風光互補供能系統的優化設計

秦 斌 易柏年

（1．湖北黃岡供電公司電力設計院，湖北 黃岡438000；2．武漢理工大學自動化學院，湖北 武漢430070）

0 引言

風光互補供能系統具有不枯竭、方便、清潔、無噪音等優點，尤其是在廣大邊遠地區，充分利用其優勢，對建立獨立可靠的供能系統具有重大意義。目前，在我國一些偏遠地區（如農村、災區、海島、野外）居民的生活用電仍存在一定問題。由于這些地區的地理位置偏遠，地廣人稀，導致架線送電路程遙遠，不僅損耗大，而且線路維護費用較高，因此供電網覆蓋面有限，給當地群眾的生活帶來了極大的不便。下面將介紹一種小型獨立的風光互補供能系統，以期可進一步解決偏遠地區的用電問題。

1 風光互補供能系統概述

本模型系統采用一塊太陽能板，額定功率20 W，面積0．189 125 m2，根據計算可得太陽能板每年可產生電能18．84～52．32 k W·h。風機模塊采用額定功率100 W風力發電系統，每月產生電能12～17 k W·h。體積小，重量輕，結構合理，美觀大方，葉片外型采用專利技術曲線設計，具有良好的氣動性能，材料采用優質玻璃鋼，具有啟動早、抗大風能力強、效率高等特點，風力發電機整機配置優良，性能可靠，堅固耐用，美觀大方。本系統設計的風光互補發電系統控制器，其風力發電充電電路與光伏發電充電電路是兩個獨立的充電模塊，二者互不影響，可以進行單獨充電控制。同時系統采用DC－AC電源轉換器，可對外部設備提供220 V市電。

2 太陽能跟蹤算法的設計

目前，太陽能追蹤系統（Sun Tracking System）主要有單軸系統和雙軸機械跟蹤定位系統。國內外研究表明，單軸太陽能系統比固定式系統能增加25%的功率輸出，而雙軸太陽能追逐系統比固定式系統能增加41%的功率輸出。為達到始終保持太陽能板與光照的垂直，使其最大化地接收太陽能，充分利用豐富的太陽能資源，本系統中設計了一種優化的雙軸跟蹤定位系統。

由于一天中太陽的位置不斷變化，為達到能源的最大利用率，我們制作了光源跟蹤裝置，并設計一種互補跟蹤控制方式：在晴天時，選擇跟蹤靈敏度高的光電跟蹤方式；在天氣狀況不好時，則切換到視日運動軌跡跟蹤。優化方案工作框圖如圖1所示。

圖1 太陽跟蹤系統設計方案

在設計視日運動跟蹤子程序過程中，雖然太陽的位置時刻都在變化，但其運行具有嚴格的規律性，在地平坐標中，太陽的位置可由高度角α與方位角來確定：

式中，δ為太陽赤緯角；φ為當地的維度角；ω為時角。

太陽赤緯角δ與時角ω由本地時間確定，而對于確定的地點，本地的維度角φ也是確定的，因此只要輸入當地相關地理位置與時間信息就可確定此時刻的太陽位置。

3 最大功率控制策略的設計

3．1 風機最大風能捕獲控制策略

最大風能跟蹤（MPPT）是風力發電的核心問題。目前比較成熟的最大風能跟蹤控制方法主要有3種，即最佳葉尖速比法、最大負載功率曲線法和爬山搜索法。

3．1．1 傳統的爬山搜索法

爬山搜索法最大功率跟蹤控制算法是根據獲取的風能來計算的。獲取的風能給定為：

式中，TE為電磁轉矩；ωg為發電機的旋轉速度。

傳統的爬山搜索法包括以下步驟：

（1）選擇初選的參考轉速并測量發電機的輸出功率；

（2）通過增加或者減小某一固定步長，獲取參考轉速并在此測量發電機的輸出功率；

（3）計算Sign（ΔP）和Sign（Δω）；

（4）ωref（n）＝ωref（n－1）＋Sign（ΔP）Sign（Δω）ωstep；

（5）從步驟（3）開始重復直到到達最優運行點。

采用爬山搜索算法控制可以不斷地搜索風機輸出功率峰值，當風機慣量非常小，風機速度對風速的反映幾乎是瞬時的。自然界風的隨機性是不可避免的，當功率擾動或風速小范圍波動使得最佳功率點偏移，在此時若重新初始化步長，由于風機轉速較大，步長擾動會導致系統產生無法避免的波動，影響整個系統的功率輸出，如果采用整數倍增減的方式調整步長，會使風機轉速的收斂性無法達到預期的要求。因此最好采用步長呈指數倍形式增減的調整方式，以達到保證系統運行穩定的效果。在實際應用中若保持風機轉速在較小的范圍內波動，將有利于系統對隨機變化的風速做出快速響應。

3．1．2 改進后的梯度算法

在不檢測風速的情況下，做出合適的調整是最優梯度法應用在風力發電系統的關鍵，故本文引入該算法應用在風能發電系統中。改進后梯度算法是通過風機轉速的擾動來搜尋最大功率輸出點。

