小型风光互补发电系统的协调MPPT策略研究

吴 萍

（三门峡职业技术学院，河南 三门峡472000）

由于全球环境问题的严重性，电力资源相当匮乏，并且随着当前社会的发展，人们对电力能源的需求也在日益提升。不仅如此，工业发电虽然能够弥补当前当地系统中出现的不足，但是从整体而言，对于环境的破坏程度也随之上升。因此当前社会的发展就需要采用更为清洁环保的能源来取代工业发电，在当前情况下，就研制出了风光互补发电设备，这项系统的研发可以有效弥补其能源密度较低、稳定性差以及容易受外界影响等不足，从而完善风光互补发电系统的实用性，为我国电力稳定和环境保护提供了有效保障。对于光伏系统和风力发电系统来说，在系统属性上都属于非线性系统，因此对于这两种系统的工作状况来说，很难用精确的数学模型进行描述，因此采用了MAPPT的方式对这两种系统进行研究。

1.系统整体结构

小型风光互补发电系统是一种能够同时将风能和太阳能进行转换、从而产生出电能的装置。虽然在电力生产中，由于风能与光能在获取阶段都有不稳定因素存在，但是却有着很强的互补性。因此对于风光互补系统来说，可以更好地弥补风能或光能系统独立工作时在能源供应中出现的各种不稳定性。同时，它还能根据负载和具体的资源条件合理、灵活地配置系统的容量[1]。这样一来，既能保证减少发电系统的成本，又能在一定程度上保证供电的可靠性。此外，风光互补系统还可以作为一种离网的分布式供能系统，可以不依赖于电网，完成对蓄电池的独立供电，并且不受地域限制，既节能又环保。

将风力和光伏所产生的电能注入蓄电池中，可以有效消除天气、环境等外界因素对电能供应产生的不良影响，保证电力供需关系能够达到平衡，此外还能在整个发电系统中，起到调节能量平衡负载的作用。电力系统的负载可分为直流电负载和交流电负载两种类型，其中交流电负载的供电需要借助逆变器来实现。

2.系统的功率协调控制策略

2.1 光伏发电系统MPPT控制

当前社会，太阳能与风能已经成为了当前最具潜力的能源，已经得到了世界各国的高度重视，而光伏发电系统也在分布式发电系统中扮演着重要角色。就目前而言，投资费用高、转换效率低、输出电能不稳定等已经成为限制其进一步大规模推广的主要因素。因此为了在光伏转换效率一定的前提下，最大限度地发挥光伏的性能，研究高效的MPPT控制策略以使光伏发电系统输出功率最大化，对于促进光伏发电的进一步发展有着重要的意义。常用的MPPT控制算法主要有恒定电压法、扰动观察法、导纳增量法、模糊控制法以及智能算法。但是这些算法在实现最大功率追踪的过程中各自存在诸多弱点，如实现复杂、精度差、速度慢等，所以研究一种易于实现、精度高、速度快的高效MPPT控制策略势在必行。

2.2 负载功率跟踪控制

在周围温度相对固定的情况下，光照强度的变化可以直接改变风光互补系统对电力的接受能力，通过图1可发现，当光伏电池处于最大功率点时其输出电压在某一恒定电压附近稳定。例如：可以首先设计出一个优化电压，然后再根据输出电压的变化，对电压进行实时跟踪，并在跟踪过程中通过不同情况来不断对电压值进行优化，从而能够保证整个光伏电池当前工作的最大功率。只有当恒定电压法的功率曲线和真实的最大功率曲线在某一光照强度相交时，跟踪到的才是系统真实的最大功率点，其他情况下跟踪到的都不是系统真实的最大功率点。优点：1.控制思路简单；2.可靠性较高；3.容易实现且系统的工作电压比较稳定。缺点：1.精度差；2.输出功率小，跟踪效率低；3.忽略了电池温度对开路电压的影响。因为光伏电池的转换效率会随着温度的升高而有一定下降，光伏电池在使用时温度会升高。以PVL-72为例，由表2-2(c)可以得到，温度每升高1℃，其开路电压随着下降0.35%。

图1 负载功率跟踪控制原理图

2.3 蓄电池充放电控制

在自然条件中，有许多不确定因素的存在，使小型风光互补发电系统也随着这些不确定因素在造成了功率出现无规则波动，从而导致风光互补发电系统中，蓄电池很少有机会能够做到一次性充电完成。蓄电池本身对倍率有着一定要求，这些倍率在通常情况下，一般都会处于0.01～0.2C范围之间，只有这样才能保证蓄电池的放电倍率能够处于0.004～0.05C之间。由于蓄电池长期都处于这样的工作环境下，因此对于蓄电池的充电工作，则可以采取三段式充电方式。

