分析獨立式風(fēng)光互補發(fā)電系統中最大功率控制策略

中心議題：
* 能量獲取部分的最大功率輸出分析
* 儲能部分的充放電控制策略介紹
* 評述最大功率控制策略的研究方法

引言

電能在遠離電網(wǎng)的偏遠山區可由基于可再生能源的獨立發(fā)電系統提供。風(fēng)能作為一種天然的綠色的可再生能源，近些年越來(lái)越受到人們的重視。但是，由于風(fēng)能具有很大的變化和不定性使得風(fēng)電能很不穩定，所以必須再找一種能源能與之互補，而太陽(yáng)能和風(fēng)能就具有一種很天然的互補性[1]。風(fēng)光互補發(fā)電系統就是一種充分利用太陽(yáng)能和風(fēng)能互補性的無(wú)環(huán)境污染的新型能源發(fā)電系統。

一個(gè)典型的獨立風(fēng)光互補發(fā)電系統如圖1所示，它通常由以下部分組成：風(fēng)力發(fā)電機組，太陽(yáng)能光伏陣列，DC/DC變換器，AC/DC整流器，DC/AC逆變器，
控制器，蓄電池組以及交直流負載。

圖1 獨立式風(fēng)光互補發(fā)電系統

其中，風(fēng)力發(fā)電機組和太陽(yáng)能電池起著(zhù)將風(fēng)能和太陽(yáng)能轉化為電能的作用，這也是整個(gè)系統中最為重要的一個(gè)部分。由于獨立風(fēng)光互補發(fā)電系統無(wú)法從電網(wǎng)獲取電能，是一個(gè)獨立的發(fā)電系統，那么如何從風(fēng)能和太陽(yáng)能中獲取盡可能大的能量且使得由風(fēng)機和光伏電池輸出的功率最大是這一部分的主要任務(wù)。而蓄電池作為整個(gè)系統的儲能元件，起著(zhù)存儲電能以保證連續可靠的為負載提供電能的作用，另外蓄電池的壽命以及利用效率也受充放電方式的影響，所以對蓄電池的充放電策略研究是很有必要的。

本文就風(fēng)力機的最大功率運行和光伏電池的最大功率跟蹤的各種控制策略進(jìn)行了分析，同時(shí)也對蓄電池的充放電策略進(jìn)行了介紹，并比較了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 能量獲取部分的最大功率輸出

1.1 風(fēng)力發(fā)電機組的最大功率運行

任何能量的傳遞都會(huì )產(chǎn)生損失，所以風(fēng)力發(fā)電機也只能吸收部分風(fēng)能。上游風(fēng)的機械功率可由下式給出。

式中，籽為空氣密度，kg/m2；A為風(fēng)輪掃掠面積，m2；V為風(fēng)速，m/s。

那么風(fēng)力發(fā)電機實(shí)際吸收的風(fēng)能為

式中，Cp為風(fēng)能功率系數，用來(lái)衡量風(fēng)能利用的程度，理論最大值為0.59，經(jīng)常表示為風(fēng)輪葉尖速比（Tip Speed Ratio，TSR）的函數[2]。這里TSR=2仔Rn/v，其中R是風(fēng)輪半徑，n是風(fēng)輪葉尖轉速，v是風(fēng)速，它與Cp的函數關(guān)系見(jiàn)圖2。

圖2 與葉尖速比的關(guān)系曲線(xiàn)

式中，姿表示葉尖速比。

如果計入風(fēng)力機將吸收的風(fēng)能轉化為電能的損耗，那么風(fēng)力機發(fā)出的電功率可由下式表示

式中，濁表示風(fēng)力機將風(fēng)能轉化為電能的效率。

由式（2）可以看出在空氣密度，風(fēng)輪掃掠面積和風(fēng)速一定的情況下，風(fēng)力發(fā)電機組發(fā)出的電功率只與Cp成正比，而Cp與TSR又呈一定的函數關(guān)系，所以
理論上調節TSR到一定程度就可以得到最大輸出功率。另外風(fēng)力機的輸出功率與風(fēng)力機的風(fēng)輪轉速也有關(guān)系，如圖3所示。

