風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)控制研究

趙一豪，朱 偉，顧小興，吳遠(yuǎn)網(wǎng)

（1.常州大學(xué)機(jī)械與軌道交通學(xué)院，江蘇 常州 213164；2.江蘇星光發(fā)電設(shè)備有限公司，江蘇 泰州 225440；3.揚(yáng)州大學(xué)電氣與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

0 引言

風(fēng)能和太陽(yáng)能作為新能源發(fā)電形式的主要來(lái)源，在全球能源結(jié)構(gòu)中發(fā)揮了重要作用［1－3］。然而，由于它們的間歇性和波動(dòng)性，風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)輸出具有隨機(jī)的波動(dòng)頻率和幅度，導(dǎo)致并網(wǎng)過(guò)程產(chǎn)生安全風(fēng)險(xiǎn)［4］。因此，優(yōu)化大型風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)模型，分析其輸出功率波動(dòng)，同時(shí)協(xié)同利用聯(lián)合系統(tǒng)的能量?jī)?chǔ)備及不同能源系統(tǒng)之間的能量交互，實(shí)現(xiàn)能量的高效利用，是實(shí)現(xiàn)新能源安全可靠并網(wǎng)的關(guān)鍵［5－6］。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的模型優(yōu)化和控制策略等方面有大量研究［7－8］。李鳳祥等［9］采用場(chǎng)景分析法對(duì)風(fēng)光機(jī)組出力進(jìn)行預(yù)測(cè)，建立協(xié)同優(yōu)化模型，降低了風(fēng)光預(yù)測(cè)誤差對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的影響，提高了系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。Swati等［10］在風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)中實(shí)施了串聯(lián)補(bǔ)償策略，減輕了轉(zhuǎn)子側(cè)開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的定子諧波，同時(shí)在低風(fēng)速條件下提供電壓，滿足電網(wǎng)需求。Vikayakumar等［11］設(shè)計(jì)了風(fēng)光微電網(wǎng)的增強(qiáng)前饋控制器，并將電網(wǎng)側(cè)變流器接入弱電網(wǎng)控制，提高微電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。鄭懷華等［12］提出了基于非線性Lyapunov控制的儲(chǔ)能型控制系統(tǒng)，相較于傳統(tǒng)PI控制響應(yīng)速度更快、控制精度更高、魯棒性更強(qiáng)。李輝等［13］針對(duì)風(fēng)電機(jī)組變槳控制系統(tǒng)魯棒性差的問(wèn)題，提出考慮參數(shù)辨識(shí)的風(fēng)電機(jī)組變槳控制策略并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了改進(jìn)模型具有更好的魯棒性。

但是隨著輻照度、風(fēng)速等環(huán)境條件變化，光伏出力和風(fēng)機(jī)出力呈現(xiàn)出明顯的波動(dòng)性，傳統(tǒng)控制方法下發(fā)電功率與并網(wǎng)需求難以維持平衡狀態(tài)［14－15］。在光伏發(fā)電系統(tǒng)控制過(guò)程中波動(dòng)性問(wèn)題尤為突出，針對(duì)該問(wèn)題有學(xué)者對(duì)擾動(dòng)觀察法（P＆O）進(jìn)行了改進(jìn)研究。廖銀玲等［16］提出了一種基于改進(jìn)粒子群算法改進(jìn)的擾動(dòng)觀察法，減少了傳統(tǒng)智能算法的迭代過(guò)程，能快速跟蹤到全局最大功率點(diǎn)，在光照強(qiáng)度突變時(shí)均具備快速精準(zhǔn)的雙重跟蹤能力。葛傳九等［17］提出了基于布谷鳥(niǎo)算法和擾動(dòng)觀察法相結(jié)合的控制方法，通過(guò)布谷鳥(niǎo)算法加快收斂速度，提升收斂精度，而后利用小步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法進(jìn)一步提高后期的收斂精度。

