秦 斌 易柏年

（1．湖北黃岡供電公司電力設(shè)計(jì)院，湖北 黃岡438000；2．武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢430070）

0 引言

風(fēng)光互補(bǔ)供能系統(tǒng)具有不枯竭、方便、清潔、無噪音等優(yōu)點(diǎn)，尤其是在廣大邊遠(yuǎn)地區(qū)，充分利用其優(yōu)勢(shì)，對(duì)建立獨(dú)立可靠的供能系統(tǒng)具有重大意義。目前，在我國一些偏遠(yuǎn)地區(qū)（如農(nóng)村、災(zāi)區(qū)、海島、野外）居民的生活用電仍存在一定問題。由于這些地區(qū)的地理位置偏遠(yuǎn)，地廣人稀，導(dǎo)致架線送電路程遙遠(yuǎn)，不僅損耗大，而且線路維護(hù)費(fèi)用較高，因此供電網(wǎng)覆蓋面有限，給當(dāng)?shù)厝罕姷纳顜砹藰O大的不便。下面將介紹一種小型獨(dú)立的風(fēng)光互補(bǔ)供能系統(tǒng)，以期可進(jìn)一步解決偏遠(yuǎn)地區(qū)的用電問題。

1 風(fēng)光互補(bǔ)供能系統(tǒng)概述

本模型系統(tǒng)采用一塊太陽能板，額定功率20 W，面積0．189 125 m2，根據(jù)計(jì)算可得太陽能板每年可產(chǎn)生電能18．84～52．32 k W·h。風(fēng)機(jī)模塊采用額定功率100 W風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，每月產(chǎn)生電能12～17 k W·h。體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)合理，美觀大方，葉片外型采用專利技術(shù)曲線設(shè)計(jì)，具有良好的氣動(dòng)性能，材料采用優(yōu)質(zhì)玻璃鋼，具有啟動(dòng)早、抗大風(fēng)能力強(qiáng)、效率高等特點(diǎn)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)整機(jī)配置優(yōu)良，性能可靠，堅(jiān)固耐用，美觀大方。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)控制器，其風(fēng)力發(fā)電充電電路與光伏發(fā)電充電電路是兩個(gè)獨(dú)立的充電模塊，二者互不影響，可以進(jìn)行單獨(dú)充電控制。同時(shí)系統(tǒng)采用DC－AC電源轉(zhuǎn)換器，可對(duì)外部設(shè)備提供220 V市電。

2 太陽能跟蹤算法的設(shè)計(jì)

目前，太陽能追蹤系統(tǒng)（Sun Tracking System）主要有單軸系統(tǒng)和雙軸機(jī)械跟蹤定位系統(tǒng)。國內(nèi)外研究表明，單軸太陽能系統(tǒng)比固定式系統(tǒng)能增加25%的功率輸出，而雙軸太陽能追逐系統(tǒng)比固定式系統(tǒng)能增加41%的功率輸出。為達(dá)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(tǒng)中設(shè)計(jì)了一種優(yōu)化的雙軸跟蹤定位系統(tǒng)。

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

圖1 太陽跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

在設(shè)計(jì)視日運(yùn)動(dòng)跟蹤子程序過程中，雖然太陽的位置時(shí)刻都在變化，但其運(yùn)行具有嚴(yán)格的規(guī)律性，在地平坐標(biāo)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(dāng)?shù)氐木S度角；ω為時(shí)角。

太陽赤緯角δ與時(shí)角ω由本地時(shí)間確定，而對(duì)于確定的地點(diǎn)，本地的維度角φ也是確定的，因此只要輸入當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)地理位置與時(shí)間信息就可確定此時(shí)刻的太陽位置。

3 最大功率控制策略的設(shè)計(jì)

3．1 風(fēng)機(jī)最大風(fēng)能捕獲控制策略

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

3．1．1 傳統(tǒng)的爬山搜索法

爬山搜索法最大功率跟蹤控制算法是根據(jù)獲取的風(fēng)能來計(jì)算的。獲取的風(fēng)能給定為：

式中，TE為電磁轉(zhuǎn)矩；ωg為發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。

傳統(tǒng)的爬山搜索法包括以下步驟：

（1）選擇初選的參考轉(zhuǎn)速并測(cè)量發(fā)電機(jī)的輸出功率；

（2）通過增加或者減小某一固定步長(zhǎng)，獲取參考轉(zhuǎn)速并在此測(cè)量發(fā)電機(jī)的輸出功率；

（3）計(jì)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(fù)直到到達(dá)最優(yōu)運(yùn)行點(diǎn)。