圖3 風(fēng)力機輸出功率與風(fēng)輪轉速關(guān)系曲線(xiàn)

根據以上輸出功率與TSR以及風(fēng)力機風(fēng)輪轉速的關(guān)系，可以將風(fēng)力機最大功率跟蹤的控制方案分為以下3種。

1）峰值功率點(diǎn)跟蹤控制。前面提出，風(fēng)力機輸出功率與風(fēng)輪轉速的關(guān)系曲線(xiàn)有明確意義的單個(gè)最大值點(diǎn)。峰值點(diǎn)局部位于一個(gè)平坦的區域中，也就是說(shuō)最大功率點(diǎn)的一個(gè)必要條件是：dp/d棕=0。該控制方案具體實(shí)現如下：風(fēng)輪轉速增加或減少一個(gè)小的增量，功率被連續地測量，并且連續地計算吟P/吟棕。如果該比值是正的，則可以通過(guò)提高轉速的方法增加功率；相反，如果比值為負，則可以進(jìn)一步改變轉速以減小發(fā)出功率，使得最終轉速保持在使吟P/吟棕接近于0的水平。此方案不涉及到風(fēng)速的測量，故不存在風(fēng)速測量誤差帶來(lái)的影響，缺點(diǎn)是功率點(diǎn)不能完全穩定在最大功率點(diǎn)，只能在其左右徘徊，但總體說(shuō)來(lái)是一種效果較好的控制方案[2]。

2）采用風(fēng)速信號控制。連續的測量風(fēng)速信號，用它與風(fēng)力發(fā)電機的轉速相比較，組成閉環(huán)控制系統，用來(lái)控制風(fēng)力發(fā)電機的電功率輸出，使風(fēng)力機的轉速正比于風(fēng)速變化，使得TSR保持在最優(yōu)參考值左右。這種控制方式的優(yōu)點(diǎn)在于控制原理簡(jiǎn)單明了，操作比較簡(jiǎn)單。但是其缺點(diǎn)也同樣突出，由于風(fēng)速的隨機性很大，并且受諸多因素的影響，所以風(fēng)速的準確測量難度很大。所以實(shí)時(shí)得到的數值與參考值有較大的誤差就難以避免[3]。

3）采用功率信號控制。根據式（2）可以看出，若取Cp為理論最大值，那么在空氣密度，風(fēng)輪掃掠面積以及Cp一定的情況下，風(fēng)力機所吸收風(fēng)能（也可以視為機械功率）與其轉速的三次方成一定比例，且這一比例理論上是恒定的，那么就可以通過(guò)測量風(fēng)機機械功率與轉速，通過(guò)勵磁調節器來(lái)調節發(fā)電機的輸
出就可以實(shí)現風(fēng)力機按最大功率運行。由于實(shí)際要測得風(fēng)力機的機械功率比較困難，所以可由發(fā)電機輸出電功率近似代替。這個(gè)方案由于用發(fā)電機輸出功率代替機械功率，所以不能完全保證風(fēng)力機運行在最大功率狀態(tài)下。

1.2 光伏電池的最大功率跟蹤

在日照強度和溫度一定的情況下，太陽(yáng)能光伏電池的特性曲線(xiàn)如圖4所示，其中實(shí)線(xiàn)是輸出I-V曲線(xiàn)、虛線(xiàn)是P-V曲線(xiàn)。

圖4 光伏電池的I-V和P-V特性曲線(xiàn)

從圖4可以看出，光伏電池的輸出功率存在著(zhù)一個(gè)最大值，它所對應的電壓和電流分別為Vm和Im。但是，隨著(zhù)溫度和日照強度的變化，P-V曲線(xiàn)將發(fā)生變
化，圖5是不同光照強度下的光伏電池特性曲線(xiàn)。

