对具有最大功率点跟踪控制的混合发电系统的研究

对具有最大功率点跟踪控制的混合发电系统的研究

【摘要】本文研究了一个包括太阳能光伏发电和风力发电的混合发电发电系统，这种混合发电系统在传统能源不能覆盖到的地方可以作为一个小规模的可控选择的电源。本文还使用了一种改进型的电导增量法来追踪太阳能光伏发电系统的最大功率点，这个混合系统由于它的简单、容易控制和低成本而具有吸引力。文章中对这个混合系统和详细的仿真结果具有完整的描述，仿真结果表明了本系统的可行性。

【关键词】混合能源系统；太阳能光伏系统；风力发电系统；最大功率点跟踪

1、引言

风能和太阳能是环境友好型的能源，它们是世界上增长速度最快的能源。最近几年，使用包括太阳能光伏发电和风力发电等新能源越来越具有吸引力。发展中国家的偏远山区或者是远离主要传输线的农村，小规模单机发电系统是一种很好的选择。

使用混合发电系统确保了负荷需求的稳定性，通过把风力发电和太阳能发电与能量存储技术结合起来可以获得更高的发电容量并且可以克服发电输出的波动。为了得到一个恒定的功率输出，必须具有一个有效的能量存储系统。风力发电和太阳能光伏发电所发出的电能可以通过蓄电池或电容器能量存储系统来储存。

在本文中，一个包括不同风速和不同太阳光照的混合发电系统给一个单独负荷提供持续的电能。风力系统和太阳能系统作为主要的能源，燃料电池作为后备能源。同时，使用了一种基于改进型的电导增量法来实现太阳能光伏发电系统的最大功率点跟踪。

2、混合发电系统的结构

图1所示的混合发电系统包含风力发电系统和太阳能光伏发电系统，它们分别通过各自的直流变换器并联连接到公共直流母线，再经过逆变器给负荷提供电能。

2.1风力发电系统

2.1.1理想风力机的功率输出

任意控制体内空气能量方程如下所述：

2.1.2实际风力机的功率输出

通常用功率系数Cp来表示实际风力机从风中所吸取功率的比例。因此，实际风力机的功率输出可用下式来表示：

功率系数CP并不是常数，其值随来流风速、风轮转速、叶片参数（如攻角、浆距角）变化。通常可以将功率系数CP表示成叶尖速比λ和浆距角β的函数。其中叶尖速比λ的表达式如下：

式（4）

式中，WR为风力机转动的角速度，单位为rad/s；VW代表来流风速，单位为m/s。可以通过转速来计算角速度WR[1]-[3]。

当叶尖速比λ在理想值下，功率系数Cp具有它的最大值，此时风力发电机输出功率最大。在实际设计实例中，对高速风力机而言，功率系数Cp的最大取值范围在0.4—0.5之间。对低速风力机而言，功率系数Cp的最大取值范围在0.2—0.4之间。功率系数Cp超过0.4就被认为是比较好的风力机[4]。本文所采用的是Windseeker 503/24v风力机，其典型的功率系数Cp和叶尖速比λ的关系曲线如图2所示。

从图2可以看出，当叶尖速比λ为9的时候，功率系数Cp具有最大值，此时风力机捕获的功率最大。

2.1.3永磁同步发电机

本文使用了一个小型的永磁同步发电机来研究控制直流电压对最大功率捕获的影响，这个模型把风力机直流电压和转子转速联系起来，但是它忽略了磁饱和对铁心的影响。d轴和q轴同步电抗是相同的。发电机电枢电流与转矩和感应电压的关系为：

通过控制发电机的终端电压就可以控制其转子转速。发电机的终端电压可以用下式表示：

假定发电机和二极管整流器直接相连，且电枢电流的基波分量和相电压是同相位的，即上式中的φ为0。于是上式就可以简化为：

根据参考文献[5]，对于三相全桥二极管整流电路，考虑到换相重叠的影响时，其整流侧直流电压可以用下式表示：

从而，依据上面的推导，风速的增加会使叶尖速比λ和功率系数 Cp变小，但风力机转化为发电机的转矩会增加。于是风力机就会加速，从而输出的直流电压就会增加，所以，电枢电流就会减少使得制动转矩减小。这一直将持续到转矩平衡为止[6]。

2.2太阳能光伏发电系统

2.2.1光伏电池的数学模型

光伏电池是利用半导体材料的光伏效应制作而成的。所谓光伏效应是指半导体材料吸收光能，由光子激发出电子-空穴对，经过分离而产生电动势的现象。光伏电池的I-U特性随日照强度S和电池温度t而变化，即。根据电子学理论，当负载为纯电阻时，光伏电池的实际等效电路如图3所示：

其中---二极管结电流（A），Isc—光伏电流（A）， I0—反向饱和电流（对于光伏单元而言，其数量级为10-4A），q—电子负荷（），K—波尔兹曼常数（），T—绝对温度（）， n—二极管品质因子（当T=330K时，约为 ），RS—串连电阻（为低阻值，小于1），Rsh—并联电阻（为高阻值，数量级为K）[7]。

2.2.2光伏发电最大功率跟踪

当光伏阵列输出电压比较小时，随着电压的变化，输出电流变化很小，光伏阵列类似为一个恒流源；当电压超过一定的临界值继续上升时，电流急剧下降，此时的光伏阵列类似为一个恒压源。光伏阵列的输出功率则随着输出电压的升高有一个输出功率最大点。最大功率的作用是在温度和辐射强度都变化的环境里，通过调节光伏阵列的工作点，使光伏阵列工作在输出功率最大点。

目前，常用的最大功率跟踪方法有恒定电压跟踪法、扰动观察法和电导增量法。其中，电导增量法的跟踪准确性最高，在环境快速变化的情况下具有良好的跟踪性能，因此被广泛采用。电导增量法是通过比较光伏阵列的瞬时导抗与导抗变化量的方法来完成最大功率点的跟踪。

达到最大功率点的条件，即当输出电导的变化量等于输出电导的负值时，光伏电池阵列工作于最大功率点。在辐射强度和温度变化时，光伏电池阵列的输出电压能平稳追随环境的变化，且输出电压波动小。电导增量法通过设定一些很小的变化闭值，使光伏电池阵列稳定在最大功率点的邻域内，而不是围绕着最大功率点前后波动。当外界环境发生变化时，从一个稳态过渡到另外一个稳态时，电导增量法根据电流的变化就能够做出正确的判断，而不会像扰动观察法那样出现误判断[8]。