孟德越，劉 偉，崔茂齊

(滄州師范學(xué)院 機械與電氣工程學(xué)院，河北省滄州市運河區(qū)青海南大道16號 061001)

光能和風(fēng)能是自然界賦予人類的清潔能源，充分利用風(fēng)能、光能對于緩解人類能源危機具有重大意義[1]。但是，風(fēng)能、光能的間歇性和波動性導(dǎo)致單一發(fā)電可靠性低。文中對光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電模塊均采用最大功率跟蹤技術(shù)，以確保光能和風(fēng)能充分利用。同時，將兩者結(jié)合起來，根據(jù)有光、無光、有風(fēng)、無風(fēng)4種情況，對能量流動協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，從而提升發(fā)電系統(tǒng)的可靠性[2]。

1 發(fā)電系統(tǒng)建模與simulink仿真

1.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)simulink仿真模型

典型的光伏電池PV等效電路如圖1所示。

圖1 光伏電池等效電路Fig.1 Equivalent circuit of photovoltaic cell

其中，光伏電池的伏安特性可以表示為：

(1)

由于光伏電池易受外界因素影響，在使用時，一般采用工程光伏數(shù)學(xué)模型：

I=Isc(1-C1(e(V-DV)/C2Voc-1))+DI

(2)

其中，式(2)滿足：

(3)

式中：R為太陽輻射，Rref為輻射參考值；T為電池溫度；Tref為參考溫度；α為電流變化溫度系數(shù)；β為電壓變化溫度系數(shù)；Rs為光伏陣列串聯(lián)電阻。

采用電導(dǎo)增量法實現(xiàn)最大功率跟蹤[3]。

搭建Simulink仿真模型，如圖2所示。

圖2 光伏發(fā)電系統(tǒng)simulink仿真模型Fig.2 Photovoltaic power generation system simulink simulation model

1.2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)simulink仿真模型

風(fēng)力發(fā)電機是一種將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能，進(jìn)而通過發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)換為電能的裝置。當(dāng)風(fēng)通過風(fēng)力發(fā)電機時，風(fēng)力帶動風(fēng)機葉片旋轉(zhuǎn)，風(fēng)機通過齒輪箱等變速裝置，進(jìn)而帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)發(fā)電。根據(jù)風(fēng)機模型，可以得出風(fēng)力機輸出功率為：

(4)

式中：ρ為空氣密度；R為風(fēng)輪半徑；V為風(fēng)速；Cp(λ，β)為風(fēng)能利用系數(shù)。

風(fēng)能利用系數(shù)Cp(λ，β)滿足：

(5)

式中：c1～c6是風(fēng)力機特性常數(shù);c1=0.5176，c2=116，c3=0.4，c4=5，c5=-21，c6=0.0068。

風(fēng)力機與同步發(fā)電機同軸相連進(jìn)行發(fā)電，發(fā)電機輸出交流電整流后得到直流電壓。利用Boost電路作為最大功率跟蹤主電路，采用爬山法實現(xiàn)最大功率跟蹤[4-5]。

在simulink中搭建仿真模型，如圖3所示。

圖3 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)simulink仿真模型Fig.3 Wind power system simulink simulation model

1.3 蓄電池與雙向DC/DC變換器simulink仿真模型

在理想狀態(tài)下，蓄電池充放電時可以簡單地等效為電壓源串聯(lián)一個小內(nèi)阻[6]，因此，建立了蓄電池的Thevenin等效simulink模型，如圖4所示。

圖4 蓄電池Thevenin仿真模型Fig.4 Battery Thevenin simulation model

模型中用蓄電池充放電來平衡發(fā)電系統(tǒng)和負(fù)載功率之間的功率差，以保證逆變器直流側(cè)電壓穩(wěn)定在800V，因此須加入雙向DC/DC變換單元。雙向buck/boost變換器結(jié)構(gòu)簡單，易于控制，其simulink仿真模型如圖5所示。

圖5 雙向buck/boost變換器仿真模型Fig.5 Bidirectional buck/boost converter simulation model

2 發(fā)電系統(tǒng)功率協(xié)調(diào)控制與并網(wǎng)策略

2.1 功率協(xié)調(diào)控制

早期的風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)是將光伏發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行單一連接組合，在功率協(xié)調(diào)互補控制方面考慮較少，往往會導(dǎo)致光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電所產(chǎn)生的電能無法充分利用。在充分考慮能源利用的基礎(chǔ)上，根據(jù)天氣變化將自然條件分為有風(fēng)、無風(fēng)、有光、無光4種情況，利用最大功率跟蹤技術(shù)，確保風(fēng)力發(fā)電子系統(tǒng)、光伏發(fā)電子系統(tǒng)運行于最大功率跟蹤(MPPT)狀態(tài)，保證風(fēng)能和光能的充分利用。同時，確保蓄電池用于負(fù)載功率跟蹤(LPPT)狀態(tài)，即用蓄電池連接雙向Buck/Boost變換器并通過電壓、電流雙閉環(huán)維持高壓直流母線電壓穩(wěn)定，做到對風(fēng)力、光伏發(fā)電輸出功率的“多吸少補”，進(jìn)而實現(xiàn)對各系統(tǒng)間功率的協(xié)調(diào)控制。文中提出的風(fēng)光互補發(fā)電控制策略中光伏發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、蓄電池的工作狀態(tài)如表1所示。其中，P1為蓄電池輸出功率，P2為光伏輸出最大功率，P3為風(fēng)機輸出最大功率，P4是負(fù)載功率。

表1 風(fēng)光互補協(xié)調(diào)控制策略Tab.1 Wind-solar complementary coordinated control strategy

