蔣 偉,李玉秋,呂洪善
(亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與電氣工程系,安徽 亳州236800)
傳統(tǒng)的分布式風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中,兩種能源形式各需要一個直流斬波電路,控制器協(xié)調(diào)控制開關(guān)管的通斷,將波動性和隨機(jī)性很大的直流輸入變?yōu)榭煽氐闹绷鬏敵?,并?lián)在公共的直流母線上,供給儲能設(shè)備或直流負(fù)載使用,其存在兩方面的缺陷:一方面結(jié)構(gòu)復(fù)雜且成本較高;另一方面,變換器中開關(guān)管和二極管的電壓應(yīng)力高。為此,構(gòu)建了一種基于雙輸入Boost電路的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng),可根據(jù)不同地區(qū)的資源條件,合理配置系統(tǒng)容量。
基于雙輸入Boost電路的分布式風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)包括風(fēng)力機(jī)、整流橋、PV陣列、控制器、雙輸入 Boost變換器、蓄電池、斬波器、逆變器和負(fù)載等,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 雙輸入Boost電路風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生的交流電通過整流橋變換為直流電,作為雙輸入Boost變換器的一路輸入,PV陣列輸出為直流電能,作為雙輸入 Boost變換器的另一路輸入。根據(jù)系統(tǒng)所處的地區(qū)實(shí)時自然條件的不同,兩種能源單獨(dú)或同時向系統(tǒng)供電,經(jīng)過直流斬波后,得到蓄電池所需直流充電電壓。蓄電池經(jīng)過DC/DC斬波器后給直流負(fù)載供電,如果是交流負(fù)載則利用DC/AC逆變器變換到所需交流電壓??刂破鞑杉L(fēng)力機(jī)和PV陣列所產(chǎn)生的電流信號、蓄電池電壓信號、負(fù)載側(cè)電流信號,經(jīng)過處理后產(chǎn)生兩路PWM脈沖信號,控制雙輸入Boost變換器中開關(guān)管的通斷,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤和蓄電池的充放電控制,同時產(chǎn)生另外兩路PWM信號控制DC/DC斬波器和DC/AC逆變器中開關(guān)管的通斷,保證負(fù)載的正常供電。
研究的重點(diǎn)放在雙輸入Boost電路和兩種能源的匹配上,即驗(yàn)證該風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)力和太陽光強(qiáng)度變化,在3種模式(風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單獨(dú)向負(fù)載供電;光伏發(fā)電系統(tǒng)單獨(dú)向負(fù)載供電;風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和光伏發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合向負(fù)載供電)下運(yùn)行能否分別實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。所以,將按照圖2所示構(gòu)建的雙輸入Boost電路風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)主電路進(jìn)行系統(tǒng)建模,負(fù)載采用蓄電池或直流負(fù)載,簡化了系統(tǒng)分析的難度。下述中風(fēng)力機(jī)和PV陣列建模的基本參數(shù)如表1所示。
圖2 雙輸入Boost電路風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電主電路
表1 風(fēng)力機(jī)和PV的基本參數(shù)
利用Matlab/Simulink軟件分別對風(fēng)力機(jī)和PV陣列進(jìn)行建模,其中,風(fēng)力機(jī)選用定槳距永磁直驅(qū)型風(fēng)力機(jī)。最后,建立雙輸入Boost電路風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型,該模型要求實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。
光伏陣列的輸出特性方程為
式中,Ipv為光伏陣列輸出電流;Vpv為光伏陣列輸出電流;IL為光生電流;I0為反向飽和電流;q為電子的電荷量;A為二極管因子;K為玻爾茲曼常數(shù);T為光伏電池溫度;Rsh為并聯(lián)電阻;R為串聯(lián)電阻。
建立PV陣列模型如圖3所示。
由貝茲理論可知,當(dāng)風(fēng)速小于額定風(fēng)速時,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組空氣動力學(xué)特性為