采用爬山搜索算法控制可以不斷地搜索風(fēng)機(jī)輸出功率峰值，當(dāng)風(fēng)機(jī)慣量非常小，風(fēng)機(jī)速度對(duì)風(fēng)速的反映幾乎是瞬時(shí)的。自然界風(fēng)的隨機(jī)性是不可避免的，當(dāng)功率擾動(dòng)或風(fēng)速小范圍波動(dòng)使得最佳功率點(diǎn)偏移，在此時(shí)若重新初始化步長(zhǎng)，由于風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速較大，步長(zhǎng)擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生無法避免的波動(dòng)，影響整個(gè)系統(tǒng)的功率輸出，如果采用整數(shù)倍增減的方式調(diào)整步長(zhǎng)，會(huì)使風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的收斂性無法達(dá)到預(yù)期的要求。因此最好采用步長(zhǎng)呈指數(shù)倍形式增減的調(diào)整方式，以達(dá)到保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定的效果。在實(shí)際應(yīng)用中若保持風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速在較小的范圍內(nèi)波動(dòng)，將有利于系統(tǒng)對(duì)隨機(jī)變化的風(fēng)速做出快速響應(yīng)。

3．1．2 改進(jìn)后的梯度算法

在不檢測(cè)風(fēng)速的情況下，做出合適的調(diào)整是最優(yōu)梯度法應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵，故本文引入該算法應(yīng)用在風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)中。改進(jìn)后梯度算法是通過風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的擾動(dòng)來搜尋最大功率輸出點(diǎn)。

由傳統(tǒng)的爬山搜索法可知，工作點(diǎn)位于系統(tǒng)最大功率輸出點(diǎn)的左側(cè)時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速以較大幅度指數(shù)倍增長(zhǎng)；工作點(diǎn)位于系統(tǒng)最大功率輸出點(diǎn)附近時(shí)，系統(tǒng)提供相對(duì)小的擾動(dòng)量。此時(shí)基準(zhǔn)點(diǎn)Pb所對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速ωb將調(diào)整為ω′a＝ωb，ω′b＝ωc，ω′c＝ω′b＋Δω。工作點(diǎn)位于系統(tǒng)最大功率輸出點(diǎn)的附近時(shí)，風(fēng)機(jī)步長(zhǎng)不會(huì)有較大的起伏波動(dòng)，整個(gè)系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定地工作?；鶞?zhǔn)點(diǎn)Pb所對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)ωb轉(zhuǎn)速將調(diào)整為：Δω′＝Δω－ωx，ω′a＝ω′b－Δω′，ω′b＝ωb，ω′c＝ω′b＋Δω′。ωx＝±hΔω 作為指數(shù)的步長(zhǎng)調(diào)整。同樣，工作點(diǎn)位于風(fēng)機(jī)最大功率輸出點(diǎn)右側(cè)時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速以相對(duì)大的幅度指數(shù)減少，這樣就可解決最大功率輸出點(diǎn)附近收斂性不好以及振蕩追逐等缺點(diǎn)。基準(zhǔn)點(diǎn)Pb所對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速ωb將調(diào)整為ω′c＝ωb，ω′b＝ωa，ω′a＝ω′b－Δω。

將風(fēng)力發(fā)電機(jī)最大輸出功率作為整個(gè)系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)，將風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速ω作為跟蹤變量，根據(jù)輸出功率值的變化量和對(duì)應(yīng)前一刻的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整步長(zhǎng)，共同決定該時(shí)刻調(diào)整步長(zhǎng)的大小。對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率Pw（ω）與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速ω兩者之間的特征函數(shù)曲線進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論：若系統(tǒng)輸出功率增大，則繼續(xù)按照原步長(zhǎng)方向進(jìn)行調(diào)整，反之取相反的方向進(jìn)行調(diào)整；若在最大輸出功率點(diǎn)的較遠(yuǎn)處，則采用較大的調(diào)整步長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)追蹤速度的提升；若在最大輸出功率點(diǎn)附近，則采用較小的調(diào)整步長(zhǎng)，減少追逐搜索的損失；自然風(fēng)風(fēng)速隨機(jī)等因素導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)輸出功率發(fā)生較大的變化時(shí)，系統(tǒng)能準(zhǔn)確迅速作出相應(yīng)的反應(yīng)。