例如：在对蓄电池进行充电的初期，首先要对蓄电池的电荷状态SOC做好检测工作，如果蓄电池中的荷电状态处于98%以上，则表明蓄电池处于满电状态，这时就可以针对蓄电池采取涓流式充电方法，从而补充蓄电池在放电过程中所消耗的额外电力。此外，当工作人员对蓄电池进行检测的过程中，检测结果显示蓄电池的电荷状态不足98%，那么就需要检测人员重新对蓄电池端点电压和电流进行检测，以便确认电压Uc与设定值Uset的大小关系，如果Uc大于Uset，就需要对蓄电池进行恒压充电，从而降低水解反应问题出现，同时还能避免蓄电池充电过多，保证了蓄电池安全。如果说UC小于Uset，那么就说明蓄电池可接受充电的电量较大，这时就需要尽可能地利用风能、光能对蓄电池实行MPPT充电，即实现对蓄电池的快速充电。

对于蓄电池的放电工作，要在放电阈值电压最低的状态下进行，当出现高于电压阈值的时候，蓄电池放电工作要能够满足其负载需求。一旦低于当前电压阈值，就需要立刻将蓄电池电源切断，防止过度放电现象。

3.系统仿真模型建立

在MATLAB/Simulink环境下，建立起小型风光互补发电系统仿真模型。由此看出，光伏阵列和风力机在实际操作中，分别与系统中两个BUCK转换器相连，从而进行功率的协调控制工作以及对蓄电池充放电控制工作，并且将这两种工作方式连接到同一个直流母线上，并且针对当前电力发展需求，对蓄电池自身所形成的充放电工作采用相同转换器实现，从而达到节约成本的作用。此外，风光互补系统中采用控制器的工作方式，能够保证这项系统在运行过程中，能够保持风力发电与光伏发电之间形成互补关系，降低系统在运行过程中出现线路故障的风险。同时这两个系统在工作中相互独立，不会出现互相影响。虽然这样做会造成成本提升，但是安全系数得到了很大提高。

4.仿真结果研究

4.1 分析互补性

通过图2可以了解到，一天之中的光照强度，最强时期是从早上六点到晚上六点，并且在这个时间段中，光伏阵列在日常工作中一直处于追踪最大功率的工作状态，因此对于其他时间段来说，光伏阵列则是处于休息状态。

对于风力机来说，晚上风速相对较快，风力也比较充足，因此在风力机工作的过程中，一直都是处于负载功率跟踪的状态，主要是跟踪负载以及蓄电池能够接受的最大功率之和。而在其余的时间段中，风力机则是抑制出现最大功率的跟踪控制状态。

通过上述分析我们可以准确了解到，在一天的时间段内，风力机和当前光伏阵列所进行的协调工作，是根据当前气象条件以及电力用户对用电的需求所进行的功率控制，这样一来既能满足电力用户的需要，又能保证蓄电池工作安全。

图2 互补性分析

4.2 充放电控制分析

针对当前风光发电系统中蓄电池放电状态可知（图3）。当时间处于0～0.3s之间的时候，光伏板在没有光照的前提下，是不能运行工作的，这时能够进行正常工作的之后风力发电机，但是对于风力机而言，由于具有负载较轻的特性，因此在风光发电系统中，两大发电能源运行过程中，对于负载功率所表现出的需求，使修通数据中SOC不断提升，同时提升的还有蓄电池在工作中所产生的电压，这时就需要针对性地采取MPPT充电方式对蓄电池进行充电。当处于0.3s～0.4s这段时间中，光伏子系统以及风力子系统所发功率大于负载和蓄电池所能接受的最大功率之和，并且还要保证在这个过程中，风力机能够处于负载功率跟踪状态，这时蓄电池电压值将会大于当前预设电压值，让蓄电池能够处于恒定充电的状态。在0.5s～0.7s之间，光伏阵列风力机所发出的功率不能满足当前用户需求的时候，通常情况下蓄电池往往出现放电趋势，因此导致SOC数据也会慢慢减小 [4]。在0.7～1.7s这段时间，光伏阵列就会发挥出真正的作用，将放电功率提升到最大值。相对而言，风力机在当前情况下就会降低自身所发出的有效功率，然而这时所产生的功率，在一般情况下，都会满足当前电力用户对电量的需求，而对于蓄电池来说，也将开始MPPT充电。

图3 充放电控制仿真结果

5.结论

综上所述，小型风光互补发电系统的协调功率控制策略，可以很好地发挥光伏发电和风力发电各自的发电效率，不仅能够满足在日常工作和生活中电力用户的需求，还能确保蓄电池和风力机的安全运行，如此以来，就使得当前系统在任何情况下，都能进行高效稳定的工作，保证电力系统能够安全稳定运行。使风力发电和光伏发电系统的优势得以有效互补和充分发挥，为我国电力稳定和环境保护提供了有力支持。

【参考文献】

[1]徐强,张海燕,秦臻,等.风光互补发电及MPPT控制系统研究[J].电器与能效管理技术,2015,(3):52-56.

[2]葛超铭,李少纲.风光互补发电系统MPPT及其逆变电源控制的研究[J].电工电气,2013,(2):6-9.

[3]王宁,陈磊,冯良韬.风光互补发电系统MPPT及储能控制策略研究[J].现代工业经济和信息化,2016,(13):26-28.

[4]王宁,陈磊,冯良韬.风光互补发电系统MPPT及储能控制策略研究[J].现代工业经济和信息化,2016,(13):26-28.