吳 萍

（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 三門峽472000）

由于全球環(huán)境問題的嚴(yán)重性，電力資源相當(dāng)匱乏，并且隨著當(dāng)前社會的發(fā)展，人們對電力能源的需求也在日益提升。不僅如此，工業(yè)發(fā)電雖然能夠彌補(bǔ)當(dāng)前當(dāng)?shù)叵到y(tǒng)中出現(xiàn)的不足，但是從整體而言，對于環(huán)境的破壞程度也隨之上升。因此當(dāng)前社會的發(fā)展就需要采用更為清潔環(huán)保的能源來取代工業(yè)發(fā)電，在當(dāng)前情況下，就研制出了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電設(shè)備，這項(xiàng)系統(tǒng)的研發(fā)可以有效彌補(bǔ)其能源密度較低、穩(wěn)定性差以及容易受外界影響等不足，從而完善風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)用性，為我國電力穩(wěn)定和環(huán)境保護(hù)提供了有效保障。對于光伏系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)來說，在系統(tǒng)屬性上都屬于非線性系統(tǒng)，因此對于這兩種系統(tǒng)的工作狀況來說，很難用精確的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述，因此采用了MAPPT的方式對這兩種系統(tǒng)進(jìn)行研究。

1.系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是一種能夠同時將風(fēng)能和太陽能進(jìn)行轉(zhuǎn)換、從而產(chǎn)生出電能的裝置。雖然在電力生產(chǎn)中，由于風(fēng)能與光能在獲取階段都有不穩(wěn)定因素存在，但是卻有著很強(qiáng)的互補(bǔ)性。因此對于風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)來說，可以更好地彌補(bǔ)風(fēng)能或光能系統(tǒng)獨(dú)立工作時在能源供應(yīng)中出現(xiàn)的各種不穩(wěn)定性。同時，它還能根據(jù)負(fù)載和具體的資源條件合理、靈活地配置系統(tǒng)的容量[1]。這樣一來，既能保證減少發(fā)電系統(tǒng)的成本，又能在一定程度上保證供電的可靠性。此外，風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)還可以作為一種離網(wǎng)的分布式供能系統(tǒng)，可以不依賴于電網(wǎng)，完成對蓄電池的獨(dú)立供電，并且不受地域限制，既節(jié)能又環(huán)保。

將風(fēng)力和光伏所產(chǎn)生的電能注入蓄電池中，可以有效消除天氣、環(huán)境等外界因素對電能供應(yīng)產(chǎn)生的不良影響，保證電力供需關(guān)系能夠達(dá)到平衡，此外還能在整個發(fā)電系統(tǒng)中，起到調(diào)節(jié)能量平衡負(fù)載的作用。電力系統(tǒng)的負(fù)載可分為直流電負(fù)載和交流電負(fù)載兩種類型，其中交流電負(fù)載的供電需要借助逆變器來實(shí)現(xiàn)。

2.系統(tǒng)的功率協(xié)調(diào)控制策略

2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT控制

當(dāng)前社會，太陽能與風(fēng)能已經(jīng)成為了當(dāng)前最具潛力的能源，已經(jīng)得到了世界各國的高度重視，而光伏發(fā)電系統(tǒng)也在分布式發(fā)電系統(tǒng)中扮演著重要角色。就目前而言，投資費(fèi)用高、轉(zhuǎn)換效率低、輸出電能不穩(wěn)定等已經(jīng)成為限制其進(jìn)一步大規(guī)模推廣的主要因素。因此為了在光伏轉(zhuǎn)換效率一定的前提下，最大限度地發(fā)揮光伏的性能，研究高效的MPPT控制策略以使光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率最大化，對于促進(jìn)光伏發(fā)電的進(jìn)一步發(fā)展有著重要的意義。常用的MPPT控制算法主要有恒定電壓法、擾動觀察法、導(dǎo)納增量法、模糊控制法以及智能算法。但是這些算法在實(shí)現(xiàn)最大功率追蹤的過程中各自存在諸多弱點(diǎn)，如實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、精度差、速度慢等，所以研究一種易于實(shí)現(xiàn)、精度高、速度快的高效MPPT控制策略勢在必行。