在已有的模糊控制改進(jìn)擾動(dòng)觀察法的研究中［18］，使用dP／dU及其變化量作為模糊控制器的輸入量調(diào)整擾動(dòng)步長(zhǎng)。該方法相較于傳統(tǒng)方法更加快速準(zhǔn)確地追蹤到最大功率點(diǎn)，但是由于輸入量的局限性，追蹤到的功率點(diǎn)雖已在最大值附近，但仍有提升空間，且功率輸出穩(wěn)定性較差。因此本次研究將輸入量?jī)?yōu)化為dP／dU和dU，并且重新編寫(xiě)了控制器結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了隸屬度函數(shù)，最終對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了提出方法的優(yōu)越之處。然后將改進(jìn)后的控制方法應(yīng)用到光伏發(fā)電系統(tǒng)中，此外，建立了風(fēng)力機(jī)模型，并通過(guò)最佳葉尖速比策略控制最大功率點(diǎn)，保證功率穩(wěn)定輸出，并且把新的光伏系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)。并網(wǎng)過(guò)程中，為了防止冗余能源浪費(fèi)，儲(chǔ)能系統(tǒng)中蓄電池實(shí)施DC-DC控制策略平抑功率波動(dòng)，削峰填谷，實(shí)現(xiàn)功率平衡，減小線路損耗，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)

1.1 光伏發(fā)電陣列輸出特性

光伏陣列的輸出功率與輻照度和溫度有關(guān)，通過(guò)改變輻照度或溫度可改變光伏陣列的輸出。其出力表達(dá)式為［19］

式中：PPV為光伏出力；GAC為輻照度；PSTC為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下（輻照度1 000W／m2，溫度25℃）的最大測(cè)試功率；GSTC為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的輻照度（1 000W／m2）；k為功率溫度系數(shù)；Tc為電池板工作溫度；Tr為參考溫度。

選擇最大功率213.15W 的光伏陣列模型，并聯(lián)數(shù)為10，串聯(lián)數(shù)為70，環(huán)境溫度選擇25℃，輻照度選擇900 W／m2和1 000 W／m2，使用Simulink建立太陽(yáng)能電池模型，仿真得到該環(huán)境下光伏陣列輸出特性曲線，如圖1所示。

圖1 光伏陣列輸出特性曲線

圖1中的標(biāo)記點(diǎn)分別為900 W／m2和1 000 W／m2輻照度條件下光伏陣列的最大功率點(diǎn)，即900W／m2時(shí)最大功率點(diǎn)電壓為2 027 V，最大功率為134 750 W，1 000 W／m2時(shí)最大功率點(diǎn)電壓為2 030 V，最大功率為149 006 W，以該數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證最大功率點(diǎn)的跟蹤效果。

1.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤控制

傳統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）控制方法有擾動(dòng)觀察法和電導(dǎo)增量法等。擾動(dòng)觀察法跟蹤方法簡(jiǎn)單，但易損失部分功率，且跟蹤速度和準(zhǔn)確度較低。電導(dǎo)增量法相較于擾動(dòng)觀察法響應(yīng)快、精度高，但在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)傳感器精度要求較高，造價(jià)高。模糊控制改進(jìn)的擾動(dòng)觀察法利用模糊語(yǔ)言描述擾動(dòng)前后輸入變化的大小和正負(fù)，結(jié)合光伏陣列的輸出特性制定模糊控制規(guī)則，經(jīng)過(guò)模糊運(yùn)算和模糊推理，自動(dòng)調(diào)整擾動(dòng)步長(zhǎng)Us，以提高最大功率點(diǎn)跟蹤的速度和精度。

根據(jù)光伏電池輸出特性曲線分析可得如下電壓擾動(dòng)表達(dá)式［20］。

式中：α為變步長(zhǎng)速度因子，可調(diào)整跟蹤速度。

由式（2）可得，最大功率點(diǎn)處曲線斜率為0（dP／dU＝0），當(dāng)工作點(diǎn)遠(yuǎn)離最大功率點(diǎn)時(shí)跟蹤步長(zhǎng)大，反之步長(zhǎng)小。α可由式（3）估算。

式中：Ustep＿max是定步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法允許的最大步長(zhǎng)，｜dP／dU｜可由式（4）估算。

式中：m為接近1的正數(shù)；UOC為光伏陣列的開(kāi)路電壓。變步長(zhǎng)速度因子α可先由式（3）和式（4）計(jì)算其范圍，再通過(guò)實(shí)驗(yàn)調(diào)整決定其最終的取值。

