張麗霞，張秀霞，2，劉 婷 ，王二壘，楊小聰，魏舒怡

（1.北方民族大學(xué) 電氣信息與工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2.西安交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，陜西 西安 710049；3.中國(guó)科學(xué)院研究生院 北京 100049）

能源是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活必須的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。建立在煤炭、石油、天然氣等化石燃料基礎(chǔ)上的能源體系極大推動(dòng)了人類社會(huì)的發(fā)展。同時(shí)，化石能源的使用帶來(lái)嚴(yán)重的環(huán)境污染和生態(tài)系統(tǒng)破壞。因此，世界各國(guó)在加強(qiáng)對(duì)環(huán)境污染治理的同時(shí)，加大對(duì)可再生、無(wú)污染新能源的開(kāi)發(fā)利用[1-3]，風(fēng)能、太陽(yáng)能作為可再生清潔能源，成為替代化石能源的首選。

由于風(fēng)能、太陽(yáng)能在時(shí)間和空間上的互補(bǔ)性，彌補(bǔ)了風(fēng)能和太陽(yáng)能獨(dú)立發(fā)電在資源上的缺陷，使得風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電比單一風(fēng)力發(fā)電或光伏發(fā)電更為高效。在實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)中，外界條件的變化使得系統(tǒng)輸出功率不穩(wěn)定，就存在最大功率點(diǎn)跟蹤（Maximum Power Point Track，MPPT）的問(wèn)題。

1 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其組成主要有太陽(yáng)能電池板、風(fēng)電機(jī)組、蓄電池、逆變器、控制器、交流負(fù)載、直流負(fù) 載等[1，3]。

圖1 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Wind-solar hybrid generation system structure

2 最大功率點(diǎn)跟蹤控制

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在工作時(shí)，隨著日照強(qiáng)度、環(huán)境溫度、風(fēng)力大小及方向的不同，各組件輸出電壓將發(fā)生變化，使得輸出功率也產(chǎn)生很大變化，所以風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽(yáng)能電池陣列本身就是一種極不穩(wěn)定的電源。在外界條件變化的條件下輸出盡可能多的電能，提高系統(tǒng)的效率，就需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤。所謂最大功率點(diǎn)跟蹤 （Maximum Power Point Tracking，MPPT），即是指控制器能夠?qū)崟r(shí)偵測(cè)太陽(yáng)能電池陣列及風(fēng)電機(jī)的發(fā)電電壓，并追蹤最高電壓電流值（VI），使系統(tǒng)以最高的效率對(duì)蓄電池充電[4]。MPPT控制實(shí)質(zhì)是一個(gè)自尋優(yōu)過(guò)程，通過(guò)控制系統(tǒng)各組件的特定參數(shù)，或控制DC/DC變換器開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通時(shí)間，使系統(tǒng)各組件在各種不同的外界環(huán)境下智能化地輸出最大功率[3]。

3 MPPT控制算法

在風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用過(guò)程中，由于太陽(yáng)能電池陣列和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)換效率比較低，所以對(duì)于其最大功率跟蹤技術(shù)的研究一直是一個(gè)重要內(nèi)容。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已提出了多種控制算法[4-6]。

3.1 太陽(yáng)能電池陣列的MPPT控制算法

太陽(yáng)能電池陣列輸出電壓具有非線性特性，因外界日照強(qiáng)度及溫度的改變而變化，因此在特定的情況下存在相應(yīng)的最大功率點(diǎn)[3]，目前，進(jìn)行太陽(yáng)能發(fā)電MPPT控制的方法主要有以下3種：功率擾動(dòng)觀察法、增量電導(dǎo)法和恒壓控制法。

1）功率擾動(dòng)觀察法（P&O）[4-6]，又稱爬山法，是目前常用的一種MPPT控制方法。其原理是通過(guò)擾動(dòng)前后功率的變化量進(jìn)行擾動(dòng)方向的判斷，先賦予一個(gè)輸出電壓信號(hào) （UPV+ΔU），再進(jìn)行功率測(cè)量，若功率變化量大于零，則表示擾動(dòng)方向正確，可向同一方向繼續(xù)擾動(dòng)；若功率變化量小于零，則向反方向擾動(dòng)[6]，圖2為其控制框圖[3]。

