陳 睿，陳 燕，李聰克，竇銀科，左廣宇

(太原理工大學(xué)電氣與動力工程學(xué)院，山西 太原 030024)

北極地區(qū)位于地球最北端，年平均氣溫為－15～－20 ℃，目前北極考察主要有船基考察和自動監(jiān)測裝置考察等方式。其中，自動監(jiān)測裝置包括北極海-冰-氣無人冰站觀測系統(tǒng)、天文觀測器和冰形變探測器等，這些裝置安裝于北極冰層上，終年隨著海流漂移，其供電主要依靠電池技術(shù)，但長期低溫環(huán)境對電池壽命損耗極大，且在海冰移動過程中電池更換的不方便性和不及時(shí)性給北極持續(xù)科考造成很大影響[1]，利用可持續(xù)能源供電勢在必行。

目前的極區(qū)科考設(shè)備已由單一的蓄電池供電轉(zhuǎn)向可再生能源和蓄電池聯(lián)合供電[2]，但其供電設(shè)備大多用在極區(qū)陸地地區(qū)，如南極中山站，其設(shè)備體積龐大，可用于與柴油機(jī)聯(lián)合供電，對可再生能源的依賴程度相對較小，對系統(tǒng)控制精度、速度以及能量利用率要求相對較低，不適合應(yīng)用于隨海冰漂移的野外監(jiān)測裝置。同時(shí)，光能作為北極供電系統(tǒng)的重要能源，其發(fā)電系統(tǒng)的控制尤為重要，然而光伏輸出功率會隨著光照強(qiáng)度、溫度等氣候條件不斷變化，直接引起直流母線電壓的波動甚至突變[3]，對系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性影響很大。

針對上述問題，本文提出了一種用于北極野外監(jiān)測裝置供電的風(fēng)光海流供電系統(tǒng)中的光伏發(fā)電系統(tǒng)的能量管理控制策略，即最大功率跟蹤和恒壓控制。其中，光伏、風(fēng)力和海流發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)各自變換器接入直流母線。該控制策略解決了非極區(qū)光伏供電系統(tǒng)中的最大功率跟蹤的跟蹤速度慢，穩(wěn)態(tài)波動大的問題，有效提高了跟蹤速度和精度，且避免了光照輸入突然增加時(shí)直流電壓的波動和蓄電池頻繁充放電引起的壽命縮短等問題，能夠快速高效地利用光能，穩(wěn)定直流母線電壓，保證北極野外監(jiān)測裝置的供電可靠性。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏電池和DC/DC 控制器構(gòu)成，光伏電池將隨溫度、光照強(qiáng)度等氣候條件變化的光能轉(zhuǎn)化為直流電，通過DC/DC 控制器接入直流母線。DC/DC 控制器通常為Buck 變換器或Boost 變換器，為使光照強(qiáng)度低時(shí)仍有能量流動且減少能量損耗，本文使用Boost 變換器[4]。光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示，光伏電池經(jīng)Boost 變換器接入直流母線，控制策略通過控制Boost 電路中電子器件的導(dǎo)通或者關(guān)斷的時(shí)間實(shí)現(xiàn)。

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 光伏電池模型

根據(jù)光伏電池的等效電路可得出其數(shù)學(xué)模型，但由于溫度以及太陽輻射的變化會對輸出電流造成影響，因此在模型基礎(chǔ)上加以修正[5]：

式中：ISC為光伏電池短路電流；UOC為光伏電池開路電壓；α 為電流變化溫度系數(shù)，取0.005 4 A/℃；β 為電壓變化溫度系數(shù)，取0.02 V/℃；Rs為光伏電池中的等效串聯(lián)電阻，取0.1 Ω；Sref和θref分別為參考條件下光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度，一般取1 kW/m2和25 ℃。

根據(jù)式(1)～(4)得出光伏電池的Simulink 模型如圖2 所示。

圖2 光伏電池模型

光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制策略與其輸出特性曲線有重要的聯(lián)系。光伏電池的輸出主要受溫度和光照強(qiáng)度影響[6]，其光伏輸出特性曲線如圖3 所示，圖3(a)為參考溫度25 ℃下，光照強(qiáng)度分別為1.2、1、0.8、和0.6 kW/m2時(shí)的P-V曲線圖，圖3(b)為光照強(qiáng)度1 kW/m2下，溫度分別為－30、－20、－10、0 和10 ℃時(shí)光伏電池的P-V曲線。由圖3 可知，總存在某一點(diǎn)電壓使得光伏輸出功率達(dá)到最大，且光伏輸出功率受光照強(qiáng)度影響遠(yuǎn)大于溫度的影響，因此后續(xù)實(shí)驗(yàn)只涉及光照強(qiáng)度變化時(shí)的仿真驗(yàn)證。

