李源啟，陳雪亮，李 巍，王興貴

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基于幾何平均數(shù)的風光互補發(fā)電系統(tǒng)MPPT控制策略研究

李源啟1，陳雪亮2，李 巍1，王興貴1

（1.蘭州理工大學電氣工程與信息工程學院，蘭州 730050；2. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

根據(jù)風光互補發(fā)電系統(tǒng)的輸出特性，研究了一種基于幾何平均數(shù)的最大功率跟蹤控制策略。首先，利用風力和光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT分別計算出下一時刻的電壓占空比，然后利用幾何平均數(shù)求出兩個占空比的平均值。其次，用所求平均值控制風光互補發(fā)電系統(tǒng)的輸出電壓，從而保證風光互補發(fā)電系統(tǒng)工作在最大功率點。最后，通過MATLAB/Simulink進行了仿真分析，其結果驗證了控制策略的有效性。

風光互補 最大功率 發(fā)電系統(tǒng) 幾何平均數(shù)

0 引言

隨著科技的高速發(fā)展，全球對能源的需求量與日俱增。風能和太陽能作為清潔性能源，已經受到國際上的廣泛關注[1]。由于單個發(fā)電系統(tǒng)容易受到風速、光照強度等自然條件的制約和影響，只有將二者結合起來，才能揚長避短，提高發(fā)電效率[2]。

本文針對風光互補發(fā)電系統(tǒng)的輸出特性，研究了一種基于幾何平均數(shù)的最大功率跟蹤控制策略。首先，利用風力、光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT控制策略計算出下一時刻的電壓占空比。然后，用幾何平均數(shù)求出這兩個占空比的平均值，用求得的平均占空比值調整風光互補發(fā)電系統(tǒng)的輸出電壓，從而跟蹤控制系統(tǒng)的輸出功率。這樣就可以實現(xiàn)用一個DC-DC電路同時跟蹤控制風力和光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率。進而保證風光互補發(fā)電系統(tǒng)工作在最大功率點。最后利用MATLAB軟件對該控制策略進行了仿真，其結果驗證了該控制策略的有效性。

1 基于同時跟蹤最大功率跟蹤控制策略

首先，利用風力和光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT分別計算出下一時刻的電壓占空比。計算方法有：峰值功率跟蹤法、爬山搜索法、擾動觀察法、模糊控制法[3-7]。風光互補發(fā)電系統(tǒng)主要包括：風力機、光伏電池板、AC-DC整流電路、DC-DC升壓電路、MPPT等。電路圖如圖1所示：

圖1 風光互補發(fā)電系統(tǒng)電路

在統(tǒng)計學中，平均值的計算方法[8]通常有以下幾種：

1)簡單算術平均數(shù)

就是通常意義上的平均值，即

2)加權算術平均數(shù)

該計算方法主要通過各變量在數(shù)據(jù)中的權值決定，其表達式為

3)調和平均數(shù)

該方法也稱倒數(shù)平均數(shù)，計算如下：

（4）

將式（4）代入式（5）中，有

（6）

式（6）中，由完全平方不等式，對于任何正數(shù)，有

（8）

4)幾何平均數(shù)

（10）

將式（10）代入式（5）可得

由此，幾何平均數(shù)也適用于本系統(tǒng)。

基于以上分析，調和平均數(shù)與幾何平均數(shù)都適用于風光互補發(fā)電系統(tǒng)對擾動步長的平均值計算，現(xiàn)取具體數(shù)值進行分析。

2 仿真分析

利用MATLAB/Simulink進行仿真，具體條件給定如下：

則風力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)、風光互補發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率如圖2所示：

（a）風力發(fā)電系統(tǒng)

（b）光伏發(fā)電系統(tǒng)

（c）風光互補發(fā)電系統(tǒng)

由于控制策略的原因，系統(tǒng)的輸出功率會發(fā)生波動。取波動范圍內的平均值作為分析依據(jù)。在第1s時，系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)。此時風光互補發(fā)電系統(tǒng)的理論輸出功率為535 W，而實際輸出功率為465 W，功率損失13%；第2s時，系統(tǒng)的理論輸出功率為465 W，實際值為395 W，功率損失15%；第4 s時，理論值為540 W，實際值為480 W，損失11%；第6 s時，理論值、實際值、功率損失分別為470 W、435 W、7.4%。

通過以上數(shù)據(jù)可以看出，當風速或光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率中只有其中一個值發(fā)生變化時，該控制策略會造成風光互補發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率損失較大。這是因為當只有某一個發(fā)電系統(tǒng)輸出功率變化時，求幾何平均值改變了擾動步長的大小，從而使得風力和光伏發(fā)電系統(tǒng)都沒有工作在最大功率點。而當風速和光照強度同時變化時，即風力和光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率同時發(fā)生變化，這種情況下，幾何平均數(shù)法表現(xiàn)出了一定的適應能力，功率損失降低到了7.4%。

3 結論

在本文中，風光互補發(fā)電系統(tǒng)將風力發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤集中在一個系統(tǒng)中進行控制，結構簡單，降低成本。在預測準確的情況下，所設計的控制策略可以在風速和光照強度的正常變化范圍內快速跟蹤風力和光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率，從而保證風光互補發(fā)電系統(tǒng)工作在最大功率點。

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Research on MPPT Control Strategy of Wind/solar Hybrid Generation System Based on Geometric Average

Li Yuanqi1, Chen Xueliang2, Li Wei1, Wang Xinggui1

（1.College of Electrical Engineering and information Engineering, Lanzhou university of Technology, Lanzhou 730050, China；2. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM315

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1003-4862（2017）09-0014-03

2017-06-15

李源啟（1988-），男，碩士。研究方向：電力系統(tǒng)及其自動化。