圖5 不同光照強度下的光伏電池P-V特性曲線(xiàn)

所以，光伏電池的最大功率跟蹤也就是實(shí)時(shí)調整光伏電池的工作點(diǎn)，使之始終工作在最大功率點(diǎn)附近，這樣才能保證光伏電池輸出的電功率最大。最大功率點(diǎn)跟蹤控制的原理就是實(shí)時(shí)檢測光伏陣列的輸出功率，采用一定的控制算法預測當前工況下陣列可能的最大功率輸出，通過(guò)改變當前的阻抗情況來(lái)滿(mǎn)足最大功率輸出的要求[4]。常見(jiàn)的最大功率跟蹤方法有以下10種。

1）實(shí)際測量法。實(shí)際測量法[5]是在系統之外另設置一塊太陽(yáng)能電池作為整個(gè)系統的參考模型，并每隔一段時(shí)間即偵測電池的開(kāi)路電壓和短路電流，來(lái)求出相同大氣狀況下整個(gè)系統最大功率點(diǎn)的電壓和電流。再配合適當控制能使此系統以此電壓或電流運行來(lái)達到最大功率輸出。此法能比較有效的避免因太陽(yáng)能電池老化等造成的準確度誤差的問(wèn)題，但是另一方面也增加了成本，折中考慮比較適用于需較大功率輸出的系統。

2）擾動(dòng)觀(guān)察法。擾動(dòng)觀(guān)察法[5-6]是目前實(shí)現最大功率跟蹤常用的方法之一。其原理是每隔一段時(shí)間增加或者減少光伏電池的電壓，觀(guān)測增加或減少后輸出功率的變化情況，如果增加電壓后功率也增加則繼續增加電壓，若減小電壓后功率增加，則繼續減小電壓。這種方法控制比較簡(jiǎn)單，但是只適合于那些光照強度變化很緩慢的場(chǎng)合，當外部環(huán)境變化較快時(shí)，此法則會(huì )損失較大功率，很可能發(fā)生誤判，且最大功率點(diǎn)有小范圍的振蕩[7]。針對此，很多文獻提出了改進(jìn)的擾動(dòng)觀(guān)察法，文獻[8]提出了采用模糊控制等方法來(lái)優(yōu)化擾動(dòng)步長(cháng)，文獻[9]采用了3點(diǎn)加權比較來(lái)避免外部環(huán)境發(fā)生突變發(fā)生的誤判。還有一種基于占空比的擾動(dòng)觀(guān)察：光伏陣列和負載間一般采用PWM變換器進(jìn)行能量流動(dòng)與轉換，在此種結構中采用占空比為控制變量[10-11]。

3）電導增量法。電導增量法也是最大功率跟蹤的常用方法。由P-V曲線(xiàn)圖可以看出，陣列在最大功率點(diǎn)處功率對電壓的斜率近似為0，也即dp/dv=0,而P=IV，那么dp/dV=I+VdI/dV=0，也即dI/dV。也就是說(shuō)要使輸出功率最大，必須使陣列的電導變化率等于負的電導值[12]。此法控制精確，響應速度較快，適用于大氣條件變化較快的場(chǎng)合。

4）直線(xiàn)近似法。隨著(zhù)日照變化，太陽(yáng)能電池的最大輸出功率會(huì )有近似線(xiàn)性關(guān)系，直線(xiàn)近似法就是近似直線(xiàn)的關(guān)系來(lái)達到最大功率跟蹤。此法需配合正確的太陽(yáng)能電池參數，近似誤差才能控制在比較小的范圍內，但參數會(huì )因電池的老化而改變，造成功率損失。