圖3 光伏輸出特性曲線

1.2 DC/DC 控制器與控制策略

若不考慮儲能系統(tǒng)，則引起直流母線電壓變化的根本原因就是光伏陣列發(fā)出功率與直流負(fù)荷功率不平衡。若光伏陣列發(fā)出的功率大于負(fù)載功率，則直流母線電壓上升；若光伏陣列發(fā)出的功率小于負(fù)載功率，則直流母線電壓下降。

光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制策略是由控制DC/DC 變換器中的絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的導(dǎo)通和關(guān)斷實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)光照強(qiáng)度較低時(shí)，光伏電池輸出功率小于負(fù)載功率，為避免能源浪費(fèi)和蓄電池頻繁充放電，需要控制DC/DC 變換器使光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出最大功率，采用最大功率跟蹤的控制策略；當(dāng)光照強(qiáng)度較高時(shí)，光伏電池輸出功率超過負(fù)載功率，且蓄電池不需要充電時(shí)，必須控制DC/DC 變換器使光伏輸出功率降低，保持直流母線電壓的恒定，保證供電系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，即恒壓控制策略。兩種控制策略的區(qū)別最終體現(xiàn)在IGBT 的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間以及頻率的不同?？刂撇呗郧袚Q基于母線電壓大小。

2 改進(jìn)的自適應(yīng)最大功率跟蹤控制

2.1 自適應(yīng)最大功率跟蹤分析與建模

常用的最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)控制方法有固定電壓法、電導(dǎo)增量法、擾動觀察法等。其中擾動觀察法參數(shù)較少、原理簡單、易于實(shí)現(xiàn)、應(yīng)用更加廣泛[7]，其原理為通過檢測實(shí)際的光伏輸出電壓并不斷添加擾動量，使光伏輸出電壓為輸出特性中的最大功率點(diǎn)處的電壓，此時(shí)輸出功率達(dá)到最大功率。但傳統(tǒng)的定步長擾動觀察法存在步長問題，不能動態(tài)地改變步長，如果步長設(shè)置較小，到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)精度相對較好，但系統(tǒng)跟蹤速度慢；如果步長設(shè)置較大，容易造成在最大功率點(diǎn)處震蕩的問題[8]。目前大部分研究中的變步長擾動觀察法只單單停留于分段定步長的階段，上述問題依然存在，只適合應(yīng)用在光能相對充足、精度要求低的場合。

北極擁有特殊的極晝極夜現(xiàn)象，光能相對不夠穩(wěn)定，對控制器要求較高，因此，本文提出一種改進(jìn)的自適應(yīng)擾動觀察法。該方法根據(jù)光伏輸出特性曲線在最大功率點(diǎn)左右兩部分斜率的不同，將擾動量設(shè)為斜率的函數(shù)，且隨著每一點(diǎn)斜率的變化而變化，步長在每一點(diǎn)處均不同，其擾動原理為：

式中：Un為第n次電壓采樣值；Un+1為第n+1 次電壓采樣值。

由圖3 可知，光伏輸出特性曲線在最大功率點(diǎn)處斜率為0，越靠近最大功率點(diǎn)處的斜率絕對值越減小，擾動步長需要相應(yīng)地減少以避免在最大功率點(diǎn)處的震蕩；在遠(yuǎn)離最大功率點(diǎn)時(shí)，需要相應(yīng)地增大其擾動步長來達(dá)到快速跟蹤，因此該自適應(yīng)擾動觀察法的擾動量是關(guān)于ΔP/ΔU的函數(shù)；且在最大功率點(diǎn)左側(cè)時(shí)，擾動量應(yīng)為正；在最大功率點(diǎn)右側(cè)時(shí)，擾動量應(yīng)為負(fù)。圖4 為改進(jìn)的自適應(yīng)擾動觀察法流程框圖。

圖4 改進(jìn)的自適應(yīng)擾動觀察法流程框圖

首先采集n時(shí)刻的光伏輸出電壓Un和電流In，計(jì)算前后時(shí)刻的電壓差ΔU和功率差ΔP，通過判斷ΔP/ΔU的正負(fù)得到擾動量ΔUn和n+1 時(shí)刻的電壓參考值Un+1，將此時(shí)電壓的實(shí)際值U與參考值Un+1的差值ΔU*送入PI 控制器得到調(diào)制信號，經(jīng)過脈沖寬度調(diào)制(PWM)得到Boost 電路控制信號的占空比。其中，α 和β 均為步長因子，本文分別取0.178 和0.6。在Matlab/Simulink 中建立改進(jìn)的自適應(yīng)最大功率跟蹤的模型，如圖5 所示。

