風光儲互補系統

摘 要：電力在現實生活中占主導地位，但是受到客觀環境的限制，有些地區根本無法實現供電設施的建設和發展。太陽能光伏發電無運動部件，穩定可靠，但目前成本較高，而風力發電成本低但隨機性大，供電可靠性差，將兩者結合起來，可實現晝夜發電。此系統就是利用風和光兩種自然資源相互補充發電，由太陽能電池板與風力發電機發電相結合，經蓄電池充電，給負載供電的一種新型能源。

關鍵詞：電力；風光儲發電系統；結構

1 風光儲發電系統結構

風光儲發電系統主要由風力發電機組、太陽能光伏電池組、蓄電池、控制器、逆變器、交直流負載等部分組成，如見圖1所示。

圖1 風光儲發電系統圖

1.1風力發電機組

風力發電機組主要由風力機和發電機構成，風力發電就是利用風力機獲取風能并轉化為機械能，再利用發電機將風力機輸出的機械能轉化為電能輸出的生產過程。

1.2 太陽能光伏發電

光伏發電是指利用光伏電池板將太陽光輻射能量轉化為電能的直接發電方式。太陽能電池主要由半導體硅制成，在半導體上照射光后，由于其吸收光能會激發出電子和空穴（正電荷），從而半導體中有電流流過，這可稱為“光發電效應”或簡稱“光伏效應”。

1.3 蓄電池

在風光儲互補系統中，蓄電池作為儲能元件，當風力、光照充足的情況下，可儲存為負載供電后的多余電能；當風力和日照不足時，蓄電池為負載供電。因此蓄電池在系統中起到能量調節和平衡負載的作用。

1.4 DC/DC變換器及逆變器

DC/DC變換器的作用是通過控制半導體器件的導通和關斷時間，在結合電感、電容或變壓器等器件，將一個固定的直流電壓變換為另一個需要的直流電壓。

1.5 控制器

控制器在風光儲互補系統中起著至關重要的作用，由于風能和太陽能有隨機性和不穩定性，所以能量的控制很重要。當風能過大，太陽能輸出也很大，而此時負載所需能量小于所供給的能量時，將導致風輪轉速過大，造成飛車；電流也會過大，導致發電機過載而燒毀線圈；風能、太陽能過小時，無法滿足負載需要?？刂破饕鶕煌兓闆r及時進行調整，確保系統始終處于穩定的運行狀態。

2 風光儲互補系統的最大功率跟蹤控制策略

2.1 風力機最大功率控制原理

由風力機工作特性可知，當空氣密度和風輪半徑以及工作風速確定之后，風力機的輸出功率與風能利用系數成正比。而根據風能利用系數Cp與葉尖速比λ的關系可知，總存在一個最佳的葉尖速比λm，即存在一個最佳的風力機角速度？棕m，使得風能利用系數達到最大值Cpmax，此時風力機捕獲的風能最大，運行在最大功率點上。

當風速一定時，風力機輸出的功率隨角速度不斷變化，總存在一個最佳角速度？棕m使得風力機輸出功率達到最大。將不同風速下的風力機輸出的最大功率點相連就得到一條屬于風力機最大功率曲線。在風速變化下，通過對風輪轉速的調節，使其獲得最佳葉尖速比λm和最大風能利用系數Cpmax，使得風力始終在最大功率曲線上運行，這就是風力機最大功率跟蹤控制原理。

2.2 太陽能最大功率跟蹤控制原理

光伏發電系統的輸出功率是隨著外界環境變化而改變的，為實現光伏發電系統的最大功率點跟蹤，我們首先要選用合適的跟蹤控制算法，然后通過合適的控制電路使光伏陣列工作在最大功率點。

2.3 風光儲互補系統的最大功率跟蹤控制

本系統最大功率算法采用擾動觀察法，常規擾動觀察法都是固定步長的擾動，當擾動的步長過大時，系統會在最大功率點附近波動運行，引起不必要的能量損耗，降低系統的效率；而當擾動步長過小時，則需要較長時間才能跟蹤到最大功率點。所以文章采用了變步長擾動的方法來實現最大功率點的跟蹤。

3 風光儲互補系統建模與仿真

3.1 風速的建模

風速是風力發電的一個重要因素，風速具有隨機性，因此文章采用的風速模型函數為：

v（t）=基礎風速+Amsin（t）+校正值

式中，v（t）為風速模型的輸出風速，Am為正弦波幅值。

用Matlab建立的風速仿真模型如圖2所示：

圖2 風速仿真模型圖

圖2中，Vb為基礎風速，Am為正弦波幅值，校正值用Uniform Random Number模塊代替，即隨機數，功能是在設定的時間間隔內產生一個隨機數，值設定為-1和1之間。所以，調節上述參數就可以得到所需要的風速范圍。當Vb為9，Am為3時，可得到風速范圍在5-13m/s之間。

3.1.1 風力機的系統建模

在Matlab中，很多電氣元件都有現成的模塊可以直接調用，但是沒有風力機的模塊，因此我們需要自己建立仿真模型。文章采用風力機直接驅動永磁同步發電機的方式運行，所以風力機的角速度就是同步發電機的機械角速度。風力機的風力機的輸出轉矩為

（1）

其中風能利用系數Cp的可用表達式（2）表示：

（2）

（3）

根據上式的風能利用系數公式，在Matlab/Simulink中可建立風能利用系數模型。

3.1.2 永磁同步發電機建模

風力發電機組中，傳送機構齒輪箱的存在嚴重制約了風力機發電的效率。文章采用了永磁同步發電機，直接與風力機相耦合，省去了傳動機構，提高了風力機發電效率。永磁同步發電機的數學模型為：