蓄電池采用負(fù)載功率跟蹤控制(恒壓)，控制單元simulink仿真圖如圖6所示。

圖6 負(fù)載功率跟蹤控制simulink仿真Fig.6 Load power tracking control Simulink simulation

2.2 并網(wǎng)策略

圖7 電流前饋解耦并網(wǎng)控制simulink仿真Fig.7 Current feed forward decoupling and grid-connection control simulink simulation

3 仿真

3.1 最大功率跟蹤仿真驗證

設(shè)定初始溫度25℃，初始光照為1000W/m2；在t=2s時刻，光照強度跳變?yōu)?00W/m2；在t=4s時刻，光照強度跳變?yōu)?W/m2。光照強度變化和光伏MPPT最大功率追蹤如圖8所示。

圖8 光照強度變化與光伏發(fā)電最大功率跟蹤simulink仿真Fig.8 Light variation and maximum photovoltaic power generation tracking simulink simulation

設(shè)定風(fēng)力發(fā)電初始風(fēng)速為12m/s；在t=2s時刻，風(fēng)速變?yōu)?0m/s；在t=4s時刻，風(fēng)速變?yōu)?m/s；槳距角為0，風(fēng)速變化和風(fēng)力MPPT最大功率追蹤如圖9所示。

圖9 風(fēng)力發(fā)電機風(fēng)速變化與最大功率跟蹤simulink仿真Fig.9 Wind speed variation and wind turbine maximum power tracking simulink simulation

3.2 功率協(xié)調(diào)控制仿真驗證

重新設(shè)定參數(shù)，對功率協(xié)調(diào)控制進(jìn)行仿真驗證，仿真結(jié)果見圖10。

圖10 風(fēng)光互補功率協(xié)調(diào)控制simulink仿真Fig.10 Coordinated wind-solar complementary power control simulink simulation

有風(fēng)有光狀態(tài)：光伏電池工作于最大功率跟蹤狀態(tài)，初始輸出功率P2=6500W，風(fēng)力發(fā)電機同樣工作于最大功率跟蹤狀態(tài)，初始輸出功率P3=8200W，負(fù)載功率為P4=12000W，發(fā)電功率P2+P3大于負(fù)載所需功率P4，蓄電池進(jìn)行充電吸收多余功率，P1為負(fù)；t=2s時刻，風(fēng)力發(fā)電機輸出功率P3跳變?yōu)?740W，發(fā)電功率P2+P3小于負(fù)載所需功率P4，蓄電池進(jìn)行放電電補充負(fù)載所需多余功率，P1為正。

有風(fēng)無光狀態(tài)：t=3s時刻，光伏電池停止輸出功率(P2=0)，風(fēng)力發(fā)電機保持輸出功率為P3=4740W，負(fù)載功率為P4=12000W，此時，發(fā)電功率P3小于負(fù)載所需功率P4，蓄電池進(jìn)行放電補充負(fù)載所需多余功率，P1為正；在t=4s時刻，負(fù)載功率P4跳變?yōu)?000W，發(fā)電功率P3大于負(fù)載所需功率P4，蓄電池進(jìn)行充電吸收多余功率，P1為負(fù)。

無風(fēng)有光狀態(tài)：在t=5s時刻，風(fēng)力發(fā)電機停止輸出功率(P3=0)，光伏電池輸出功率跳變?yōu)镻2=6500W，負(fù)載功率為P4=3000W，發(fā)電功率P2大于負(fù)載所需功率P4，蓄電池進(jìn)行充電吸收多余功率，P1為負(fù)；t=6s時刻負(fù)載功率P4跳變?yōu)?000W，發(fā)電功率P2小于負(fù)載所需功率P4，蓄電池進(jìn)行放電補充負(fù)載所需多余功率，P1為正。

無風(fēng)無光狀態(tài)：在t=7s時刻，光伏電池停止輸出功率(P2=0)，風(fēng)力發(fā)電機停止輸出功率(P3=0)，由蓄電池單獨為負(fù)載供電蓄電池功率P1等于負(fù)載功率P4。

3.3并網(wǎng)電壓與電流波形與切換暫態(tài)仿真驗證

按照有風(fēng)有光、有風(fēng)無光、無風(fēng)有光、無風(fēng)無光4種基本狀態(tài)進(jìn)行切換，以光伏輸出功率6500W，風(fēng)力發(fā)電機輸出功率8200W、負(fù)載功率為12000W時給出并網(wǎng)電壓和電流波形，如圖11(a)所示，根據(jù)3.2節(jié)中給出的不同時刻的仿真參數(shù)，給出切換暫態(tài)仿真，如圖11(b)所示。

圖11 并網(wǎng)電壓與電流波形與切換暫態(tài)simulink仿真Fig.11 Grid-connected voltage and current waveform and switching transient simulink simulation

4 結(jié)語

根據(jù)光伏電池、風(fēng)力機的數(shù)學(xué)模型，搭建了相應(yīng)的仿真電路，對其進(jìn)行最大功率跟蹤仿真驗證。由仿真可知，文中提出的風(fēng)光互補協(xié)調(diào)控制并網(wǎng)方案實現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、蓄電池儲能、負(fù)載用電四者之間的自由、穩(wěn)定切換，使光伏發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)均能夠快速、準(zhǔn)確地實現(xiàn)對輸出電能的最大功率跟蹤。這種控制策略優(yōu)先利用風(fēng)光資源，以蓄電池充放電平衡發(fā)電功率和負(fù)載功率之差，保證了風(fēng)、光、儲三者之間能量的合理利用。同時，采用電流前饋解耦控制方案對并網(wǎng)控制進(jìn)行了仿真驗證，電壓、電流波形相位一致，實現(xiàn)了單位功率因數(shù)并網(wǎng)。