式中,PM為風(fēng)電機(jī)組從風(fēng)中捕捉的能量轉(zhuǎn)化成的機(jī)械功率,W;R 為葉片長度,m;ρ為空氣密度,kg/m3;CP為風(fēng)能轉(zhuǎn)換系數(shù);λ為葉尖速比;β為槳距角;vw為風(fēng)速,m/s。
圖3 PV陣列模型
轉(zhuǎn)矩可以表達(dá)為
式中,ω為風(fēng)機(jī)輪轂的角速度,rad/s。
式(3)中風(fēng)力機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩測量需要轉(zhuǎn)矩測量裝置,實(shí)現(xiàn)起來很困難,所以下述中風(fēng)力機(jī)最大功率跟蹤模型通過測量發(fā)電機(jī)輸出電功率來近似代替機(jī)械功率用于控制。
對于變槳距型風(fēng)力發(fā)電機(jī),CP(λ,β)特性可近似表示為
根據(jù)式(4)風(fēng)能利用系數(shù)與槳距角的關(guān)系可知,在相同葉尖速比下,槳距角為0°時的最大風(fēng)能利用系數(shù)最大,約為0.48,對應(yīng)的最佳葉尖速比約為8.1。在不同的風(fēng)速下通過控制風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速,使得風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在最佳葉尖速比下,從而使得風(fēng)力機(jī)獲得最大的風(fēng)能利用系數(shù)。
建立風(fēng)力機(jī)模型如圖4所示。
圖4 風(fēng)力機(jī)模型
建立雙輸入Boost電路風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型如圖5所示。
圖5 雙輸入Boost電路風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)仿真電路
PV陣列模型后面接個可控電流源作為雙輸入Boost電路的一路輸入,發(fā)電機(jī)采用軟件自帶的永磁同步發(fā)電機(jī)模塊,風(fēng)力發(fā)電單元作為雙輸入Boost電路的另一路輸入。電感參數(shù)的計(jì)算是復(fù)雜的,而采用仿真卻很方便,增加電感量可以減少輸出電壓的脈動,但是電感大,電感的體積也大,一般既要減少輸出電壓的脈動又要使電感不太大,設(shè)計(jì)采取的措施是提高變換頻率和采用電容濾波。
在白天或沒有風(fēng)時,光伏陣列的輸出功率占絕大部分,光伏陣列MPPT策略運(yùn)行。采集PV陣列輸出端的電壓和電流值進(jìn)行運(yùn)算,輸出PWM波控制雙輸入Boost電路中開關(guān)管S1的通斷,當(dāng)外在環(huán)境條件有所變化時,通過調(diào)整該P(yáng)WM波的占空比來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路的等效電阻,實(shí)現(xiàn)對太陽能電池板輸出電壓的調(diào)節(jié),從而使光伏陣列的輸出功率達(dá)到最大值。構(gòu)建的光伏陣列MPPT模型如圖6所示。
圖6 光伏陣列MPPT模型
在晚上或陰雨天時,光伏陣列輸出能量很少,風(fēng)力機(jī)提供功率,風(fēng)力機(jī)MPPT跟蹤思路如下:①實(shí)際風(fēng)速<啟動風(fēng)速,風(fēng)力機(jī)不工作,MPPT策略不運(yùn)行;②啟動風(fēng)速≤實(shí)際風(fēng)速≤額定風(fēng)速,MPPT策略運(yùn)行,風(fēng)力機(jī)實(shí)行變速運(yùn)行,在不同的風(fēng)速下均跟蹤 Cpmax曲線,隨著風(fēng)速的增大,轉(zhuǎn)速ω達(dá)到極限,此時風(fēng)力機(jī)功率未達(dá)到最大值,風(fēng)力機(jī)工作在最佳葉尖速比附近;③額定風(fēng)速<實(shí)際風(fēng)速<安全風(fēng)速,MPPT策略采用恒功率控制;④實(shí)際風(fēng)速>安全風(fēng)速,風(fēng)力機(jī)不工作。
由以上風(fēng)能最大捕獲的幾個階段可知,對系統(tǒng)進(jìn)行最大功率跟蹤只能在系統(tǒng)運(yùn)行于額定風(fēng)速以下時進(jìn)行,對于定槳距風(fēng)力機(jī)來說只有通過調(diào)節(jié)電功率的方式進(jìn)行微調(diào)??紤]到電路及電力電子器件功率限制及所受應(yīng)力限制等問題,采取合理的控制手段使風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在最佳功率曲線上實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲將直接影響到系統(tǒng)的性能。構(gòu)建的風(fēng)力機(jī)MPPT模型如圖7所示。
圖7 風(fēng)力機(jī)MPPT模型
結(jié)合光伏陣列和風(fēng)力機(jī)MPPT控制特點(diǎn),采用擾動觀察法,通過改變占空比D的大小來調(diào)節(jié)雙輸入變換電路輸入與輸出之間的關(guān)系,實(shí)現(xiàn)阻抗匹配的同時,又達(dá)到了最大功率跟蹤的目的。系統(tǒng)運(yùn)行時,控制器輸出PWM信號占空比為 D1,輸出功率為 P1,跟蹤初期給信號加一個擾動ΔD,擾動后的功率為P2,當(dāng)P2>P1時,繼續(xù)按此方向擾動,否則需要改變擾動方向,當(dāng)ΔD<Dmin時,停止擾動,此時的工作點(diǎn)近似為當(dāng)前的最大功率點(diǎn)。
