牛歡歡 ，鄭喻

(三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

基于MPPT的小型風光互補系統(tǒng)控制策略的研究

牛歡歡 ，鄭喻

(三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

為了確保小型風光互補發(fā)電系統(tǒng)的可靠性運行，提高能源利用率，提出了包含最大功率跟蹤控制，負載跟蹤控制和蓄電池充放電控制的功率協(xié)調(diào)控制策略，并在MATLAB/Simulink環(huán)境下搭建整個系統(tǒng)的仿真模型，驗證了控制策略的可行性。

風光互補發(fā)電系統(tǒng)；協(xié)調(diào)控制策略；最大功率跟蹤控制；負載功率跟蹤控制

1 引言

目前，風力發(fā)電和光伏發(fā)電作為清潔能源越來越受到人們的重視。本文是基于風能太陽能在季節(jié)分布上良好的互補性，提出了由風力機和光伏陣列及蓄電池作為儲能裝置構(gòu)成的風光互補發(fā)電系統(tǒng)，從而彌補單一能量密度低、穩(wěn)定性差，受氣象影響大等缺點。文中對風光互補系統(tǒng)的MPPT控制進行了分析探討，提出較經(jīng)濟、實用的控制策略。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

小型風光互補發(fā)電系統(tǒng)由能量產(chǎn)生、能量儲存、能量消耗三個環(huán)節(jié)構(gòu)成，總體結(jié)構(gòu)。

如圖1所示。能量產(chǎn)生環(huán)節(jié)又分為風力發(fā)電和光伏發(fā)電兩部分；能量儲存環(huán)節(jié)由蓄電池來承擔，引入蓄電池是為了消除由于天氣等原因引起的能量供應(yīng)和能量需求的不平衡，在整個系統(tǒng)中起到了調(diào)節(jié)能量和平衡負載的作用；能量消耗環(huán)節(jié)就是各種用電負載，可分為直流和交流兩類負載，交流負載需要逆變器連入電路。

圖1 小型風光互補系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 系統(tǒng)的功率協(xié)調(diào)控制策略

3.1 最大功率跟蹤控制

在風光發(fā)電應(yīng)用的過程中，通過提高風能和太陽能的利用率來提高用戶的經(jīng)濟效益，因此，使風力機和光伏陣列處于最大功率輸出具有重要的意義。目前，風力發(fā)電最大功率跟蹤控制最常用的MPPT有三種：葉尖速比法，爬山發(fā)，功率信號反饋法[1]，本文中選擇的風力發(fā)電最大功率控制方法為爬山法。太陽能MPPT的控制常用的有電導(dǎo)增量法、擾動與觀察法、恒定電壓法[2-4]這三種，本文在光伏陣列進行最大功率跟蹤控制時選用的是電導(dǎo)增量法。

3.2 負載功率跟蹤控制

小型風光互補發(fā)電系統(tǒng)捕獲的能量既要供給負載，又要給蓄電池充電。當系統(tǒng)捕獲的能量大于負載和蓄電池可接受最大功率之和時，蓄電池會處于過充電狀態(tài)，此時，風力機的轉(zhuǎn)速上升，將嚴重危害系統(tǒng)的安全運行。為了保護蓄電池和風力機的安全，需要跟蹤蓄電池可接受的最大功率和負載所需功率之和，使風力機的工作點偏離最佳葉尖速比工作點，進而減小風能的吸收，使系統(tǒng)保持在安全的狀態(tài)下運行。當系統(tǒng)工作于負載功率跟蹤狀態(tài)時，由于端電壓變化不大，可以設(shè)定負載電流和蓄電池設(shè)定的充電電流作為輸入，與DC/DC變換器的實際輸出電流進行比較，其誤差經(jīng)PI調(diào)節(jié)后產(chǎn)生PWM調(diào)制信號，通過調(diào)節(jié)風力機側(cè)DC/DC變換器的占空比，從而來控制動態(tài)變化的負載電流和隨著控制方法不同而變化的蓄電池的充電電流之和，以此控制蓄電池的充電功率，使其保持在最大可接受的 蓄電池充電功率范圍內(nèi)。

圖2 負載功率跟蹤控制原理圖

3.3 蓄電池充放電控制

自然條件的隨機變化，使得小型風光互補發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的功率也隨之波動，從而導(dǎo)致蓄電池很少能快速、完整地一次性給蓄電池充滿電。蓄電池的充電倍率較低大概為0.01～0.02C，放電電流較小，放電倍率大概為0.004～0.05C。針對蓄電池這種長期處于浮充和循環(huán)的工作模式，本文中采用的是改進三段式充電方法[5-6]。

在充電初期，首先檢測蓄電池的荷電狀態(tài)SOC，如果荷電狀態(tài)大于98%，表明蓄電池充滿電，對蓄電池進行涓流充電，補充其自放電能量損失，使其減少發(fā)生析氣反應(yīng)。如果蓄電池荷電狀態(tài)小于98%，檢測蓄電池端電壓和電流，判斷蓄電池端電壓Uf>Uset，若Uc>Uset，進行恒壓充電，減少水解反應(yīng)發(fā)生，避免蓄電池過充，保證蓄電池安全。若Uc

