一種風光互補系統的容式儲能弱功率跟蹤控制充電方法

何建國+++傅定文+++趙宏波+++李林強+++敖選+++付文佳

摘 要：風力發電和太陽能發電由于其無污染、資源豐富等諸多優點，對保護環境，改善能源結構具有重要意義。控制器是風光互補系統的核心，目前采用常規的是風力和太陽能發電輸出的電能經整流濾波電路后變成直流電，這種方法在風速相對較低或者弱光照的時候，有時產生電壓甚至低于蓄電池的電壓，發出的電能不能被充入蓄電池而損失。針對以上存在問題，該研究針對這種充電方式提出一種風光互補系統的容式儲能弱功率跟蹤控制充電方法，該方法使系統在低風速或弱光照時利用這一部分能量并有效的對蓄電池充電，提高風力和太陽能發電系統的能量利用率。

關鍵詞：風光互補；容式儲能；弱功率跟蹤；充電

1 概述

風力發電和太陽能發電由于其無污染、資源豐富等諸多優點，對保護環境，改善能源結構具有重要意義。由于風能和太陽能在資源條件和技術應用上都有很好的互補性。隨著新能源發電的不斷推廣與風光互補發電技術的不斷成熟[1]，風光互補發電系統作為一種靈活、較為穩定的能源供給系統必將成為今后新能源發展的熱點，并將得到廣泛的發展與應用。

風能和光伏的天然波動性是無法控制的[2]，風力發電的實際風能利用系數低于0.593，太陽能存在天陰、早晚弱光照等低功率無法利用的情況，因此充分利用發電輸出量是很重要的。目前風光互補發電控制系統中風力和太陽能發電輸出的電能經整流濾波電路后變成直流電，采樣控制電路通過采集風力發電機或太陽板發電數據、蓄電池充放電的電壓電流數據，確定是否閉合開關電路對蓄電池進行充電。在風速高或光照強的時候，這種控制方法效果不錯，可是在風速相對較低或者弱光照的時候，風機或太陽能所產生的電壓電流都比較低，這樣的小電流對蓄電池充電效率很低，有時產生的電壓甚至低于蓄電池的電壓，過低的充電電壓，可能引起電池深度放電[3]。目前關于風光互補發電的技術主要針對的是太陽能和風能的充電控制，但未對弱功率充電有專門的研究。

2 容式儲能弱功率跟蹤控制原理

2.1 容式儲能弱功率跟蹤控制技術

電能的存儲環節主要圍繞蓄電池進行，它在整個系統中能起到能量調節和平衡負載的作用[4]。在風速相對較低或者弱光照的時候，風機或太陽能光伏組件所產生的電壓電流都比較低，這樣的小電流對蓄電池充電效率很低，有時產生的電壓甚至低于蓄電池的電壓，發出的電能不能被充入蓄電池而損失。容式儲能弱功率跟蹤控制技術通過在蓄電池前加一個容量很大的電容儲能器件，將低風速或弱光照時風機和組件所發出的電能先對這個儲能器件充電，然后再通過“跟蹤控制系統”對蓄電池充電，從而使風機和組件所產生的電能得到充分的利用，提高風光互補發電系統的能量利用率。

2.2 負載跟蹤控制技術

與太陽能發電系統一樣，當風力機輸出能量多于負載和蓄電池吸收的能量時，可采用負載跟蹤控制來調節系統功率輸出。負載跟蹤控制使風力機葉尖速比偏離最佳值，從而降低風能利用系數，以保證風機的輸出功率與負載消耗功率和充入蓄電池的功率相匹配。控制器將蓄電池的充電電流與負載電流之和作為給定輸入與DC/DC變換器的輸出電流進行比較，將其誤差經過PID調節后產生PWM控制信號來調節DC/DC變換器的占空比[5]，從而實現負載跟蹤控制。負載跟蹤控制可使變換器的輸出電流始終滿足蓄電池和負載的需要，使風力發電機的輸出功率始終與負載功率和充入蓄電池的功率之和相平衡。

3 容式儲能弱功率跟蹤控制充電裝置

圖1為控制方法工作原理圖，圖中1為風力和太陽能發電、2為整流濾波電路、3為第一開關電路、4為第二開光電路、5儲能元件、6控制采樣電路、7蓄電池、8控制中心。

裝置工作流程：風力和太陽能發電組件配置的風機和太陽板額定電壓為蓄電池電壓的1.6倍，當風力比較強或者太陽光照比較強的時候，控制中心通過控制采樣電路。對整流濾波電路上輸出的電壓值實時采樣為高電位值，則控制中心發出指令同時閉合第一開關電路和第二開關電路，這時風力和太陽能發電組件產生的電能經整流濾波電路后直接對蓄電池進行充電；當風力較弱或者陽光照射不足時，控制中心通過控制采樣電路對整流濾波電路上輸出的電壓值實時采樣為低電位值，這時由于蓄電池的拉低作用，使這個電壓值小于能夠繼續對蓄電池充電的電壓，控制中心發出指令將第一開關電路閉合，第二開關電路斷開，由風力和太陽能發電組件先對儲能元件充電，當儲能元件的電壓充電達到1.25倍蓄電池電壓時，控制中心發出指令斷開第一開關電路，對儲能元件的充電完成，緊接著控制中心發出指令閉合第二開關電路，這時儲能元件開始對蓄電池充電，完成一整個充電循環。這樣的充電循環通過控制中心的控制不斷進行，直到蓄電池充滿為止。這樣在風力較弱或者陽光照射不足時，風力和太陽能發電組件產生的弱電能也能夠對蓄電池有效充電，從而提高了風力和太陽能發電的能量利用率。

控制原理：包括高風速或太陽光較強時充電控制、低風速或太陽光較弱時充電控制。

4 結束語

容式儲能弱功率跟蹤控制系統，通過測量充電電壓，對比充電閾值，合理的控制充電回路，能夠充分利用低風速或弱光照時產生的電能對電池充電，提高了系統的能量利用率，電路結構簡單，成本低廉，控制穩定實效，可用于中小功率的風光互補系統，如風光互補路燈。風光互補容式儲能弱功率跟蹤控制充電系統，低風速或弱光照時，風力和太陽能發出的電流電壓較低，不能對蓄電池有效充電，在蓄電池前加一個容量較小的電容儲能元件，在低風速或弱光照情況時風力和太陽能發出的電能先對這個儲能元件充電，然后再通過這個儲能元件對蓄電池充電，從而使風力和太陽能產生的電能得到充分的利用，實現風光互補系統充電效益最大化，還能減小電池板或風機配比，降低成本。

參考文獻

[1]王銀杰，胡國文，王林.風光互補智能充電控制系統的優化設計[J].能源研究與信息.

[2]張學慶，劉波，葉軍，等.儲能裝置在風光儲聯合發電系統中的應用[J].華東電力，2010（01）：1894-1896.

[3]柳厚填，周偉舫.充電電壓對鉛蓄電池及其電極性能的影響[J].復旦學報（自然科學版），1988，27（452）：52.

[4]劉燁.離網型風光互補路燈系統智能控制器的研究[D].泉州：華僑大學，2011.

[5]滕道樣.小功率風光互補發電系統最大功率跟蹤之變步長擾動法研究[J].徐州工程學院學報（自然科學版），2012（04）：20-22.