5）智能控制法。智能控制法，用得最多的是模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )控制。前者是以功率對電壓或電流的變化及其變化率來(lái)作為模糊輸入量，并通過(guò)模糊化處理以及專(zhuān)家經(jīng)驗進(jìn)行模糊判別給出調節輸出的隸屬度，最后根據隸屬度值進(jìn)行反模糊化處理得到控制調節量以實(shí)現最大功率輸出；后者通過(guò)測量陣列當前的開(kāi)路電壓、環(huán)境溫度以及實(shí)時(shí)時(shí)間，利用已學(xué)習好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )給出主陣列最優(yōu)的輸出電壓。由于風(fēng)光系統是一個(gè)非線(xiàn)性系統，且難用精確的數學(xué)模型來(lái)描述，對于這類(lèi)系統模糊邏輯控制可以達到比較理想的效果[13]。

6）最優(yōu)梯度法。最優(yōu)梯度法[14]是以陣列的I-V特性關(guān)系函數為基礎，選取目標函數的負梯度方向（對于光伏系統可能需要選擇正梯度方向）作為每步迭代的跟蹤方向，逐步逼近函數的最小值或者最大值。此法運算簡(jiǎn)單，效果比較理想。

7）間歇掃描法。間歇掃描法[15]其原理是定時(shí)的讓系統在一段電壓范圍內工作，記錄下各工作點(diǎn)的功率，比較找到最大功率點(diǎn)，然后讓系統工作在最大功率點(diǎn)上。它與前兩種方法不同，不需要不停地搜索，只要定時(shí)進(jìn)行一次掃描即可，但是它不能及時(shí)同步跟蹤陣列輸出。

8）電壓回授法。電壓回授法[15]，也即恒壓控制法。此法事先測得在某光照和溫度條件下光伏陣列在最大功率點(diǎn)的電壓大小，再調整光伏陣列的端電壓使其與實(shí)測電壓值相符來(lái)達到最大功率點(diǎn)跟蹤的目的。此法缺點(diǎn)是當光伏陣列的功率輸出隨著(zhù)溫度變化的情況下，光伏陣列的輸出功率將會(huì )偏離最大功率輸出點(diǎn)，產(chǎn)生較大功率損失，所以對周?chē)鷾囟鹊淖兓袊栏褚蟆?/p>

9）功率回授法。功率回授法[15]是在電壓回授法的基礎上加入了輸出功率對電壓變化率的判斷，也就是改變輸出功率判斷此時(shí)是否dp/d棕=0，當dp/d棕=
0即是為工作在最大功率點(diǎn)。相比電壓回授法此法較為復雜，但效果也提高很多。

10）滯環(huán)比較法。此法在擾動(dòng)觀(guān)察法基礎上增加一個(gè)反向擾動(dòng)比較點(diǎn)[15]。其主要思想就是比較三個(gè)點(diǎn)的功率，如果功率變化方向一致（即正擾動(dòng)使功率增加，負擾動(dòng)使功率減少，或者正擾動(dòng)使功率減少，負擾動(dòng)使功率增加）則調整擾動(dòng)，否則不進(jìn)行。此法可在日照量快速變化時(shí)并不立即跟隨并快速移動(dòng)
工作點(diǎn)（可以避免干擾或誤判錯誤），而是在日照量較穩定時(shí)再跟蹤到最大功率點(diǎn)，所以可減少擾動(dòng)帶來(lái)的能量損失[16]。

