風光互補發電系統研究與設計

摘 要：隨著經濟的不斷發展，對電能的需求越來越大，在環境保護與可持續發展大趨勢下，可再生能源領域是重點研究方向，風光互補發電系統將在電能產生中占有越來越大的比重。因此本文對風光互補發電系統研究與設計進行了簡要的分析。

關鍵詞：風光互補；發電系統；設計

一、發電系統組成

風光互補發電系統主要包括風光互補發電系統、風光互補控制器、蓄電系統、供電系統。

二、風光互補發電控制技術

風速是影響風力發電系統功率輸出的重要因素，光照強度決定了光伏電池發電功率輸出的大小。同時負載用電量和蓄電池的儲能狀態也會影響系統的運行狀態，而且這些因素也會互相影響與制約。因此需要對風光互補發電系統進行合理控制，才能實現在不同條件下系統始終最優運行。控制的對象主要包括：對風力發電機和光伏電池的輸出功率進行控制；對蓄電池進行充放電控制；協調光伏發電與風力發電能量平衡等。

（一）光伏發電最大功率控制與恒壓控制。最大功率點跟蹤控制（簡稱MPPT）就是通過改變負載等效阻抗實現阻抗匹配，實現在不同光照強度下光伏電池的最大功率輸出。圖2中，曲線表示光伏電池輸出伏安特性，斜線表示負載的伏安特性，二者的交點就是光伏電池的最大功率工作點。

圖2光伏電池最大功率跟蹤控制原理

曲線1和曲線2為較強光照與一般光照光伏電池的伏安特性曲線。設系統首先在較弱光照下工作，運行于最大功率點B。當光照強度增加后，光伏電池的輸出功率增高，由曲線2變為曲線1。此時如果負載特性保持不變，系統將運行在功率點B’，偏離最大功率工作點，降低系統效率。如果要使系統能繼續輸出最大功率，必須調節負載阻抗以實現功率匹配，即將負載特性由OB調節至OA，調節負載阻抗后，在較強的光照條件下，光伏電池依然能運行在新的最大功率點A，輸出最大功率。光伏電池與負載的阻抗匹配電路可以采用DC/DC變換電路來改變等效負載的阻抗。其電路拓撲圖如圖3所示。

圖3光伏電池等效電路模型

DC/DC電路為Boost升壓電路，Rl為負載電阻。理想情況下

可得功率平衡關系式：

在boost電路中有：

負載等效電阻為：

（3）式表明，改變占空比k，就能改變負載等效阻抗值，相當于改變負載特性，實現光伏電池的MPPT控制。

（二）風力發電最大功率點跟蹤控制。在不同風速下，風力發電出的功率輸出與轉速之間的關系曲線如圖4所示。

圖4風力發電機最大功率工作點原理圖

以圖4為例，說明風力發電機最大功率控制的原理。三種不同風速V1、V2、V3時功率曲線上最大功率點分別為B、F、D。當風速為V1時，設開始時風力發電機運行在功率點A，為了輸出最大功率，需要增加風力發電機的轉速，直到n=n1，轉速增加過程中，風力機沿曲線AB運行，一直追蹤到最大功率點B穩定運行。當風速增加為V3時，風力機由于慣性的作用轉速保持不變，此時工作點將由功率點B突然變化至功率點C運行，為了輸出最大功率，需要增大風力發電機的轉速，當n=n3時風力機工作于最大功率點D。

本文采用最大功率給定法實現最大功率控制，如圖5所示。由于風力機的轉速與最佳葉尖速比λ之間存在一定的比例關系，因此可以根據轉速推測出尖速比λ，然后根據最大輸出功率Pmax與尖速比λ的對應關系得到Pmax。將Pmax作為給定功率，與風力發電機輸出的實際功率進行比較，其誤差ΔP通過PID控制，調節DC/DC變換器的PWM信號的占空比，實現最大功率控制。

圖5最大功率給定法控制原理

λ與Pmax關系如式：

Pmax=kn3

k=0.5ρπR5Cp/λ3

式中：R為風輪機半徑，n為風輪機的角速度，ρ為空氣密度，

Cp為最大風能利用系數。

當風速大時，風力機輸出功率較大，風力發電機發電輸出的能量多于負載和蓄電池吸收的能量，這時控制器將直流環節的輸出電流，即蓄電池充電電流與負載電流之和與DC/DC變換器的輸出電流進行比較，其誤差信號經過PID控制，調節DC/DC變換器PWM控制信號的占空比，使發電機的功率輸出始終跟蹤負載的變化，實現最大功率控制。

三、結語

風光互補發電系統利用風能、太陽能的互補特性實現全天候發電，比單用風能和太陽能更經濟、科學、實用。風光互補控制器是集風能、太陽能控制于一體的控制器，提高了電能利用率。

參考文獻：

[1]姚傳安.小型風光互補發電系統控制和能量預測技術研究[D].河南農業大學，2013.