以此可確定當(dāng)前工作點(diǎn)離最大功率點(diǎn)的靠近程度，電壓變化量dU的正負(fù)也可用來(lái)判斷當(dāng)前工作點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。綜合這些判斷結(jié)果和實(shí)際模糊控制規(guī)則，可以確定適當(dāng)?shù)臄_動(dòng)步長(zhǎng)Us。

改進(jìn)后的擾動(dòng)觀察法流程如圖2所示。控制原理為MPPT控制器從光伏陣列采集當(dāng)前電壓U與電流I，而后計(jì)算當(dāng)前功率P。將dP／dU和dU選擇為模糊控制器的輸入，將擾動(dòng)步長(zhǎng)Us選擇為模糊控制器的輸出。模糊控制器對(duì)輸入量進(jìn)行模糊化，并根據(jù)模糊規(guī)則隸屬度函數(shù)給出輸出量的模糊值，最后進(jìn)行去模糊化處理，輸出擾動(dòng)步長(zhǎng)Us。Us控制PWM波形生成器，進(jìn)而控制絕緣柵雙極晶體管（IGBT）的開(kāi)關(guān)，達(dá)到調(diào)控輸出功率的目的。

圖2 改進(jìn)后的擾動(dòng)觀察法流程

模糊化：模糊量dP／dU和Us選擇相同的模糊變量值（負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大），對(duì)應(yīng)的模糊子集記為dP／dU，Us＝｛NB，NM，NS，ZO，PB，PM，PS｝。其中，dP／dU的模糊論域定義為［－5，5］，模糊子集NB、PB采用梯形隸屬度函數(shù)表示，其他模糊子集采用均勻三角形隸屬度函數(shù)表示。為減少模糊規(guī)則數(shù)、降低模糊控制調(diào)節(jié)頻率，變量dU的模糊變量值選擇為負(fù)、零、正，對(duì)應(yīng)的模糊子集dU＝｛N，ZO，P｝。其中，模糊子集N、P采用梯形隸屬度函數(shù)，模糊子集ZO采用均勻三角形隸屬度函數(shù)，模糊論域定義為［－1，1］。Us的模糊論域?yàn)椋郏?，5］，所有模糊子集采用均勻三角形隸屬度函數(shù)表示。隸屬度函數(shù)曲線如圖3所示。

圖3 隸屬度函數(shù)曲線

為保證光伏陣列輸出具有足夠的精度和跟蹤速度，制定了Us的模糊控制規(guī)則，如表1所示。

表1 U s模糊控制規(guī)則

即表示：

對(duì)提出的模糊控制改進(jìn)的MPPT控制策略進(jìn)行建模仿真驗(yàn)證。驗(yàn)證模型使用光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)仿真模型。設(shè)定環(huán)境溫度為25℃保持不變，初始條件下輻照度為850 W／m2，當(dāng)t＝1～1.5 s時(shí)，輻照度線性增長(zhǎng)到1 200 W／m2，當(dāng)t＝2.5～3 s時(shí)，輻照度線性下降到850 W／m2，當(dāng)t＝4～4.5 s時(shí)，輻照度再次線性增長(zhǎng)到1 200 W／m2。選定光伏陣列最大功率為184.701 6W，并聯(lián)數(shù)為2，串聯(lián)數(shù)為6，仿真時(shí)間設(shè)定為5 s，得到4種MPPT控制方法下光伏陣列的輸出功率仿真波形，如圖4所示。

圖4 輸出功率曲線

分析圖4可知，輻照度為850 W／m2時(shí)，追蹤到的最大功率點(diǎn)為1 850 W 左右；輻照度為1 200 W／m2時(shí)，追蹤到的最大功率點(diǎn)為2 650 W 左右。擾動(dòng)觀察法在整個(gè)輸出過(guò)程中功率存在較大波動(dòng)，且在輻照度發(fā)生變化時(shí)，波動(dòng)幅度增加，穩(wěn)定性較差。電導(dǎo)增量法在輸出過(guò)程中功率波動(dòng)幅度減小，相較于擾動(dòng)觀察法穩(wěn)定性略有提高。傳統(tǒng)模糊控制擾動(dòng)觀察法輸出功率相較于上述2種方法僅產(chǎn)生小范圍波動(dòng)，穩(wěn)定性再次提高，且追蹤到最大功率點(diǎn)所需時(shí)間縮短，但在1.5～2.5 s輻照度穩(wěn)定在1 200 W／m2的過(guò)程中出現(xiàn)了波動(dòng)，且最大功率點(diǎn)的追蹤效果仍有提升空間。經(jīng)以dP／dU和dU為輸入的模糊控制擾動(dòng)觀察法改進(jìn)后，在保證最大功率點(diǎn)追蹤效果的同時(shí)，進(jìn)一步降低了輻照度變化過(guò)程的波動(dòng)，輸出功率穩(wěn)定性大幅提高。