（4）

采用了永磁同步發電機，系統中省略了增速機構，所以風力機在下的轉速就是發電機相應的轉速，電磁功率為：

PM=Pt-P0 （5）

又因為PM=Te*？棕m，所以發電機的電磁轉矩可寫成：

（6）

所以，Te=Tt-T0 （7）

式中，id，iq，ud，uq，Ld，Lq和R分別為d軸，q軸的電壓、電流、電樞電感和電阻；？棕r，λ和p分別為轉子的角速度，q軸繞組上產生的漏磁通和極對數；？棕m，Pt和P0分別為轉子的機械角速度，風力機輸出功率和發電機的損耗。

3.1.3 光伏電池仿真建模

由于光伏電池的V-I特性曲線除了與光伏電池組件本身參數的非線性特性和串并聯方式有關之外，還與太陽能輻射強度，環境溫度有關，因此我們建立的模型必須要能反映出這些因素的變化，能準確的模擬實際光伏陣列的輸出特性。光伏電池在太陽光照射下就能產生光生電流，當外電路接上負載時，電流便流向負載，負載兩端形成光生電壓。光伏電池的等效電路如圖3所示。

圖3 光伏電池等效電路圖

圖3中，Id為流過二極管的電流，Rs為串聯電阻，主要是由電池的表面電阻、電極導體電阻、體電阻和電極與硅表面間接觸電阻所組成；Rsh為旁路電阻，由硅片的體內缺陷或邊緣不干凈引起的。

光伏電池的輸出電流Ipv為：

（8）

式中，q為電子電荷，其值為1.6×10-19C；T為絕對溫度；K為波爾茲曼常數，其值為1.38×10-23J/K；Vpv為光伏電池輸出電壓；n為二極管指數。

在理想情況下，光伏電池的并聯電阻Rsh很大，串聯電阻Rs很小，所以在計算過程中可以忽略不計，式（8）簡化后為：

（9）

在參考條件下，Vm，Im為最大功率點的電壓和電流，光伏電壓為Vpv時，對應的光伏電池輸出電流為：

（10）

其中

（11）

（12）

考慮到溫度和太陽能輻射強度變化的影響，

（13）

其中，

（14）

（15）

（16）

式中，Isc為短路電流，Voc為開路電壓，R為太陽輻射強度，T為溫度，Rref和Tref為太陽輻射強度和溫度參數，α和β分別為在參考日照下，電流變化溫度系數和電壓變化溫度系數，Vm，Im為最大功率點的電壓和電流。

3.1.4 Buck變換器模型

Buck變換器的仿真模型可以直接調用Matlab/Simulink中的電感，電容和IGBT模塊來搭建。

驅動Buck變換器的PWM占空比產生信號模塊由頻率可調的三角波和比較器組成，通過改變輸入的大小調整PWM的占空比。

3.2 系統的仿真

3.2.1 風力發電系統的仿真

風能利用系數隨著槳距角的增大而降低，但都有一個最大風能利用系數。當β=0°時最大風能利用系數值最高，風能利用系數達到了0.438，此時的葉尖速比大約為6.4。同時風力機的輸出轉矩和輸出功率隨著風速的增大而升高，當風速一定時，總有一個最大的輸出轉矩和輸出功率。將風力機、永磁同步發電機、最大功率跟蹤控制和變換器等模塊結合在一起，得到風力發電系統的整體仿真模型。

3.2.2 光伏發電系統的仿真

通過仿真得知，當光伏陣列輻射強度不變時，隨著溫度的增大，電流增大不明顯，輸出開路電壓明顯減小，輸出功率也減??；減小溫度可使輸出電流減小，輸出電壓顯著增大，輸出功率增加。同理，保持溫度不變，若增大輻射強度可使電流明顯增大，輸出電壓變化不明顯，輸出功率增加；減小輻射強度可使電流減小，輸出電壓減小不明顯，輸出功率減小。光伏陣列仿真模型以脈沖發生器產生的脈沖信號來控制Buck斬波電路，通過改變觸發脈沖的占空比來實現最大功率輸出。隨著占空比的增大，光伏陣列的輸出功率先增大后減小，在占空比為70%時，輸出功率達到最大。脈沖信號的占空比是固定的，當外部條件改變時，需要人為的改變占空比才能實現最大功率的輸出。從仿真結果可得出結論：輸出電壓從零開始急速增加，后緩慢上升，一段時間后輸出平穩的最大功率點電壓；輸出電流剛開始以短路電流平穩輸出，一段時間后電流減小，降到某一值后保持不變，最后輸出平穩的最大功率點電流；輸出功率從零開始快速增加，一段時間后變為緩慢上升，最后輸出平穩的最大功率。系統穩定后，在一個周期內，占空比約為70%。

3.2.3 風光儲互補系統仿真

在風光儲互補系統中，風力發電機和光伏陣列通過輸電線路給負載供電。然而在風光儲互補發電系統中，選擇風力發電機和光伏電池的容量是最關鍵的。設輸電線路長度為10km，輸電線路參數為：線路阻抗為R=0.105？贅/km，X= 0.383？贅/km，B=2.98×10-6S/km。發電側電壓為220V。

通過仿真可測的當風力發電機的額定功率為800W，光伏電池的額定功率為400W時線路損耗和線路壓降最小。

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