由傳統的爬山搜索法可知，工作點位于系統最大功率輸出點的左側時，風機轉速以較大幅度指數倍增長；工作點位于系統最大功率輸出點附近時，系統提供相對小的擾動量。此時基準點Pb所對應的風機轉速ωb將調整為ω′a＝ωb，ω′b＝ωc，ω′c＝ω′b＋Δω。工作點位于系統最大功率輸出點的附近時，風機步長不會有較大的起伏波動，整個系統能夠安全穩定地工作。基準點Pb所對應的風機ωb轉速將調整為：Δω′＝Δω－ωx，ω′a＝ω′b－Δω′，ω′b＝ωb，ω′c＝ω′b＋Δω′。ωx＝±hΔω 作為指數的步長調整。同樣，工作點位于風機最大功率輸出點右側時，風機轉速以相對大的幅度指數減少，這樣就可解決最大功率輸出點附近收斂性不好以及振蕩追逐等缺點。基準點Pb所對應的風機轉速ωb將調整為ω′c＝ωb，ω′b＝ωa，ω′a＝ω′b－Δω。

將風力發電機最大輸出功率作為整個系統的目標函數，將風機轉速ω作為跟蹤變量，根據輸出功率值的變化量和對應前一刻的風機轉速調整步長，共同決定該時刻調整步長的大小。對風力發電機輸出功率Pw（ω）與風機轉速ω兩者之間的特征函數曲線進行分析，得到如下結論：若系統輸出功率增大，則繼續按照原步長方向進行調整，反之取相反的方向進行調整；若在最大輸出功率點的較遠處，則采用較大的調整步長，實現追蹤速度的提升；若在最大輸出功率點附近，則采用較小的調整步長，減少追逐搜索的損失；自然風風速隨機等因素導致風力發電機系統輸出功率發生較大的變化時，系統能準確迅速作出相應的反應。

如圖2所示，風速穩定情況下，波動很小，且波長在可允許為一非線性函數，連續可微分的范圍內振蕩；當風速發生變化時，風力機轉速ω（n）是以ω（n－1）時的風力機轉速呈指數倍增長。功率的變化量隨ω（n）呈倍數增減，驗證了改進后的梯度算法的可行性和正確性。

圖2 改進后的梯度算法

3．2 光伏發電的最大功率點跟蹤控制策略

常用的光伏發電最大功率點跟蹤控制策略有2種：恒壓控制法（Constant Voltage Tracking，CVT）和擾動觀察法（Pert ur b and Observemethods，P＆O）。3．2．1 恒壓控制法（CVT）

采用CVT方式可以近似實現光伏陣列的功率最大輸出，并且操作性好，可靠性高，整個系統不會振蕩，有著較高的穩定性，其基本控制框圖如圖3所示。但是CVT跟蹤方式忽略了溫度對太陽電池開路電壓的影響，導致控制精度不高，尤其是在溫差較大的季節，光伏陣列受到溫差的影響，伏安特性曲線會有不可忽略的變化，需要不時地對給定電壓值進行調整。

圖3 恒壓控制法框圖

3．2．2 擾動觀察法（P＆O）

光伏發電擾動觀察法和風力發電控制中提到的爬山搜索法相似，是目前常用的MPPT控制方法之一。擾動觀察法控制框圖如圖4所示。其最大優點在于結構精簡，需要測量的參數較少。但是缺點是無法消除“擾動”，輸出會有較小起伏波動，導致最大功率追蹤的過程中會損失一些微功率。

圖4 擾動觀察法控制框圖

3．2．3 本系統采用的控制方法

綜上所述，兩種控制方式各有優缺點，前者可行性好，操作控制簡單，但受限于溫度的變化；后者可對不同溫度下的最大功率輸出點進行追蹤，但存在一定的起伏波動，對系統的穩定行造成了不利影響。

聯系實際需求，本文將上述兩種控制方式結合，思路如下：首先參考實際情況，得出經驗值Vm，采用CVT的啟動方式，因為CVT方式在啟動特性上有著較好的優勢。啟動后，使用擾動觀察法，追蹤捕獲最大功率輸出點，獲得最大功率輸出點處的Vm，由于溫度的線性變化，在較短時間內，該光伏陣列的Vm值基本保持恒定；最后使用CVT方式，將光伏發電系統的輸出電壓控制在先前測得的Vm值附近。每隔一段時間，重復上述幾個步驟，從而實現對光伏發電系統的最大輸出功率的控制。

4 結語

本文主要講述了一種優化的風光互補供能系統的設計方案。風光互補供能系統的使用，能耗和污染排放始終為零，節能減排效果十分明顯，具有深遠的社會效益和長遠的經濟效益。

［1］彭國平，李帥，魚振民，等．小型風電系統的最大功率跟蹤的研究［J］．西安交通大學學報，2004，38（4）：357～360

［2］唐雁，方瑞明．獨立式風光互補發電系統中最大功率控制策略研究［J］．電網與清潔能源，2010，26（8）：53～58

［3］F．Valenciaga，Pablo F．Puleston，Pedro E．Battaiotto．Power Control of a Solar／Wind Generation System Without Wind Measurement：A Passivity／Sliding Mode Appr oach［J］．IEEE Transactions on Energy Conversion，2003，18（4）：501～507

［4］齊志遠，王生鐵，田桂珍．風光互補發電系統的協調控制［J］．太陽能學報，2010，31（5）：655～659

［5］李丹，彭軍，余岳峰．離網型風光互補發電系統匹配方法優化研究［J］．華東電力，2008，36（3）：86～90

［6］劉波，郭家寶，袁智強，等．風光互補發電系統特性研究［J］．華東電力，2010，38（12）：1 903～1 906