楊尚駿

(安徽理工大學電氣與信息工程學院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

現(xiàn)在,由于社會經(jīng)濟的快速發(fā)展,世界各國政府和人民等對能源的要求也日漸提高,但是以原油,煤等為代表的不可再生能源卻日漸減少,而且對環(huán)境污染影響很大[1-2]。為了響應國家碳達峰碳中和目標任務，以風能和太陽能為代表的的清潔能源受到重視[3]。因為風能和太陽能的波動性，采用最大功率點跟蹤技術提高其發(fā)電效率[4]。根據(jù)風能和太陽能的互補性，設計風光互補發(fā)電系統(tǒng)提高系統(tǒng)發(fā)電效率，并通過儲能電池的運用提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性[5-6]。通過仿真驗證設計的風光互補發(fā)電系統(tǒng)具有較好的最大功率跟蹤能力，同時蓄電池可以有效地充放電，并網(wǎng)側負載可以正常運行，系統(tǒng)具有良好的系統(tǒng)穩(wěn)定性。

1 風光互補發(fā)電系統(tǒng)的建模

1.1 風力發(fā)電系統(tǒng)模型

風力發(fā)電系統(tǒng)的基本原理是外界的自然風作用在風力發(fā)電系統(tǒng)的扇葉上，帶動扇葉的轉動，使其產(chǎn)生機械能，然后通過風力發(fā)電系統(tǒng)中的風輪軸，將機械能輸出出去，接著通過電機將機械能轉化為電能輸送到電網(wǎng)，最后到達用電負載，帶動電力設備運行。

按照貝茨定律,即可求得風力發(fā)電功率的數(shù)學模型如(1):

(1)

式(1)中，Cp是風能利用系數(shù)；ρ是空氣密度，單位是Kg/m3,R是風輪機的半徑，單位是m;V是風速，單位為m/s.

通過公式可知在空氣密度，風輪機的半徑，外界風速一定的情況下風力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電輸出功率和其風能利用系數(shù)Cp成正比關系[7]。

其中風能利用系數(shù)是關于葉尖速比與漿距角的非線性函數(shù)。其關系如式(2):

(2)

式(2)中，n為風輪動作的轉速，ωw為風輪旋轉時候機械角速度，R為風葉半徑，v為風速。

通過建立風力機模型，其風能利用系數(shù)Cp與葉尖速比λ和漿距角β存在如圖1關系。

由圖1可知在不同的漿距角下風能利用系數(shù)Cp的值不同，且一直變化。在一定的漿距角下，隨葉尖速比的變化風能利用系數(shù)Cp而變化，但是存在一點λm在其變化過程中使得Cp最大，從而使風力發(fā)電系統(tǒng)有最大發(fā)電功率。

通過分析可以得到風能利用系數(shù)Cp最大時最大漿距角為0，而當漿距角為20時風能利用系數(shù)最小，通過模型將風力發(fā)電系統(tǒng)的漿距角定為0，即研究風能利用系數(shù)Cp與葉尖速比λ的關系，通過對葉尖速比的調節(jié)使風能利用系數(shù)最大。從而獲得最大發(fā)電功率。

將葉尖速比λ帶入到發(fā)電輸出功率的公式中，可以分析得出：通過對葉尖速比的調節(jié)可以獲得最大風能利用系數(shù)，即我們?yōu)榱藢崿F(xiàn)風力機的最大功率跟蹤可以通過對風機轉速的調節(jié)。進而實現(xiàn)風力發(fā)電系統(tǒng)的高效運行。傳統(tǒng)的MPPT方法有葉尖速比法，擾動觀察法，功率信號反饋法[8]，結合傳統(tǒng)的MPPT方法的優(yōu)缺點，為了實現(xiàn)風力發(fā)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤設計了功率反饋法與擾動觀察法相結合的方法，可以有效的完成。經(jīng)過剖析了傳統(tǒng)MPPT方式的特點,并設計了一個功率反饋分析法和擾動分析法相結合的大功率追蹤方式,利用本方式能夠更高效的對風力發(fā)電系統(tǒng)實現(xiàn)大功率追蹤,從而使風力發(fā)電系統(tǒng)的高效運轉。在Matlab/Simulink中搭建的仿真模型如圖2所示。

1.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)模型

光伏發(fā)電的原理是利用半導體的光伏效應，當光線投射在電池表面的時候，材料內部的P-N結中的電子移動，使電池兩端產(chǎn)生電勢差由此產(chǎn)生電流，進而使光能轉化為電能。

在理想狀態(tài)下的光伏電池可以等效成一個二極管和電流源的并聯(lián)，但是在實際使用過程中我們還必須考慮所有的內阻。因此，光伏電池的等效電路如圖3所示。

根據(jù)圖3中的光伏電池原理圖可以得到流過負載R的電流為式(3)：

I=Iph-Id-Ish

(3)

式(3)中Id的表達式為式(4)：

(4)

式(4)中：Io為二極管反向飽和電流(A);K為玻爾茲曼常數(shù)，大小為1.38×10-23J/K;電子電荷q=1.6×10-23C;T為絕對溫度(K);A為P-N結因子，在此系統(tǒng)中取1。

流過Rsh的電流Ish為式(5)：

(5)