2 儲能部分的充放電控制策略

2.1 風(fēng)光系統蓄電池的運行方式

風(fēng)光系統中儲能元件一般都采用蓄電池，蓄電池在風(fēng)光系統中起著(zhù)能量的存儲作用，是不間斷為負載提供電能的關(guān)鍵元件。蓄電池主要有3種運行方式：循環(huán)充放電制、定期浮充制和連續浮充制。其中連續浮充制是將蓄電池組并接在負載回路上，蓄電池保持少量的充電電流，并對波動(dòng)的負載電流起補償作用，正常情況下總有光伏電池直流電壓加在蓄電池兩端柱上，只要蓄電池電壓低于直流電源，電源就對蓄電池充電，當直流電源不夠時(shí)，才啟用蓄電池對負載供電[4]。從中可以看出這種運行方式比較適合于風(fēng)光互補發(fā)電系統，所以一般情況風(fēng)光系統的蓄電池都采用連續浮充制。連續浮充制的蓄電池充電過(guò)程分為3個(gè)階段：（1 ）快速充電，沉積已釋放容量的80%~90%；（2 ）漸弱充電，充電速率逐漸降低，充完剩余的能量；（3 ）涓流充電，在蓄電池充滿(mǎn)電后用
于抵消其自放電速率[2]。整個(gè)充電過(guò)程蓄電池的端電壓和電流情況如圖6所示。

圖6 蓄電池充電過(guò)程中電壓和電流變化情況

2.2 風(fēng)光系統蓄電池的充放電策略

蓄電池的充電主要有以下幾種策略[4-5]。

1）恒流充電：一直以恒定不變的電流進(jìn)行充電。存在的缺點(diǎn)是開(kāi)始充電階段恒流值比可充值小，在充電后期恒流值又比可充值大；整個(gè)充電時(shí)間長(cháng)，析出氣體多，對極板沖擊大，能耗高，充電效率低。

2）恒壓充電：即對每只單體蓄電池以某一恒定電壓進(jìn)行充電。此方法簡(jiǎn)單易行，充電效率也可達80%。缺點(diǎn)主要是充電初期如果蓄電池放電深度過(guò)深，充電電流會(huì )很大，危及充電器安全；另一方面如果充電電壓選擇過(guò)低，則到了充電后期電流過(guò)小，充電時(shí)間會(huì )比較長(cháng)。因其控制簡(jiǎn)單，效果良好，因此是
目前大多產(chǎn)品采用得較多的一種充電策略。

3）恒壓限流充電：在充放電器與蓄電池之間串聯(lián)一個(gè)電阻，可自動(dòng)調整充電電流，使之不超過(guò)某個(gè)限度，充電初期的電流得到控制。該方法的缺點(diǎn)是串聯(lián)電阻消耗部分電能。

4）快速充電：一般是使電流以脈沖方式輸給蓄電池，并隨著(zhù)充電時(shí)間的延續，蓄電池有一個(gè)瞬時(shí)間的大電流放電，使其電極去極化。此法適合于那種需要蓄電池迅速充放電的場(chǎng)合。

5）兩、三階段充電：兩階段充電方式也即在充電初期采用恒流充電方式，蓄電池充電達到一定容量后，然后采用恒壓方式充電。而三階段充電，可以由圖6加以分析得到。在第一階段，由圖6可以看出蓄電池電流幾乎不變，而電壓有比較大的提高，所以這個(gè)階段可以檢測蓄電池端電壓，當電壓增大速率減小時(shí)則說(shuō)明充電進(jìn)入了第二階段。第二階段，電壓變化幅度很小，而電流下降很快，所以可以通過(guò)測量電流大小來(lái)判斷第二階段結束與否。當電流下降速率很慢的時(shí)候則可以認為充電進(jìn)入了第三階段。由此可以看出，三階段充電法最符合蓄電池充電過(guò)程狀態(tài)，所以效果也最好，但是控制比較繁瑣，困難。

6）智能充電：是利用先進(jìn)技術(shù)按照蓄電池可以接受的電流來(lái)實(shí)現的智能充電控制方法。目前越來(lái)越多的控制領(lǐng)域都采用了智能控制技術(shù)，表現出了一定的優(yōu)越性，這種智能控制方法在今后的蓄電池充電控制策略中也應該占據主導地位。