1.3 光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)逆變控制

由上文選擇控制效果最佳的改進(jìn)后的MPPT控制方法，搭配Boost升壓電路完成光伏發(fā)電系統(tǒng)，并配合橋式逆變電路實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)。并網(wǎng)逆變器控制采用電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)控制，流程如圖5所示。

圖5 光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)逆變控制流程示意圖

2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

2.1 風(fēng)力機(jī)模型

風(fēng)力發(fā)電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(dòng)扇葉的轉(zhuǎn)動(dòng)，使其產(chǎn)生機(jī)械能，再通過(guò)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能輸送到電網(wǎng)。風(fēng)力發(fā)電功率波動(dòng)性較大，其具體出力和實(shí)際風(fēng)速相關(guān)，風(fēng)力發(fā)電模型為

式中：PW為風(fēng)力發(fā)電出力；PR為額定功率；vc為切斷風(fēng)速；vR為額定風(fēng)速；vF為截?cái)囡L(fēng)速。

按照貝茨定律，可求得風(fēng)力機(jī)的數(shù)學(xué)模型為

式中：Cp為風(fēng)能利用系數(shù)；ρ為空氣密度；R為風(fēng)輪的半徑；V為風(fēng)速。

根據(jù)式（6）可知，在確定了風(fēng)輪機(jī)的半徑和外界風(fēng)速之后，空氣密度可以看作是一個(gè)常量。因此，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電功率和風(fēng)能利用系數(shù)Cp成正比關(guān)系。風(fēng)輪轉(zhuǎn)速與風(fēng)速的比值為葉尖速比λ，其表達(dá)式為

式中：ωm為葉片的角速度；R為風(fēng)輪的半徑。式（6）中，Cp可由式（8）近似表示。

式中：β為槳距角，λi由式（9）決定。

從式（8）中可以看出，風(fēng)能利用系數(shù)Cp是葉尖速比λ和槳距角β的函數(shù)。當(dāng)槳距角β取不同的值時(shí)，隨著β的增大，Cp會(huì)減小，而對(duì)于某個(gè)固定的β值，存在一個(gè)唯一的λopt能夠使得Cp達(dá)到最大值。固定風(fēng)速，只有當(dāng)風(fēng)力機(jī)在某一特定轉(zhuǎn)速時(shí)，Cp才會(huì)達(dá)到最大值。對(duì)于特定的葉片，λopt是一個(gè)固定值。因此根據(jù)式（6），為了實(shí)現(xiàn)最大功率Pm和最高的風(fēng)能利用系數(shù)Cp，需要根據(jù)風(fēng)速調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速。

2.2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機(jī)側(cè)控制

使用直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，控制策略分為機(jī)側(cè)變流器控制和網(wǎng)側(cè)變流器控制2部分。其中機(jī)側(cè)變流器控制策略選用基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制，網(wǎng)側(cè)變流器控制策略選用基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的機(jī)側(cè)控制結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機(jī)側(cè)控制結(jié)構(gòu)

基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制為電流內(nèi)環(huán)和轉(zhuǎn)速外環(huán)雙閉環(huán)控制策略。轉(zhuǎn)速給定值與檢測(cè)到的轉(zhuǎn)速之差經(jīng)過(guò)PI控制器得到q軸電流的給定值，無(wú)功電流的設(shè)定為零。通過(guò)安裝在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的編碼器測(cè)量轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)位置角度，將檢測(cè)到的三相定子電流轉(zhuǎn)換為dq坐標(biāo)系下的電流id和iq，電流差經(jīng)過(guò)電流內(nèi)環(huán)解耦控制器后得到發(fā)電機(jī)定子d軸和q軸的給定電壓。利用變換矩陣將這些電壓轉(zhuǎn)換為兩相靜止坐標(biāo)系下的給定電壓，最后通過(guò)空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）模塊控制開(kāi)關(guān)管的連通和斷開(kāi)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)定子端輸出三相電壓的實(shí)際值與給定值的跟蹤，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)有功功率的控制，以實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能的捕獲。