仿真時間取0.6 s,在0.3 s時仿真模擬日照強(qiáng)度從800 W/m2到 1000 W/m2、風(fēng)速從 8 m/s到 10 m/s的變化情況,PV陣列、風(fēng)力機(jī) MPPT模型中ΔD均取0.001,光伏陣列和風(fēng)力機(jī)所產(chǎn)生的電能單獨(dú)或者同時供電時,雙輸入 Boost電路風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)輸出波形如圖8所示。
圖8 雙輸入Boost電路風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)仿真波形
1)當(dāng)PV陣列單獨(dú)工作時,輸出功率從104 W增加到132 W,通過調(diào)節(jié)雙輸入Boost電路中第一個開關(guān)管PWM波的占空比,使輸出電壓可以穩(wěn)定在系統(tǒng)最大功率所對應(yīng)的點(diǎn);
2)當(dāng)風(fēng)力機(jī)單獨(dú)工作時,發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速從50 rad/s增加到64 rad/s,輸出功率從 330 W 增加到520 W,風(fēng)能利用系數(shù)始終維持在0.48附近,說明系統(tǒng)是運(yùn)行在最佳葉尖速比下的;
3)兩種能源單元同時工作時,經(jīng)過較短時間調(diào)整,風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)輸出功率從430 W增加到650 W。
仿真結(jié)果表明,相對于傳統(tǒng)的分布式風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng),采用雙輸入Boost電路來實(shí)現(xiàn) MPPT是可行的,簡化了傳統(tǒng)的多輸入變換器的電路結(jié)構(gòu),提高了電壓增益,降低了開關(guān)器件電壓應(yīng)力;另一方面,MATLAB仿真結(jié)果還驗(yàn)證了光伏陣列和風(fēng)力機(jī)單獨(dú)或者同時供電時,系統(tǒng)可以穩(wěn)定工作在系統(tǒng)最大功率所對應(yīng)的點(diǎn),脈動小,充分利用了風(fēng)能和太陽能資源的互補(bǔ)性,提高了系統(tǒng)利用能源的效率。
[1]黃 群.風(fēng)電可持續(xù)發(fā)展思考[N].中國能源報(bào),2012.8.13.
[2]吳 威,張 吉,崔 琛,等.雙模式風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究[J].電工電氣,2012,6:5-7.
[3] Chen Ning.A New Wind/Photovoltaic Hybrid Power Generator[C]//Power and Energy Engineering Conference.Wuhan,2009.
[4]董英瑞,楊金明,胡海平.分布式風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制的研究[J].電測與儀表,2012,2 :48-51.
[5] Mehmed E,Erkan D,Suat S.A mobile renewable house using PV/wind/fuel cell hybrid power system[J].International Journal of Hydrogen Energy,2011,36(13):7985-7992.
[6]陸治國,劉捷豐,鄭路遙,等.新型雙輸入 Boost變換器[J].電力自動化設(shè)備,2010,30(9):42-45.
[7] Yalamanchili K P,F(xiàn)erdowsi M.New Double Input DC/DC Converters for Automotive Applications[C]//IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference,2006.
[8]閆志勇,胡怡剛,李枝玖.風(fēng)光儲智能應(yīng)急電源系統(tǒng)研究[J].中國電力,2013,46(8):74-79.
[9] Liu Liqun,Wang Zhixin,Gu Linfeng.MPPT control based on improved fuzzy method for distributed hybrid wind-solar power generating system[J].Power System Protection and Control,2011,39(15):70-79.
[10]吳俊娟,姜一達(dá),王 強(qiáng),等.一種改進(jìn)的光伏系統(tǒng) MPPT控制算法[J].太陽能學(xué)報(bào),2012,33(3):478-484.