如圖2所示，風(fēng)速穩(wěn)定情況下，波動(dòng)很小，且波長(zhǎng)在可允許為一非線性函數(shù)，連續(xù)可微分的范圍內(nèi)振蕩；當(dāng)風(fēng)速發(fā)生變化時(shí)，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速ω（n）是以ω（n－1）時(shí)的風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速呈指數(shù)倍增長(zhǎng)。功率的變化量隨ω（n）呈倍數(shù)增減，驗(yàn)證了改進(jìn)后的梯度算法的可行性和正確性。

圖2 改進(jìn)后的梯度算法

3．2 光伏發(fā)電的最大功率點(diǎn)跟蹤控制策略

常用的光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤控制策略有2種：恒壓控制法（Constant Voltage Tracking，CVT）和擾動(dòng)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(shí)現(xiàn)光伏陣列的功率最大輸出，并且操作性好，可靠性高，整個(gè)系統(tǒng)不會(huì)振蕩，有著較高的穩(wěn)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(duì)太陽電池開路電壓的影響，導(dǎo)致控制精度不高，尤其是在溫差較大的季節(jié)，光伏陣列受到溫差的影響，伏安特性曲線會(huì)有不可忽略的變化，需要不時(shí)地對(duì)給定電壓值進(jìn)行調(diào)整。

圖3 恒壓控制法框圖

3．2．2 擾動(dòng)觀察法（P＆O）

光伏發(fā)電擾動(dòng)觀察法和風(fēng)力發(fā)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(dòng)觀察法控制框圖如圖4所示。其最大優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)，需要測(cè)量的參數(shù)較少。但是缺點(diǎn)是無法消除“擾動(dòng)”，輸出會(huì)有較小起伏波動(dòng)，導(dǎo)致最大功率追蹤的過程中會(huì)損失一些微功率。

圖4 擾動(dòng)觀察法控制框圖

3．2．3 本系統(tǒng)采用的控制方法

綜上所述，兩種控制方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，前者可行性好，操作控制簡(jiǎn)單，但受限于溫度的變化；后者可對(duì)不同溫度下的最大功率輸出點(diǎn)進(jìn)行追蹤，但存在一定的起伏波動(dòng)，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定行造成了不利影響。

聯(lián)系實(shí)際需求，本文將上述兩種控制方式結(jié)合，思路如下：首先參考實(shí)際情況，得出經(jīng)驗(yàn)值Vm，采用CVT的啟動(dòng)方式，因?yàn)镃VT方式在啟動(dòng)特性上有著較好的優(yōu)勢(shì)。啟動(dòng)后，使用擾動(dòng)觀察法，追蹤捕獲最大功率輸出點(diǎn)，獲得最大功率輸出點(diǎn)處的Vm，由于溫度的線性變化，在較短時(shí)間內(nèi)，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(fā)電系統(tǒng)的輸出電壓控制在先前測(cè)得的Vm值附近。每隔一段時(shí)間，重復(fù)上述幾個(gè)步驟，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大輸出功率的控制。

4 結(jié)語

本文主要講述了一種優(yōu)化的風(fēng)光互補(bǔ)供能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。風(fēng)光互補(bǔ)供能系統(tǒng)的使用，能耗和污染排放始終為零，節(jié)能減排效果十分明顯，具有深遠(yuǎn)的社會(huì)效益和長(zhǎng)遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］彭國平，李帥，魚振民，等．小型風(fēng)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤的研究［J］．西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，38（4）：357～360

［2］唐雁，方瑞明．獨(dú)立式風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中最大功率控制策略研究［J］．電網(wǎng)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(yuǎn)，王生鐵，田桂珍．風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制［J］．太陽能學(xué)報(bào)，2010，31（5）：655～659

［5］李丹，彭軍，余岳峰．離網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)匹配方法優(yōu)化研究［J］．華東電力，2008，36（3）：86～90

［6］劉波，郭家寶，袁智強(qiáng)，等．風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)特性研究［J］．華東電力，2010，38（12）：1 903～1 906