對于放電，蓄電池要設(shè)置最低放電閾值電壓，高于最低放電電壓閾值時，盡可能滿足負載需求，一旦低于這個閾值電壓，立即切斷蓄電池，避免蓄電池過放。

4 系統(tǒng)仿真模型建立

在MATLAB/Simulink環(huán)境下，建立小型風光互補發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，如圖3所示。光伏陣列與風力機分別連接兩個BUCK變換器[7]，進行功率協(xié)調(diào)控制和蓄電池充放電控制，連接到同一直流母線上。這樣充放電與功率控制使用一個變換器，節(jié)約了硬件成本?？刂破鞑扇★L力發(fā)電和光伏發(fā)電獨立控制的形式[8-9]，這樣可以防止控制器發(fā)生故障時，系統(tǒng)完全癱瘓，不能對負載供電的危險。一旦其中一個控制器發(fā)生故障時，另一個還能在自然條件允許的情況下對負載進行持續(xù)供電。雖然成本比一個控制器集成控制要高，但是其安全系數(shù)得到了很大的提高。

5 仿真結(jié)果及分析

5.1 互補性分析

首先從光伏陣列來說，由于光伏陣列對溫度的影響變化沒有光照強度敏感，且一天之內(nèi)的溫度變化范圍并不是很大，所以把光伏陣列的溫度設(shè)置為恒定值25℃。從圖4可知，早六點到晚六點是一天中光照強度最大的時候，在這一時間段內(nèi)，光伏陣列一直處于追蹤最大功率的工作狀態(tài)，而在其他時間段內(nèi)，光伏陣列是處于不工作狀態(tài)。

對于風力機，由于在夜間，風速較大，風力機處于負載功率跟蹤狀態(tài)，跟蹤負載和蓄電池可接受的最大功率之和。其余時間段，風力機則處于最大功率跟蹤控制狀態(tài)。

從以上分析可以看出，在一天當中，風力機與光伏陣列協(xié)調(diào)工作，根據(jù)氣象條件和用戶用電需求進行功率控制，既滿足了用戶的功率需求，又保證了蓄電池的安全。

圖3 系統(tǒng)仿真模型

圖4 互補性分析

5.2 充放電控制分析

對蓄電池的充放電狀態(tài)可以對照圖5。在0～0.3s，光伏子系統(tǒng)無光照不工作，只有風力機工作，但是負載較輕，光伏陣列和風力機所發(fā)的功率大于負載需求，因此SOC不斷增加，蓄電池端電壓也隨之不斷增加，蓄電池進行MPPT充電。在0.3～0.4s，光伏子系統(tǒng)和風力子系統(tǒng)所發(fā)功率大于負載和蓄電池所能接受的最大功率之和，風力機處于負載功率跟蹤狀態(tài)，蓄電池電壓大于預(yù)設(shè)電壓值，蓄電池處于恒壓充電階段。在0.5～0.7s，光伏陣列和風力機所發(fā)功率不能滿足用戶用電需求，蓄電池處于放電狀態(tài)，SOC逐漸減小。在0.7～1.7s，光伏陣列所發(fā)功率較大，風力機所發(fā)功率較小，剛剛能滿足用電需求用戶用電需求，且有小部分剩余電能進行儲能，蓄電池進行MPPT充電。在1.7～2s，風速逐漸變大，風力機所發(fā)功率逐漸增加，風力機和光伏陣列所發(fā)功率大于用戶用電需求，且剩余電能較多，蓄電池進行MPPT充電，因此SOC顯著增

圖5 充放電控制仿真結(jié)果

加。2～2.3s，加重用電負荷，光伏陣列和風力機所發(fā)功率不能滿足用戶用電需求，蓄電池進行放電，使得SOC不斷降低。2.3～2.4s，光伏陣列和風力機所發(fā)功率大于用戶用電需求，蓄電池進行充電，SOC開始增加。

6 結(jié)論

綜上分析，小型風光互補發(fā)電系統(tǒng)的功率控制策略很好地完成了其職能，滿足了用戶用電需求，保證了蓄電池和風力機的安全，使系統(tǒng)在任何工況下都能處于高效、穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

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Research on Small-scal Wind and PV Hybrid Generation System Control Strategy Based on MPPT

NIUHuan-huan，ZHENGYu

(College of Electrical Engineering & New Energy,China Three Georges University,Yichang 443002,China )

In order to ensure that small wind and solar power system reliably run,improve energy′s efficiency,the coordinated control strategy based on maximum power point tracking control,load power tracking control and battery charge and discharge control is put forward,And build a simulation model of the entire system in MATLAB / Simulink environment,verified the feasibility of the control strategy.

Wind/PV hybrid power generation system;coordinated control strategy;maximum power point tracking control;load power tracking control

2015-01-21

陳媛冰(1991-)，女，碩士，主要研究方向為電力電子高頻磁技術(shù)。

1004-289X(2015)05-0038-04

TM921

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