2.3 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)控制

基于電網(wǎng)電壓定向的網(wǎng)側(cè)變流器的控制系統(tǒng)共有2個(gè)電流內(nèi)環(huán)和1個(gè)直流電壓外環(huán)。在電壓定向的控制下，ABC靜止坐標(biāo)系下的三相線電流ia、ib、ic被變換到dq坐標(biāo)系下的兩相電流id、iq，對(duì)這2個(gè)分量分別進(jìn)行控制，最后通過(guò)SVPWM模塊控制開(kāi)關(guān)管的連通和斷開(kāi)。基于電網(wǎng)電壓定向的網(wǎng)側(cè)變流器控制結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)控制結(jié)構(gòu)

3 風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)建模

3.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)

雙向DC-DC變換器能夠使儲(chǔ)能端和負(fù)載端的電壓穩(wěn)定不變，同時(shí)保持變換器兩端的電壓極性不變。通過(guò)調(diào)節(jié)變換器電流流向，使電流能夠雙向流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)能量反向，使變換器雙向工作。采用控制2個(gè)電力MOSFET（power MOSFET）的開(kāi)通和關(guān)斷的方式，實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，并通過(guò)并聯(lián)直流母線電容來(lái)減小電壓波動(dòng)。

蓄電池恒壓充電采用電流電壓雙閉環(huán)控制，雙閉環(huán)控制數(shù)學(xué)模型如式（10）、式（11）所示。電流閉環(huán)控制為

式中：Uref（s）是電流控制器的輸出電壓；Kpc和Kic分別是電流控制器的比例和積分增益；Iref（s）是設(shè)定電流值；I（s）是實(shí)際電池的輸出電流。電壓閉環(huán)控制為

式中：Iref（s）是電壓閉環(huán)控制器的輸入?yún)?shù)；Kpv和Kiv分別是電壓控制器的比例和積分增益；Uref（s）是設(shè)定電壓值；U（s）是實(shí)際電池的輸出電壓。

3.2 風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)建模

風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖8所示。對(duì)各個(gè)部分提出的控制策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證，建立風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)模型。

圖8 風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

仿真模擬某風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電設(shè)備并網(wǎng)供電，在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件（溫度25℃，輻照度1 000W／m2）下，當(dāng)?shù)乜諝饷芏葹?.2 kg／m3，風(fēng)速為12 m／s，當(dāng)t＝1 s時(shí)，風(fēng)速變?yōu)?1 m／s，輻照度變?yōu)?00W／m2。該聯(lián)合發(fā)電設(shè)備中光伏陣列的最大功率為213.15W，并聯(lián)數(shù)為10，串聯(lián)數(shù)為70，風(fēng)力機(jī)葉片直徑為28 m，蓄電池初始容量為80%。并網(wǎng)相間電壓為690 V，頻率為50 Hz，根據(jù)當(dāng)?shù)赜脩粲秒娯?fù)載情況，規(guī)定恒功率并網(wǎng)目標(biāo)值為370 000 W，設(shè)定仿真時(shí)間為2 s。光伏發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)的仿真模型如圖9—圖11所示。

圖9 光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真模型結(jié)構(gòu)

圖10 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真模型結(jié)構(gòu)

圖11 儲(chǔ)能系統(tǒng)仿真模型結(jié)構(gòu)

4 仿真結(jié)果分析

對(duì)風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)束后，得到光伏陣列和風(fēng)力機(jī)的輸出功率，如圖12、圖13所示。

圖12 光伏陣列輸出功率

圖13 風(fēng)力機(jī)輸出功率

圖12（a）為改進(jìn)模糊控制擾動(dòng)觀察法的輸入量與隸屬度函數(shù)之前光伏陣列的輸出功率，1 000 W／m2和900 W／m2輻照度條件下追蹤到的最大功率分別為149 000W 和134 750 W；圖12（b）為改進(jìn)后追蹤到的最大功率，分別為149 060 W 和134 755W。由圖1可知，該條件下光伏陣列輸出最大功率點(diǎn)分別為149 006W 和134 750 W，優(yōu)化前后追蹤結(jié)果均與理論值誤差極小，而優(yōu)化后的功率曲線在仿真初期達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)更快，且尋得最大功率點(diǎn)后的功率輸出更平穩(wěn)，波動(dòng)范圍更小。