2.2 負(fù)載功率跟蹤控制

在周圍溫度相對固定的情況下，光照強(qiáng)度的變化可以直接改變風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)對電力的接受能力，通過圖1可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光伏電池處于最大功率點(diǎn)時其輸出電壓在某一恒定電壓附近穩(wěn)定。例如：可以首先設(shè)計(jì)出一個優(yōu)化電壓，然后再根據(jù)輸出電壓的變化，對電壓進(jìn)行實(shí)時跟蹤，并在跟蹤過程中通過不同情況來不斷對電壓值進(jìn)行優(yōu)化，從而能夠保證整個光伏電池當(dāng)前工作的最大功率。只有當(dāng)恒定電壓法的功率曲線和真實(shí)的最大功率曲線在某一光照強(qiáng)度相交時，跟蹤到的才是系統(tǒng)真實(shí)的最大功率點(diǎn)，其他情況下跟蹤到的都不是系統(tǒng)真實(shí)的最大功率點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)：1.控制思路簡單；2.可靠性較高；3.容易實(shí)現(xiàn)且系統(tǒng)的工作電壓比較穩(wěn)定。缺點(diǎn)：1.精度差；2.輸出功率小，跟蹤效率低；3.忽略了電池溫度對開路電壓的影響。因?yàn)楣夥姵氐霓D(zhuǎn)換效率會隨著溫度的升高而有一定下降，光伏電池在使用時溫度會升高。以PVL-72為例，由表2-2(c)可以得到，溫度每升高1℃，其開路電壓隨著下降0.35%。

圖1 負(fù)載功率跟蹤控制原理圖

2.3 蓄電池充放電控制

在自然條件中，有許多不確定因素的存在，使小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)也隨著這些不確定因素在造成了功率出現(xiàn)無規(guī)則波動，從而導(dǎo)致風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池很少有機(jī)會能夠做到一次性充電完成。蓄電池本身對倍率有著一定要求，這些倍率在通常情況下，一般都會處于0.01～0.2C范圍之間，只有這樣才能保證蓄電池的放電倍率能夠處于0.004～0.05C之間。由于蓄電池長期都處于這樣的工作環(huán)境下，因此對于蓄電池的充電工作，則可以采取三段式充電方式。

例如：在對蓄電池進(jìn)行充電的初期，首先要對蓄電池的電荷狀態(tài)SOC做好檢測工作，如果蓄電池中的荷電狀態(tài)處于98%以上，則表明蓄電池處于滿電狀態(tài)，這時就可以針對蓄電池采取涓流式充電方法，從而補(bǔ)充蓄電池在放電過程中所消耗的額外電力。此外，當(dāng)工作人員對蓄電池進(jìn)行檢測的過程中，檢測結(jié)果顯示蓄電池的電荷狀態(tài)不足98%，那么就需要檢測人員重新對蓄電池端點(diǎn)電壓和電流進(jìn)行檢測，以便確認(rèn)電壓Uc與設(shè)定值Uset的大小關(guān)系，如果Uc大于Uset，就需要對蓄電池進(jìn)行恒壓充電，從而降低水解反應(yīng)問題出現(xiàn)，同時還能避免蓄電池充電過多，保證了蓄電池安全。如果說UC小于Uset，那么就說明蓄電池可接受充電的電量較大，這時就需要盡可能地利用風(fēng)能、光能對蓄電池實(shí)行MPPT充電，即實(shí)現(xiàn)對蓄電池的快速充電。

對于蓄電池的放電工作，要在放電閾值電壓最低的狀態(tài)下進(jìn)行，當(dāng)出現(xiàn)高于電壓閾值的時候，蓄電池放電工作要能夠滿足其負(fù)載需求。一旦低于當(dāng)前電壓閾值，就需要立刻將蓄電池電源切斷，防止過度放電現(xiàn)象。

3.系統(tǒng)仿真模型建立

在MATLAB/Simulink環(huán)境下，建立起小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)仿真模型。由此看出，光伏陣列和風(fēng)力機(jī)在實(shí)際操作中，分別與系統(tǒng)中兩個BUCK轉(zhuǎn)換器相連，從而進(jìn)行功率的協(xié)調(diào)控制工作以及對蓄電池充放電控制工作，并且將這兩種工作方式連接到同一個直流母線上，并且針對當(dāng)前電力發(fā)展需求，對蓄電池自身所形成的充放電工作采用相同轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)，從而達(dá)到節(jié)約成本的作用。此外，風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)中采用控制器的工作方式，能夠保證這項(xiàng)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，能夠保持風(fēng)力發(fā)電與光伏發(fā)電之間形成互補(bǔ)關(guān)系，降低系統(tǒng)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)線路故障的風(fēng)險。同時這兩個系統(tǒng)在工作中相互獨(dú)立，不會出現(xiàn)互相影響。雖然這樣做會造成成本提升，但是安全系數(shù)得到了很大提高。

