小型风光互补控制策略研究

谢明月

（盐城工学院电气工程系 ，江苏 盐城224000）

大力发展风力发电和太阳能发电是实现能源、环境和社会可持续发展的有效途径之一。安装小型风光互补发电系统可以在高效使用能源、减少碳排量的同时，更大程度上实现能源独立。目前，风光互补供电系统的应用多作为独立的供电系统［1，2］。

1 风光互补主电路

小型风光互补系统的主电路中包含太阳能电池阵列和风力发电机储能电路，通过DC－DC充电控制单元，给蓄电池充电。如图1所示，风光互补储能电路中D1为屏蔽二极管，接在太阳能电池阵列和蓄电池之间，只有当光伏电池阵列输出电压大于蓄电池两端电压时，D1才能导通，否则D1截止，这样能确保在无光照的情况下蓄电池不会对光伏电池阵列反向充电，起到屏蔽保护作用。D5为防反接二极管，若蓄电池的极性接反，D5导通，使蓄电池通过D5短路，产生很大电流，保险丝F快速烧断，起到蓄电池的防反接保护作用。MOSFET管T5为负载开关，在蓄电池放电时，从保护蓄电池的角度出发，当蓄电池电压小于正常工作电压时，T5截止，断开负载回路，实现蓄电池过放电保护，避免蓄电池深度放电而造成损坏。只有当蓄电池容量重新达到满荷时，T5才重新导通，接通负载回路。MOSFET管T6为蓄电池的充电回路开关，正常状态时T6导通，当蓄电池充电已满，且风光互补发电模块产生的电量能满足WSN节点的供电需求时，断开T6，防止蓄电池过充电。

图1 风光互补主电路图

2 MPPT控制策略

2．1 光伏电池阵列的MPPT控制策略

已经有相当多的文献对光伏电池阵列的最大功率跟踪策略进行深入研究，并提出多种控制方法，其中常用的方法有：电压反馈法、扰动与观察法、电导增量法［3］。光伏电池阵列最大功率跟踪控制的三种方法优缺点如表1所示。

以上的方法中，爬山搜索法是最受关注的［4，5］，其又称为扰动法。本文提出结合电压反馈法和扰动与观察法对光伏电池阵列输出功率进行控制，即电压反馈扰动MPPT控制策略，扰动采用变步长扰动，如图2（a）、（b）所示。

2．2 风力发电机的MPPT控制策略

在低风速区使风力发电机始终运行于最佳叶尖速比，即跟踪最大功率点，每年可多生产电能20%～30%，经济效益十分可观。然而，欲实现最大功率点跟踪，必须采用适当的控制方法，即所谓的MPPT控制策略。目前已经有很多不同的MPPT控制方案，各有优缺点和适用范围［6］。其中，最佳叶尖速比法、功率信号反馈法和爬山搜索法三种方法较为常用［7］。风力发电机最大功率跟踪的三种控制方法的优缺点如表2所示。

表1 三种方法的优缺点（光伏电池阵列）

表2 三种方法的优缺点（风力发电机）

扰动法基本是由软件编程实现，不需要额外的硬件条件。本文研究的风力发电机属于惯性小的小型风力发电机，且采用变步长控制，可以防止最大功率点附近可能引起的振荡，故本文对风力发电机输出的功率采用变步长扰动MPPT控制策略，如图2（b）所示。

图2 MPPT控制策略

2．3 变步长算法

对光伏电池阵列和风力发电机输出功率的MPPT控制都用到变步长扰动法，本文采用统一的变步长算法。

动态的改变占空比的数值，能减小振荡，快速跟踪最大功率输出。变步长扰动MPPT策略是通过扰动BUCK电路占空比D实现的，占空比变化的表达式为：

式中，D（k）、D（k－1）表示第k、k－1时刻的占空比；ΔD为占空比增量，其值是动态改变的。本文利用当前控制周期下的功率与前一控制周期的变化量ΔP来确定占空比增量：

3 蓄电池充电管理

蓄电池充电采用改进的三段式充电方法，首先检测风力发电机的空载输出电压，当电压大于卸载限定电压时，根据其输出电压，调节PWM的占空比来控制MOSFET管T7，卸载多余功率。AD采样检测蓄电池的电压、电流，判断蓄电池的状态，选择进入恒流充电、恒压充电或截止充电。充电管理流程图如图3所示。

图3 蓄电池充电管理程序

4 实验波形及分析

风光互补发电模块给蓄电池充电或给WSN节点供电时，都是通过控制BUCK电路输出合适的电量，对BUCK电路的占空比控制至关重要。PWM波形驱动MOSFET管，本文采用的PWM波的频率选为f＝5 kHz。如图4所示，可以看出MPPT的动态调制过程，PWM波反映系统的扰动过程，占空比先逐渐增大，再逐渐减小，依此类推。MPPT扰动的方向由软件程序决定。

风光互补模块在正常工作模式下，输入驱动电路1和驱动电路2的PWM波形如图5所示。然后通过驱动电路对PWM信号进行放大，控制光伏电池阵列和风力发电机的输出电量。

图4 MPPT控制波形图

图5 正常工作模式下的PWM波形

控制卸载电路的PWM信号，如图6所示。当风速小于过速保护值且无多余功率时，卸载电路不工作；若存在多余功率，调整PWM0占空比，卸载掉多余功率；当风速大于过速保护值，风机停止运行，卸载掉风力发电机回路的功率。

图6 卸载电路工作的PWM波形

5 结束语

风光互补供电系统就是利用风能和太阳能资源的互补性，找到一种比较好的控制系统，尽量使风光互补系统更加稳定高效。本文通过对比几种常见的最大功率点跟踪方法，分别提出了光伏电池阵列采用变步长电压反馈扰动MPPT控制策略，风力发电机采用变步长扰动MPPT控制策略；并给出了实验波形及分析，为实际应用提供了一种有效的方法。

［1］ 马 强．小型风光互补发电独立电源系统的优势及应用［J］．内蒙古农业科技，2007，（S1）：148－150．

［2］ 刘 栋．高原地区风光互补发电系统关键技术研究［D］．北京：北京交通大学，2010．

［3］ 董 宏，张 飘．通信用光伏与风力发电系统［M］．北京：人民邮电出版社，2008．

［4］ 何思洋．离网式风光互补发电系统及控制器的研究［D］．天津：天津大学，2012．

［5］ 程 明，张建忠，王念春．可再生能源发电技术［M］．北京：机械工业出版社，2012．

［6］ 郭成达．风光互补发电能量转换系统研究［D］．大连：大连理工大学，2009．

［7］ 赵争鸣，陈 剑，孙晓瑛．太阳能光伏发电最大功率点跟踪技术［M］．北京：电子工业出版社，2012．