由圖13可知，在12 m／s和11 m／s的風(fēng)速條件下，機(jī)側(cè)功率輸出分別為307 000 W 和236 000W。

仿真結(jié)束后，得到并網(wǎng)模式下的光伏發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)向電網(wǎng)輸出的功率，仿真結(jié)果如圖14所示，其中儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率小于零時(shí)蓄電池組充電，大于零時(shí)蓄電池組放電。由圖12—圖14可得本次實(shí)驗(yàn)各個(gè)系統(tǒng)輸出功率的數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 風(fēng)力、光伏發(fā)電系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出功率

圖14 風(fēng)力、光伏發(fā)電系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出功率

經(jīng)計(jì)算，光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變效率分別為91.27%和89.79%，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)逆變效率分別為91.21%和91.10%。

蓄電池荷電狀態(tài)如圖15所示。仿真時(shí)間初始0.2 s內(nèi)，由于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間內(nèi)輸出總功率不滿足并網(wǎng)功率需求，需要蓄電池放電，此時(shí)3個(gè)系統(tǒng)同時(shí)向電網(wǎng)送電。當(dāng)光伏陣列和風(fēng)力機(jī)輸出達(dá)到最大功率點(diǎn)時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的總發(fā)電功率超過(guò)并網(wǎng)功率需求，系統(tǒng)富余電力，蓄電池充電。當(dāng)?shù)竭_(dá)仿真時(shí)間1 s時(shí)，發(fā)電總功率低于并網(wǎng)功率需求，蓄電池放電。

圖15 蓄電池荷電狀態(tài)曲線

并網(wǎng)有功功率、無(wú)功功率和并網(wǎng)電流的仿真波形如圖16所示。實(shí)際有功功率在初始0.2 s內(nèi)波動(dòng)后保持在并網(wǎng)目標(biāo)值370 000 W 左右，且在仿真時(shí)間1 s，外部環(huán)境條件改變的情況下依然保持在目標(biāo)值左右，保證了并網(wǎng)電能質(zhì)量的安全穩(wěn)定；無(wú)功功率經(jīng)初始大范圍波動(dòng)和環(huán)境條件改變的大范圍波動(dòng)之后，均保持在較低值，盡可能保證送電過(guò)程中損耗最小，電流幅值穩(wěn)定在440 A左右。本次仿真對(duì)并網(wǎng)電流進(jìn)行了快速傅里葉變換分析，分別選取仿真時(shí)間0.7 s（環(huán)境變化前）的一個(gè)周期和仿真時(shí)間1.5 s（環(huán)境變化后）的一個(gè)周期，基頻為50 Hz，諧波失真率分別為0.83%和0.92%，均低于5%，達(dá)到了并網(wǎng)要求。

圖16 并網(wǎng)狀態(tài)下的有功功率、無(wú)功功率和電流曲線

5 結(jié)論

1）光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率的穩(wěn)定性受輻照度變化影響，傳統(tǒng)控制方法對(duì)輸出功率穩(wěn)定性有一定提升，但提升幅度有限，且犧牲了部分對(duì)最大功率點(diǎn)的追蹤效果。

2）經(jīng)改進(jìn)后的模糊控制方法優(yōu)化后，新型擾動(dòng)觀察法在應(yīng)對(duì)輻照度波動(dòng)的情況時(shí)，功率輸出波動(dòng)幅度小，同時(shí)保證了最大功率點(diǎn)的追蹤效果，相較于傳統(tǒng)控制方案具有優(yōu)越性。

3）將改進(jìn)后的擾動(dòng)觀察法應(yīng)用到風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中，進(jìn)行并網(wǎng)仿真，達(dá)到了并網(wǎng)功率需求和我國(guó)并網(wǎng)要求，優(yōu)化后的光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出穩(wěn)定性明顯提升，再次驗(yàn)證了提出控制方案的可行性和優(yōu)越性。