將式(4)和式(5)帶入式(3)中計算可以得到(6)：

(6)

從式(6)中可以看出，光伏電池輸出電流和串聯(lián)電阻Rs成反比關系,并與并聯(lián)電阻Rsh成正比。一般在光伏電池中Rs小于1Ω，Rsh約幾千歐姆，所以可以將Rs在計算忽略不計，Rsh視為斷路，因此式(6)可以簡化為式(7)：

(7)

然而，光伏電池在應用時容易受到外界因素的影響，所以在應用時一般采用工程光伏電池模型(8)：

(8)

其中C1,C2為其修正系數(shù)，其滿足式(9)：

(9)

(10)

采用定步長擾動法實現(xiàn)最大功率跟蹤，光伏發(fā)電系統(tǒng)在Matlab/Simulink搭建的仿真模型如圖4所示。

1.3 蓄電池和并網(wǎng)側模型模型

在理想狀態(tài)下蓄電池的充放電可以簡單的等效為電壓源串聯(lián)一個小內阻，建立蓄電池儲能的等效模型[9]。通過逆變器將電能輸送到系統(tǒng)中，然后提供給負荷使用[10]。模型中利用對蓄電池的充放電來平衡系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性,以便保障能量的順利傳遞,在能量傳遞部分引入雙向的DC/DC自動變換器,雙向DC/DC自動變換器主要是在保證輸入,輸出電流極性恒定的情況下,按照需要改變輸送電流的走向,以便達到能量的雙向運行,以便更好的適應控制系統(tǒng)的需要,使蓄電池穩(wěn)壓穩(wěn)流均衡,并通過PI控制系統(tǒng)對雙向DC/DC自動變換器進行監(jiān)控,而文中使用的則是電流外圈,電流內環(huán)的雙環(huán)級聯(lián)控制方法。其控制模型如圖5所示。

2 仿 真

2.1 仿真參數(shù)設定

設定風力發(fā)電系統(tǒng)初始風速8m/s;在t=1s時風速變?yōu)?0m/s；漿距角為0。光伏發(fā)電系統(tǒng)設定初始溫度為25℃，初始光照強度為1200W/m2;在t=1.5s時刻下降為1000W/m2。

2.1 仿真結果

為了驗證仿真模型的精確性和準確性，設定仿真總時間為4s進行仿真實驗。

2.1.1 最大功率跟蹤分析

通過變化風力發(fā)電系統(tǒng)風速，仿真實驗得出風力發(fā)電系統(tǒng)的風能利用系數(shù)變化曲線如圖6所示；風力機輸出功率如圖7所示。由圖6和圖7可以看出當系統(tǒng)啟動時風力發(fā)電系統(tǒng)開始運行風能利用系數(shù)短時間內到達最大利用處為0.48，且風力發(fā)電輸出功率迅速增加直到穩(wěn)定在4200W附近，當風速在1s時突變?yōu)?2m/s風能利用系數(shù)迅速變化，并迅速穩(wěn)定在最大風能利用系數(shù)處，且風力機輸出功率迅速上升并穩(wěn)定在7500W附近。同時通過改變光伏發(fā)電系統(tǒng)的光照強度，得到光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率圖。由圖8可以看出光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率在開始時穩(wěn)定在3750W附近，當在1.5s時光照強度突變?yōu)?000W/m2的時候，光伏發(fā)電輸出功率迅速降低，并迅速穩(wěn)定在3000W附近。

設定系統(tǒng)仿真時間為4s，通過系統(tǒng)的仿真實驗得出蓄電池部分的參數(shù)變化。由圖9蓄電池荷電狀態(tài)SOC(容量)的一直處于上升的狀態(tài)，說明蓄電池一直在吸收并網(wǎng)線路中多余的無功功率，在進行充電。由圖9中可以看出蓄電池的輸出功率為負功，說明其一直在吸收功率。由此可以看出蓄電池處于正常有效的充放電狀態(tài)。由圖10可以看出開始時發(fā)電系統(tǒng)中的功率為蓄電池功率，當風力發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)開始運行時，蓄電池由于開始時放電，此時未處于滿荷電狀態(tài)，開始吸收系統(tǒng)中的功率，同時負載也開始運行，當在風速和光照強度變化時，負載未收影響繼續(xù)在額定功率下運行，在2-3s時負載功率增加到6000W時，風力發(fā)電系統(tǒng)，光伏發(fā)電系統(tǒng)，蓄電池未受影響，沒有產(chǎn)生波動，而且蓄動力電池所吸收的最大功率與負荷功率之和,相當于風能發(fā)電系統(tǒng)功率和光伏發(fā)電系統(tǒng)功率之和

3 結 語

通過基于Mtlab/Simulink的建模與仿真，分析了基于功率反饋法和擾動觀察法相結合的風力發(fā)電最大功率跟蹤和基于定步長擾動法光伏發(fā)電最大功率跟蹤的性能結果，表明利用提出的方法可以及時有效的完成系統(tǒng)的最大功率跟蹤。通過對整個風光互補發(fā)電系統(tǒng)的仿真建模，驗證了系統(tǒng)中的蓄電池能夠正常充放電，并網(wǎng)側負載可以有效的運行，整個風光互補發(fā)電系統(tǒng)可以高速、有效地運行。