電流的走向,以便達(dá)到能量的雙向運(yùn)行,以便更好的適應(yīng)控制系統(tǒng)的需要,使蓄電池穩(wěn)壓穩(wěn)流均衡,并通過PI控制系統(tǒng)對雙向DC/DC自動變換器進(jìn)行監(jiān)控,而文中使用的則是電流外圈,電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)級聯(lián)控制方法。其控制模型如圖5所示。

2 仿 真

2.1 仿真參數(shù)設(shè)定

設(shè)定風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)初始風(fēng)速8m/s;在t=1s時風(fēng)速變?yōu)?0m/s；漿距角為0。光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)定初始溫度為25℃，初始光照強(qiáng)度為1200W/m2;在t=1.5s時刻下降為1000W/m2。

2.1 仿真結(jié)果

為了驗證仿真模型的精確性和準(zhǔn)確性，設(shè)定仿真總時間為4s進(jìn)行仿真實驗。

2.1.1 最大功率跟蹤分析

通過變化風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)風(fēng)速，仿真實驗得出風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的風(fēng)能利用系數(shù)變化曲線如圖6所示；風(fēng)力機(jī)輸出功率如圖7所示。由圖6和圖7可以看出當(dāng)系統(tǒng)啟動時風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)開始運(yùn)行風(fēng)能利用系數(shù)短時間內(nèi)到達(dá)最大利用處為0.48，且風(fēng)力發(fā)電輸出功率迅速增加直到穩(wěn)定在4200W附近，當(dāng)風(fēng)速在1s時突變?yōu)?2m/s風(fēng)能利用系數(shù)迅速變化，并迅速穩(wěn)定在最大風(fēng)能利用系數(shù)處，且風(fēng)力機(jī)輸出功率迅速上升并穩(wěn)定在7500W附近。同時通過改變光伏發(fā)電系統(tǒng)的光照強(qiáng)度，得到光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率圖。由圖8可以看出光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率在開始時穩(wěn)定在3750W附近，當(dāng)在1.5s時光照強(qiáng)度突變?yōu)?000W/m2的時候，光伏發(fā)電輸出功率迅速降低，并迅速穩(wěn)定在3000W附近。

設(shè)定系統(tǒng)仿真時間為4s，通過系統(tǒng)的仿真實驗得出蓄電池部分的參數(shù)變化。由圖9蓄電池荷電狀態(tài)SOC(容量)的一直處于上升的狀態(tài)，說明蓄電池一直在吸收并網(wǎng)線路中多余的無功功率，在進(jìn)行充電。由圖9中可以看出蓄電池的輸出功率為負(fù)功，說明其一直在吸收功率。由此可以看出蓄電池處于正常有效的充放電狀態(tài)。由圖10可以看出開始時發(fā)電系統(tǒng)中的功率為蓄電池功率，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)開始運(yùn)行時，蓄電池由于開始時放電，此時未處于滿荷電狀態(tài)，開始吸收系統(tǒng)中的功率，同時負(fù)載也開始運(yùn)行，當(dāng)在風(fēng)速和光照強(qiáng)度變化時，負(fù)載未收影響繼續(xù)在額定功率下運(yùn)行，在2-3s時負(fù)載功率增加到6000W時，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，光伏發(fā)電系統(tǒng)，蓄電池未受影響，沒有產(chǎn)生波動，而且蓄動力電池所吸收的最大功率與負(fù)荷功率之和,相當(dāng)于風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)功率和光伏發(fā)電系統(tǒng)功率之和

3 結(jié) 語

通過基于Mtlab/Simulink的建模與仿真，分析了基于功率反饋法和擾動觀察法相結(jié)合的風(fēng)力發(fā)電最大功率跟蹤和基于定步長擾動法光伏發(fā)電最大功率跟蹤的性能結(jié)果，表明利用提出的方法可以及時有效的完成系統(tǒng)的最大功率跟蹤。通過對整個風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的仿真建模，驗證了系統(tǒng)中的蓄電池能夠正常充放電，并網(wǎng)側(cè)負(fù)載可以有效的運(yùn)行，整個風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)可以高速、有效地運(yùn)行。