风光柴互补发电系统控制策略的研究

目前风光互补发电系统的mppt控制策略必须根据光伏发电和太阳能发电的不同特性分别进行mppt控制，增加了技术的复杂度，降低了可靠性。但只对其中一种采用mppt控制，又是不完善的。

1 引言

进入90年代以来，随着全球经济的发展和科学技术的进步，能源短缺和日益恶化的生态环境使得人们逐步认识到，人类必须共同采取行动，走可持续发展的道路。各国纷纷开始根据国情，治理和缓解已经恶化的环境，并把可再生、无污染的新能源的开发利用作为可持续发展的重要内容。风力资源和阳光资源在不同季节、天气条件下的分布不同，具有一定的互补性，且风能发电的单位发电成本低于光伏发电，因此风光发电系统能降低系统的总成本。风光柴互补发电技术在这种形势下进入了快速发展的阶段。

中国的风能资源和太阳能资源相当丰富[1]，风能发电和太阳能发电具有方便、清洁、不枯竭、无噪声等优点，适合解决边远缺电地区和大城市用电高峰电力不足的问题，具有巨大的市场潜力和广阔的应用前景。目前风光互补发电系统的mppt控制策略必须根据光伏发电和太阳能发电的不同特性分别进行mppt控制，增加了技术的复杂度，降低了可靠性。但只对其中一种采用mppt控制，又是不完善的。本文从实际出发，针对风光柴互补发电系统提出了一种新的控制策略，系统的输出电流波动很小。

2 风光柴互补发电系统简介

典型的风光柴互补发电系统结构如图1所示，包括风能发电系统、光伏发电系统、柴油机后备发电系统、逆变系统、控制系统、蓄电池六大部分[2]，是集风能、太阳能、柴油发电机及蓄电池等多种能源发电技术及系统智能控制技术为一体的复合可再生能源发电系统。

(1) 风力发电部分是利用风力机将风能转换为机械能，通过风力发电机将机械能转换为电能，再通过控制器对蓄电池充电，经过逆变器对负载供电。

(2) 光伏发电部分利用太阳能电池板的光伏效应将光能转换为电能，然后对蓄电池充电，通过逆变器将直流电转换为交流电对负载进行供电。

(3) 柴油机作为后备辅助发电设备，保证了用电设备工作的连续性，使系统更加稳定、完善。

(4)逆变系统由几台逆变器组成，把蓄电池中的直流电变成标准的220v交流电，保证交流电负载设备的正常使用。同时还具有自动稳压功能，可改善风光柴互补发电系统的供电质量。

(5)控制部分根据日照强度、风力大小及负载的变化，不断对蓄电池组的工作状态进行切换和调节：一方面把调整后的电能直接送往直流或交流负载。另一方面把多余的电能送往蓄电池组存储。发电量不能满足负载需要时，控制器把蓄电池的电能送往负载，保证了整个系统工作的连续性和稳定性。

(6)蓄电池部分由多块蓄电池组成，在系统中同时起到能量调节和平衡负载两大作用[3]。它将风力发电系统和光伏发电系统输出的电能转化为化学能储存起来，以备供电不足时使用。

3 风光柴互补发电系统最大功率跟踪控制原理

3.1 光伏发电系统最大功率跟踪

太阳能电池的输出特性随日照、温度的变化而变化，特性曲线如图2所示。要想在光伏发电时得到最大功率，必须不断改变阻抗的大小，从而得到光伏阵列与负载的最佳匹配，实现大电流、高电压的输出，提高系统的效率。

目前，光伏发电系统最大功率跟踪的方法很多，如恒电压控制法、扰动观测法、导纳增量法、模糊控制法、基于预测数据的最大功率跟踪方法[4，5]等。不同的方法在实际的使用中存在不同的优缺点。在光伏电池温度一定时，光伏电池的输出曲线上最大功率点电压几乎分布在一个固定电压值的两侧，因此，在风光柴互补发电系统的设计中采用cvt，即恒电压控制策略，可以假定阵列的最大功率输出大致对应与某个恒定电压。vmax可以从生产厂家获得，然后将阵列的输出电压钳位于vmax即可，实际上把mppt控制简化为稳压控制，这样大大简化了系统mppt的设计。