圖2 擾動(dòng)觀察法控制框圖Fig.2 P&O control block diagram

P&O法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量參數(shù)少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過(guò)不斷擾動(dòng)趨于系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)；缺點(diǎn)是跟蹤精度和速度與跟蹤步長(zhǎng)ΔU以及初始值UPI的選取密切相關(guān)，且有可能在最大功率點(diǎn)附近產(chǎn)生震蕩；若跟蹤步長(zhǎng)ΔU太小，當(dāng)外界環(huán)境變化較快時(shí)其跟蹤速度緩慢；若跟蹤步長(zhǎng)ΔU太大，當(dāng)?shù)竭_(dá)最大功率點(diǎn)附近時(shí)，會(huì)加大震蕩從而損失較多功率[7]，有時(shí)在運(yùn)行中發(fā)生程序控制失序，出現(xiàn)“誤判”現(xiàn)象[4-6]。

2）增量電導(dǎo)法（INC），由 K.H.Hussein提出，該方法解決了P&O法功率損失等問(wèn)題，P&O法是在不確定最大功率點(diǎn)的大致方向的情況下進(jìn)行工作點(diǎn)電壓或者電流調(diào)整，使之逐漸接近最大功率點(diǎn)電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤，而增量電導(dǎo)法避免了這種盲目性，根據(jù)太陽(yáng)能電池板的P-U特性曲線在最大功率點(diǎn)處的斜率為零，即dP/dU，可得：

式（1）為判斷系統(tǒng)是否工作在最大功率點(diǎn)處的條件，即為輸出電導(dǎo)變化量等于負(fù)的輸出電導(dǎo)，該法使用瞬間電導(dǎo)值、電壓和電流變化量比值這兩個(gè)參數(shù)來(lái)判斷輸出電壓的變化量，若輸出電壓變化量為零，則表明此時(shí)系統(tǒng)工作在最大功率點(diǎn)；反之，需要改變系統(tǒng)的被控參數(shù)或者DC/DC變換器驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比，然后繼續(xù)進(jìn)行判斷，圖3為其控制框圖[3，6-7]。

圖3 增量電導(dǎo)法控制框圖Fig.3 INC control block diagram

INC法的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)速度快、控制精確、具有高速、穩(wěn)定的跟蹤特性，因此對(duì)硬件的要求比較高，并且運(yùn)行速度快[8]，從而決定了該法適用于光強(qiáng)和溫度大幅度變化的地區(qū)[3]。

3）恒壓控制法（CVT），其原理是外界溫度保持不變、光照強(qiáng)度發(fā)生改變的情況下，當(dāng)系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)處的電壓近似等于某一恒定值VM，則此時(shí)追蹤到了系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)，因此，為了使太陽(yáng)能電池板的輸出電壓穩(wěn)定在VM附近，需調(diào)節(jié)DC/DC變換器的占空比改變負(fù)載阻抗，便可以實(shí)現(xiàn)MPPT控制[3，7-8]，圖 4 為其控制框圖[7]。

圖4 恒壓法控制框圖Fig.4 CVT control block diagram

CVT法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)、穩(wěn)定性高。但根據(jù)其工作原理忽略了溫度造成的影響，因此該方法只是光照強(qiáng)度改變情況下的最大功率點(diǎn)跟蹤，對(duì)于溫差較大的地區(qū)，該法不能因溫度的變化進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤，從而導(dǎo)致功率的損失。

3.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的MPPT控制算法

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)一樣也存在最大功率點(diǎn)，風(fēng)力發(fā)電部分若要捕獲最大風(fēng)能，須根據(jù)風(fēng)速的變化對(duì)風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，這就產(chǎn)生了變速發(fā)電運(yùn)行模式[9]。根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的原理可知，當(dāng)輸出功率大于輸出機(jī)械功率時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速下降；反之，轉(zhuǎn)速將會(huì)增加。因此，可以通過(guò)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的控制調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率，即調(diào)節(jié)控制電路驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比[10]，目前，應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)MPPT控制技術(shù)主要有葉尖速比控制法、功率信號(hào)反饋法、擾動(dòng)觀察法3種方法[11]。