2.2 仿真驗(yàn)證

光伏系統(tǒng)仿真模型如圖6 所示，其中MPPT 模塊為圖5 的封裝形式，為改進(jìn)的最大功率跟蹤模型，模型輸入信號為Ipv和Upv，分別代表光伏電池的輸出電流和輸出電壓，通過上述的最大功率跟蹤模型計(jì)算和PWM 調(diào)制，最終輸出信號g，作為IGBT 控制信號，用于控制Boost 電路的通斷，從而改變光伏電池輸出功率和電壓。其電路中的具體參數(shù)如表1 所示。

圖5 改進(jìn)的自適應(yīng)擾動觀察法模型

圖6 光伏系統(tǒng)仿真模型

表1 電氣參數(shù)表

為了驗(yàn)證控制策略的可行性，在Matlab/Simulink 環(huán)境下進(jìn)行仿真。為了模擬北極低溫環(huán)境，設(shè)置溫度為－20 ℃，仿真時(shí)間為0.9 s，仿真步長采用離散步長，取樣時(shí)間為1 ms，求解器采用的是變步長的ode23tbc(stiff/TR-BDF2)。

保持環(huán)境溫度－20 ℃不變，光照強(qiáng)度在0.03 s 時(shí)由1 000 W/m2降為800 W/m2，0.06 s 時(shí)光照強(qiáng)度又降到600 W/m2，如圖7(a)所示，光伏輸出功率變化曲線如圖7(b)所示，系統(tǒng)在0.001 377 s 時(shí)跟蹤到了最大功率點(diǎn)且跟蹤性能穩(wěn)定，功率為140.5 W；當(dāng)光伏突變時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)也能很快地跟蹤到最大功率，且穩(wěn)定精度高，功率幾乎無波動，充分驗(yàn)證了改進(jìn)的最大功率跟蹤控制策略具有跟蹤速度快、穩(wěn)定性好和能量利用率高的特點(diǎn)。

圖7 最大功率跟蹤仿真波形圖

3 恒壓控制

3.1 恒壓控制分析與建模

一般情況下，盡量使得光伏發(fā)電系統(tǒng)工作在最大功率追蹤狀態(tài)。當(dāng)光伏輸出功率大于負(fù)載功率，且儲能元件達(dá)到滿充而不工作時(shí)，系統(tǒng)能量過剩會引起直流母線電壓上升，為了確保光伏發(fā)電系統(tǒng)安全運(yùn)行，就必須對光伏系統(tǒng)采取降功率控制[9]。本文采用恒壓控制，即通過改變光伏輸出電壓的大小控制其輸出功率的大小。其控制策略模型如圖8 所示。將實(shí)際測得的直流母線電壓Udc與直流母線電壓參考值閾值1.1U*dc=33 V 進(jìn)行比較，差值送入電壓PI 控制器，得到電感電流的參考值I*L，將其與電感電流實(shí)際值IL比較后送入電流PI調(diào)節(jié)器得到調(diào)制波，以三角波作為載波，經(jīng)過PWM 調(diào)制得到Boost 電路的控制信號[10]。

圖8 恒壓控制策略模型

3.2 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證光伏恒壓控制策略的有效性，在Matlab/Simulink環(huán)境下進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果如圖9 所示，保持環(huán)境溫度－20 ℃不變，在0.01 s 時(shí)，光照強(qiáng)度由500 W/m2升到1 000 W/m2，此時(shí)光伏輸出冗余，系統(tǒng)由最大功率跟蹤模式轉(zhuǎn)變?yōu)楹銐耗Ｊ?，此時(shí)光伏輸出電流Ipv減小，光伏輸出電壓Upv增大，根據(jù)光伏輸出特性曲線可知，其位于最大功率點(diǎn)右側(cè)，光伏輸出功率減小，并且直流母線電壓經(jīng)過0.001 s后穩(wěn)定于33 V 左右，驗(yàn)證了恒壓控制策略的有效性。其中電壓PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)為P1=0.2，I1=0.01；電流PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)為P2=8，I2=20。

4 結(jié)論

本文結(jié)合極地低溫環(huán)境，提出了一種用于北極野外監(jiān)測裝置風(fēng)光海流供電系統(tǒng)中光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制策略。采用改進(jìn)的自適應(yīng)擾動觀察法實(shí)現(xiàn)了最大功率跟蹤控制，其跟蹤速度快，穩(wěn)態(tài)精度高，大幅提高了光能的利用率；采用電壓電流PI 調(diào)節(jié)控制實(shí)現(xiàn)了恒壓控制策略，有效避免了蓄電池頻繁充放電，保證了直流母線電壓的恒定。通過仿真驗(yàn)證了該控制策略的有效性和可行性。

圖9 恒壓控制仿真波形圖