采用cvt控制的优点是控制简单且易实现，系统工作电压具有良好的稳定性。

风力发电机的输出功率与风速的三次方成正比，在一定的风速下，存在一个最优转速，使得风力发电机的效率最优，输出电能最大[6]，从而最大限度的利用风能，输出特性如图3所示。

风能发电系统的被控对象是三相桥式整流电路，采用的最大功率跟踪策略是功率扰动控制法[7]，其主导思想是离散迭代控制。风机在某特定风速下的功率特性曲线是凸曲线，因此可以在系统处于稳态时给控制量一个微小扰动，这一扰动将引起输出功率的变化。如果该变化量大于零，在系统趋于稳定的时候加上与前次同符号的扰动量，直到输出功率变化量开始小于零才改变下一次的扰动量符号。如此反复，风机的工作点将沿着功率特性曲线移动到最大值附近，并保持一定的波动[8]。

3.3 风光柴互补发电系统的最大功率跟踪控制策略

该系统的mppt控制策略如图4所示。当风速达到启动风速时，风力发电系统进入发电状态，电压传感器时刻检测风力发电机的线电压u3的大小，把电压数据传入dsp处理器。启动系统之前设定u3的工作电压范围，当风速突然增大导致电压超出设定的上限值u3max时，接通卸载电阻进行能量释放，以免蓄电池过冲并保证其他用电设备的安全。当风速减小导致u3小于下限值u3min时，启动光伏发电系统。

电压传感器时刻检测光伏发电系统的输出电压u2的大小，并把数据传入dsp处理器。通过控制光伏发电系统电路中igbt的通断，控制逆变系统直流端电压u1的大小。一般的，设定u2的电压范围值比u1的略大，这样可以减小igbt的开关次数。

当光伏发电系统和风力发电系统同时不能满足系统要求时，启动蓄电池组对负载供电，直到系统供电回复正常，当蓄电池组端电压u4降到设定的放电电压u4min时，停止放电以保护蓄电池组。之后启动柴油机发电系统。

4 系统仿真

应用matlab仿真软件分别对光伏发电系统在电流、电压双闭环下进行cvt式的mppt策略下的仿真，对风能发电系统进行功率扰动控制方法下的仿真，仿真波形如图5、图6所示。横坐标是时间轴，单位：秒;纵坐标是电流轴，单位：安培。

由图5可以看出，mppt控制策略下，光伏发电系统能够有效的工作在阵列的最大功率点，而且电流波动很小，不会对系统造成电流冲击，说明具有良好的最大功率点跟踪功能。

由图6可以看出，mppt控制策略下，风能发电系统能够有效的工作在最大功率点，并且充电电流波形波动很小，不会对风能发电系统造成电流冲击，在此情况下，卸载回路不启动，系统工作稳定，符合设计要求。

由此可见，光伏发电系统和风能发电系统的电流波动范围很小，因此发电系统的电压可以稳定在一定的范围内，不会造成电流或电压冲击，保障了输出电能的质量。

5 结束语

在一次能源日益匮乏、新能源蓬勃发展的今天，风光柴互补发电系统的优势受到了更多的关注和重视。该风光柴互补发电系统运用计算机控制技术，以dsp为微处理器，采用了最大功率跟踪的控制策略寻找风能发电系统和光伏发电系统的最大功率点，并且把柴油机发电作为后备发电系统，使系统更加稳定、完善。整个系统的输出电流波动范围很小，电压可以稳定在一定的范围内，不会造成电流或电压冲击，保障了输出电能的质量。