7）均衡充電：主要是為蓄電池組中某些蓄電池由于電池特性或環(huán)境原因造成充電不均勻，而以小電流進(jìn)行的過(guò)充方式。對蓄電池的充電控制策略是研究的熱點(diǎn)，在蓄電池放電控制策略這方面研究的較少，文獻[17]提出了一種較為復雜的方案，采用多個(gè)蓄電池的組合作為儲能元件，并通過(guò)監測蓄電池的荷電狀態(tài)來(lái)控制各蓄電池的放電，當所有蓄電池的荷電值都小于某一個(gè)荷電值的時(shí)候就均衡使用所有蓄電池，當有部分蓄電池荷電值大于或等于該荷電值時(shí)就選擇荷電值較小的這部分電池優(yōu)先放電，直到達到規定的放電深度停止放電，再讓其他的蓄電池進(jìn)行放電。文獻[18]采用了一種簡(jiǎn)單的放電策略：當蓄電池放電
時(shí)，同時(shí)打開(kāi)充電通路對蓄電池充電，當蓄電池電壓降到預定的放電電壓（放電深度）時(shí)，停止放電。這種方法簡(jiǎn)單明了，雖然效果達不到最優(yōu)，但不失為一種實(shí)用的方法；文獻[17]的方法較文獻[18]提出的方法能比較大的提高蓄電池在放電結束后進(jìn)行充電的效率，但就對一些小型系統來(lái)說(shuō)還是文獻[18]的方法
比較經(jīng)濟實(shí)用。另外，由于隨著(zhù)溫度的變化，蓄電池的電壓電流特性會(huì )有所變化，所以在采用以上控制策略的同時(shí)也要考慮實(shí)時(shí)進(jìn)行溫度補償。

3 總結與展望

本文就獨立風(fēng)光互補發(fā)電系統的能量獲取部分和能量存儲部分，即風(fēng)力機和光伏電池的最大功率輸出控制策略和蓄電池充放電控制策略做了介紹，分析了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。風(fēng)力機部分的控制策略有很多，本文中的風(fēng)力機的最大功率運行的控制策略是建立在輸出功率與TSR和風(fēng)機風(fēng)輪轉速的關(guān)系的基礎上來(lái)進(jìn)行總結的，分別是基于最優(yōu)葉尖速比的方法和爬山法，基于最優(yōu)葉尖速比的控制策略在理論上控制簡(jiǎn)單，效果良好，但在實(shí)際應用中由于風(fēng)能的不定性會(huì )帶來(lái)不少能量的損失。而爬山法，由于不需要測風(fēng)速，所以距最優(yōu)誤差較小。

光伏電池的最大功率跟蹤論述了10種常見(jiàn)方法，重點(diǎn)介紹了擾動(dòng)觀(guān)察法，這個(gè)方法已經(jīng)有很多文獻提出了改進(jìn)的方法，目前已經(jīng)比較成熟。這10種方法實(shí)現的最大功率跟蹤的基本原理都是類(lèi)似的，但是具體實(shí)現的難易度及效果有所不同，在實(shí)際使用中也有各自的優(yōu)勢和劣勢，所以，如何將各種控制策略的長(cháng)處結合起來(lái)，盡可能彌補短處，更好的滿(mǎn)足實(shí)際應用的要求是將來(lái)最大功率跟蹤控制策略發(fā)展的方向。

在蓄電池充放電方面介紹了常用的充電策略，著(zhù)重分析了三階段充電法，這種方法完全是根據蓄電池充電過(guò)程電流電壓曲線(xiàn)提出的，效果也最好，但是由于控制比較復雜，比較適用于較大系統且對蓄電池充放電要求較高的場(chǎng)合。蓄電池的放電介紹了2種典型的方法，一種是將蓄電池分組，將蓄電池分組投入使用；另一種就是設置一個(gè)電壓閥值，一次性切除蓄電池。這2種方法原理基本相同，都是設置保護閥值來(lái)控制蓄電池放電，但將蓄電池分組的方法在蓄電池放電結束后進(jìn)行充電時(shí)更高效。