4.仿真結(jié)果研究

4.1 分析互補(bǔ)性

通過圖2可以了解到，一天之中的光照強(qiáng)度，最強(qiáng)時期是從早上六點(diǎn)到晚上六點(diǎn)，并且在這個時間段中，光伏陣列在日常工作中一直處于追蹤最大功率的工作狀態(tài)，因此對于其他時間段來說，光伏陣列則是處于休息狀態(tài)。

對于風(fēng)力機(jī)來說，晚上風(fēng)速相對較快，風(fēng)力也比較充足，因此在風(fēng)力機(jī)工作的過程中，一直都是處于負(fù)載功率跟蹤的狀態(tài)，主要是跟蹤負(fù)載以及蓄電池能夠接受的最大功率之和。而在其余的時間段中，風(fēng)力機(jī)則是抑制出現(xiàn)最大功率的跟蹤控制狀態(tài)。

通過上述分析我們可以準(zhǔn)確了解到，在一天的時間段內(nèi)，風(fēng)力機(jī)和當(dāng)前光伏陣列所進(jìn)行的協(xié)調(diào)工作，是根據(jù)當(dāng)前氣象條件以及電力用戶對用電的需求所進(jìn)行的功率控制，這樣一來既能滿足電力用戶的需要，又能保證蓄電池工作安全。

圖2 互補(bǔ)性分析

4.2 充放電控制分析

針對當(dāng)前風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)中蓄電池放電狀態(tài)可知（圖3）。當(dāng)時間處于0～0.3s之間的時候，光伏板在沒有光照的前提下，是不能運(yùn)行工作的，這時能夠進(jìn)行正常工作的之后風(fēng)力發(fā)電機(jī)，但是對于風(fēng)力機(jī)而言，由于具有負(fù)載較輕的特性，因此在風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)中，兩大發(fā)電能源運(yùn)行過程中，對于負(fù)載功率所表現(xiàn)出的需求，使修通數(shù)據(jù)中SOC不斷提升，同時提升的還有蓄電池在工作中所產(chǎn)生的電壓，這時就需要針對性地采取MPPT充電方式對蓄電池進(jìn)行充電。當(dāng)處于0.3s～0.4s這段時間中，光伏子系統(tǒng)以及風(fēng)力子系統(tǒng)所發(fā)功率大于負(fù)載和蓄電池所能接受的最大功率之和，并且還要保證在這個過程中，風(fēng)力機(jī)能夠處于負(fù)載功率跟蹤狀態(tài)，這時蓄電池電壓值將會大于當(dāng)前預(yù)設(shè)電壓值，讓蓄電池能夠處于恒定充電的狀態(tài)。在0.5s～0.7s之間，光伏陣列風(fēng)力機(jī)所發(fā)出的功率不能滿足當(dāng)前用戶需求的時候，通常情況下蓄電池往往出現(xiàn)放電趨勢，因此導(dǎo)致SOC數(shù)據(jù)也會慢慢減小 [4]。在0.7～1.7s這段時間，光伏陣列就會發(fā)揮出真正的作用，將放電功率提升到最大值。相對而言，風(fēng)力機(jī)在當(dāng)前情況下就會降低自身所發(fā)出的有效功率，然而這時所產(chǎn)生的功率，在一般情況下，都會滿足當(dāng)前電力用戶對電量的需求，而對于蓄電池來說，也將開始MPPT充電。

圖3 充放電控制仿真結(jié)果

5.結(jié)論

綜上所述，小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)功率控制策略，可以很好地發(fā)揮光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電各自的發(fā)電效率，不僅能夠滿足在日常工作和生活中電力用戶的需求，還能確保蓄電池和風(fēng)力機(jī)的安全運(yùn)行，如此以來，就使得當(dāng)前系統(tǒng)在任何情況下，都能進(jìn)行高效穩(wěn)定的工作，保證電力系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行。使風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)勢得以有效互補(bǔ)和充分發(fā)揮，為我國電力穩(wěn)定和環(huán)境保護(hù)提供了有力支持。

【參考文獻(xiàn)】

[1]徐強(qiáng),張海燕,秦臻,等.風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電及MPPT控制系統(tǒng)研究[J].電器與能效管理技術(shù),2015,(3):52-56.

[2]葛超銘,李少綱.風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)MPPT及其逆變電源控制的研究[J].電工電氣,2013,(2):6-9.

[3]王寧,陳磊,馮良韜.風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)MPPT及儲能控制策略研究[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化,2016,(13):26-28.

[4]王寧,陳磊,馮良韜.風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)MPPT及儲能控制策略研究[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化,2016,(13):26-28.