1）葉尖速比控制法。其原理是只要風(fēng)速一定，風(fēng)力機(jī)或者發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速就保持一個(gè)值不變，即當(dāng)葉尖速比λ為最佳條件λm時(shí)，就跟蹤到了系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)，圖5為其控制原理圖[12]。

圖5 葉尖速比法控制框圖Fig.5 Tip speed ratio control block diagram

該方法的優(yōu)點(diǎn)：易實(shí)現(xiàn)，只要1個(gè)PI控制器即可滿足控制要求，在風(fēng)速測(cè)量精確的前提下，準(zhǔn)確性高、反應(yīng)速度快[12]；缺點(diǎn)是需要風(fēng)速計(jì)測(cè)量風(fēng)速，對(duì)于小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)成本過(guò)高，且增大了系統(tǒng)維護(hù)的難度[11]。

2）功率信號(hào)反饋法。風(fēng)力機(jī)輸出的最大功率Pmax是根據(jù)最大功率曲線得出，按照相應(yīng)的輸出功率選擇風(fēng)輪轉(zhuǎn)速ω，對(duì)風(fēng)力機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，圖6為其控制原理圖[12]。

圖6 功率信號(hào)反饋法控制框圖Fig.6 Power signal feedback control block diagram

該方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要了解風(fēng)力機(jī)特性，也不需要測(cè)風(fēng)裝置測(cè)量風(fēng)速，從而避免了風(fēng)速檢測(cè)環(huán)節(jié)存在的問(wèn)題，具有更好的使用價(jià)值[12]。缺點(diǎn)是外界風(fēng)速發(fā)生變化時(shí)，風(fēng)速曲線不容易確定，無(wú)法進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整[11]；理論的最大功率曲線在實(shí)際運(yùn)行中，其參數(shù)的設(shè)定將影響跟蹤的準(zhǔn)確性；對(duì)于不同風(fēng)輪機(jī)，其風(fēng)速曲線也是不同的，需進(jìn)行離線或仿真實(shí)驗(yàn)得出相應(yīng)的風(fēng)速曲線，會(huì)增加應(yīng)用成本和控制難度[12]。

3）擾動(dòng)觀察法。與太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)基本相似，風(fēng)力發(fā)電的最大功率的獲取是比較尋找得到某個(gè)風(fēng)速所對(duì)應(yīng)的功率，首先給風(fēng)輪施加一個(gè)較小的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，然后檢測(cè)系統(tǒng)的輸出功率的變化量，如果變化量大于零，則表明擾動(dòng)方向正確；如果變化量小于零，則向相反的方向進(jìn)行擾動(dòng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述分析可以看出，各種跟蹤控制方法都有自己的優(yōu)點(diǎn)同時(shí)又不可避免的存在缺點(diǎn)，擾動(dòng)觀察法作為較為常用的一種控制方法之一，其缺點(diǎn)是的系統(tǒng)擾動(dòng)的步長(zhǎng)大小難以確定，會(huì)造成在最大功率點(diǎn)附近震蕩；增量電導(dǎo)法印其對(duì)參數(shù)的精確測(cè)量所以設(shè)備初期投入資金較大，導(dǎo)致其維修費(fèi)用昂貴；恒壓控制法無(wú)法因外界環(huán)境的劇烈改變而做出相應(yīng)的調(diào)節(jié)；葉尖速法與增量電導(dǎo)法類似，在費(fèi)用方面降低了其效益；功率信號(hào)反饋法則需要人為的經(jīng)驗(yàn)，無(wú)法因?qū)嶋H變化做出相應(yīng)的調(diào)節(jié)。因此，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法的發(fā)展不很完善，其技術(shù)手段尚未完全成熟，為了更好的滿足實(shí)際需求，根據(jù)相應(yīng)的情況將各種MPPT控制方法相結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，成為風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)MPPT的研究方向。隨著我國(guó)對(duì)清潔可再生能源的規(guī)劃，太陽(yáng)能、風(fēng)能的利用將會(huì)蓬勃發(fā)展，而風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法的簡(jiǎn)化以及跟蹤精度與速度的提高是將來(lái)必然的發(fā)展趨勢(shì)。

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