摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對(duì)電能的需求越來越大，在環(huán)境保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展大趨勢(shì)下，可再生能源領(lǐng)域是重點(diǎn)研究方向，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)將在電能產(chǎn)生中占有越來越大的比重。因此本文對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析。

關(guān)鍵詞：風(fēng)光互補(bǔ)；發(fā)電系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

一、發(fā)電系統(tǒng)組成

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)主要包括風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)光互補(bǔ)控制器、蓄電系統(tǒng)、供電系統(tǒng)。

二、風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電控制技術(shù)

風(fēng)速是影響風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率輸出的重要因素，光照強(qiáng)度決定了光伏電池發(fā)電功率輸出的大小。同時(shí)負(fù)載用電量和蓄電池的儲(chǔ)能狀態(tài)也會(huì)影響系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，而且這些因素也會(huì)互相影響與制約。因此需要對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行合理控制，才能實(shí)現(xiàn)在不同條件下系統(tǒng)始終最優(yōu)運(yùn)行。控制的對(duì)象主要包括：對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)和光伏電池的輸出功率進(jìn)行控制；對(duì)蓄電池進(jìn)行充放電控制；協(xié)調(diào)光伏發(fā)電與風(fēng)力發(fā)電能量平衡等。

（一）光伏發(fā)電最大功率控制與恒壓控制。最大功率點(diǎn)跟蹤控制（簡(jiǎn)稱MPPT）就是通過改變負(fù)載等效阻抗實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，實(shí)現(xiàn)在不同光照強(qiáng)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(fù)載的伏安特性，二者的交點(diǎn)就是光伏電池的最大功率工作點(diǎn)。

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(qiáng)光照與一般光照光伏電池的伏安特性曲線。設(shè)系統(tǒng)首先在較弱光照下工作，運(yùn)行于最大功率點(diǎn)B。當(dāng)光照強(qiáng)度增加后，光伏電池的輸出功率增高，由曲線2變?yōu)榍€1。此時(shí)如果負(fù)載特性保持不變，系統(tǒng)將運(yùn)行在功率點(diǎn)B’，偏離最大功率工作點(diǎn)，降低系統(tǒng)效率。如果要使系統(tǒng)能繼續(xù)輸出最大功率，必須調(diào)節(jié)負(fù)載阻抗以實(shí)現(xiàn)功率匹配，即將負(fù)載特性由OB調(diào)節(jié)至OA，調(diào)節(jié)負(fù)載阻抗后，在較強(qiáng)的光照條件下，光伏電池依然能運(yùn)行在新的最大功率點(diǎn)A，輸出最大功率。光伏電池與負(fù)載的阻抗匹配電路可以采用DC/DC變換電路來改變等效負(fù)載的阻抗。其電路拓?fù)鋱D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(fù)載電阻。理想情況下

可得功率平衡關(guān)系式：

在boost電路中有：

負(fù)載等效電阻為：

（3）式表明，改變占空比k，就能改變負(fù)載等效阻抗值，相當(dāng)于改變負(fù)載特性，實(shí)現(xiàn)光伏電池的MPPT控制。

（二）風(fēng)力發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤控制。在不同風(fēng)速下，風(fēng)力發(fā)電出的功率輸出與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4風(fēng)力發(fā)電機(jī)最大功率工作點(diǎn)原理圖

以圖4為例，說明風(fēng)力發(fā)電機(jī)最大功率控制的原理。三種不同風(fēng)速V1、V2、V3時(shí)功率曲線上最大功率點(diǎn)分別為B、F、D。當(dāng)風(fēng)速為V1時(shí)，設(shè)開始時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行在功率點(diǎn)A，為了輸出最大功率，需要增加風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，直到n=n1，轉(zhuǎn)速增加過程中，風(fēng)力機(jī)沿曲線AB運(yùn)行，一直追蹤到最大功率點(diǎn)B穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)風(fēng)速增加為V3時(shí)，風(fēng)力機(jī)由于慣性的作用轉(zhuǎn)速保持不變，此時(shí)工作點(diǎn)將由功率點(diǎn)B突然變化至功率點(diǎn)C運(yùn)行，為了輸出最大功率，需要增大風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)n=n3時(shí)風(fēng)力機(jī)工作于最大功率點(diǎn)D。

本文采用最大功率給定法實(shí)現(xiàn)最大功率控制，如圖5所示。由于風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速與最佳葉尖速比λ之間存在一定的比例關(guān)系，因此可以根據(jù)轉(zhuǎn)速推測(cè)出尖速比λ，然后根據(jù)最大輸出功率Pmax與尖速比λ的對(duì)應(yīng)關(guān)系得到Pmax。將Pmax作為給定功率，與風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的實(shí)際功率進(jìn)行比較，其誤差ΔP通過PID控制，調(diào)節(jié)DC/DC變換器的PWM信號(hào)的占空比，實(shí)現(xiàn)最大功率控制。

圖5最大功率給定法控制原理

λ與Pmax關(guān)系如式：

Pmax=kn3

k=0.5ρπR5Cp/λ3

式中：R為風(fēng)輪機(jī)半徑，n為風(fēng)輪機(jī)的角速度，ρ為空氣密度，

Cp為最大風(fēng)能利用系數(shù)。

當(dāng)風(fēng)速大時(shí)，風(fēng)力機(jī)輸出功率較大，風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電輸出的能量多于負(fù)載和蓄電池吸收的能量，這時(shí)控制器將直流環(huán)節(jié)的輸出電流，即蓄電池充電電流與負(fù)載電流之和與DC/DC變換器的輸出電流進(jìn)行比較，其誤差信號(hào)經(jīng)過PID控制，調(diào)節(jié)DC/DC變換器PWM控制信號(hào)的占空比，使發(fā)電機(jī)的功率輸出始終跟蹤負(fù)載的變化，實(shí)現(xiàn)最大功率控制。

三、結(jié)語(yǔ)

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)利用風(fēng)能、太陽(yáng)能的互補(bǔ)特性實(shí)現(xiàn)全天候發(fā)電，比單用風(fēng)能和太陽(yáng)能更經(jīng)濟(jì)、科學(xué)、實(shí)用。風(fēng)光互補(bǔ)控制器是集風(fēng)能、太陽(yáng)能控制于一體的控制器，提高了電能利用率。

參考文獻(xiàn)：

[1]姚傳安.小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)控制和能量預(yù)測(cè)技術(shù)研究[D].河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013.