基于双输入Boost电路的风光互补发电系统研究

蒋 伟，李玉秋，吕洪善

(亳州职业技术学院 电子与电气工程系，安徽 亳州236800)

传统的分布式风光互补发电系统中，两种能源形式各需要一个直流斩波电路，控制器协调控制开关管的通断，将波动性和随机性很大的直流输入变为可控的直流输出，并联在公共的直流母线上，供给储能设备或直流负载使用，其存在两方面的缺陷：一方面结构复杂且成本较高；另一方面，变换器中开关管和二极管的电压应力高。为此，构建了一种基于双输入Boost电路的风光互补发电系统，可根据不同地区的资源条件，合理配置系统容量。

1 系统设计

基于双输入Boost电路的分布式风光互补系统包括风力机、整流桥、PV阵列、控制器、双输入 Boost变换器、蓄电池、斩波器、逆变器和负载等，系统结构如图1所示。

图1 双输入Boost电路风光互补发电系统拓扑结构

风力机产生的交流电通过整流桥变换为直流电，作为双输入Boost变换器的一路输入，PV阵列输出为直流电能，作为双输入 Boost变换器的另一路输入。根据系统所处的地区实时自然条件的不同，两种能源单独或同时向系统供电，经过直流斩波后，得到蓄电池所需直流充电电压。蓄电池经过DC/DC斩波器后给直流负载供电，如果是交流负载则利用DC/AC逆变器变换到所需交流电压。控制器采集风力机和PV阵列所产生的电流信号、蓄电池电压信号、负载侧电流信号，经过处理后产生两路PWM脉冲信号，控制双输入Boost变换器中开关管的通断，实现系统的最大功率点跟踪和蓄电池的充放电控制，同时产生另外两路PWM信号控制DC/DC斩波器和DC/AC逆变器中开关管的通断，保证负载的正常供电。

研究的重点放在双输入Boost电路和两种能源的匹配上，即验证该风光互补发电系统根据风力和太阳光强度变化，在3种模式(风力发电机组单独向负载供电；光伏发电系统单独向负载供电；风力发电机组和光伏发电系统联合向负载供电)下运行能否分别实现最大功率跟踪。所以，将按照图2所示构建的双输入Boost电路风光互补发电系统主电路进行系统建模，负载采用蓄电池或直流负载，简化了系统分析的难度。下述中风力机和PV阵列建模的基本参数如表1所示。

图2 双输入Boost电路风光互补发电主电路

表1 风力机和PV的基本参数

2 电路仿真模型

利用Matlab/Simulink软件分别对风力机和PV阵列进行建模，其中，风力机选用定桨距永磁直驱型风力机。最后，建立双输入Boost电路风光互补发电系统的仿真模型，该模型要求实现最大功率跟踪。

2.1 PV模型

光伏阵列的输出特性方程为

式中，Ipv为光伏阵列输出电流；Vpv为光伏阵列输出电流；IL为光生电流；I0为反向饱和电流；q为电子的电荷量；A为二极管因子；K为玻尔兹曼常数；T为光伏电池温度；Rsh为并联电阻；R为串联电阻。

建立PV阵列模型如图3所示。

2.2 风力机模型

由贝兹理论可知，当风速小于额定风速时，风力发电机组空气动力学特性为

式中，PM为风电机组从风中捕捉的能量转化成的机械功率，W；R 为叶片长度，m；ρ为空气密度，kg/m3；CP为风能转换系数；λ为叶尖速比；β为桨距角；vw为风速，m/s。

图3 PV阵列模型

转矩可以表达为

式中，ω为风机轮毂的角速度，rad/s。

式(3)中风力机机械转矩测量需要转矩测量装置，实现起来很困难，所以下述中风力机最大功率跟踪模型通过测量发电机输出电功率来近似代替机械功率用于控制。

对于变桨距型风力发电机，CP(λ，β)特性可近似表示为

根据式(4)风能利用系数与桨距角的关系可知，在相同叶尖速比下，桨距角为0°时的最大风能利用系数最大，约为0.48，对应的最佳叶尖速比约为8.1。在不同的风速下通过控制风轮的转速，使得风力机运行在最佳叶尖速比下，从而使得风力机获得最大的风能利用系数。

建立风力机模型如图4所示。

图4 风力机模型

2.3 系统模型

建立双输入Boost电路风光互补发电系统的仿真模型如图5所示。

图5 双输入Boost电路风光互补发电系统仿真电路

PV阵列模型后面接个可控电流源作为双输入Boost电路的一路输入，发电机采用软件自带的永磁同步发电机模块，风力发电单元作为双输入Boost电路的另一路输入。电感参数的计算是复杂的，而采用仿真却很方便，增加电感量可以减少输出电压的脉动，但是电感大，电感的体积也大，一般既要减少输出电压的脉动又要使电感不太大，设计采取的措施是提高变换频率和采用电容滤波。

3 基于双输入Boost电路MPPT实现原理

在白天或没有风时，光伏阵列的输出功率占绝大部分，光伏阵列MPPT策略运行。采集PV阵列输出端的电压和电流值进行运算，输出PWM波控制双输入Boost电路中开关管S1的通断，当外在环境条件有所变化时，通过调整该PWM波的占空比来调节转换电路的等效电阻，实现对太阳能电池板输出电压的调节，从而使光伏阵列的输出功率达到最大值。构建的光伏阵列MPPT模型如图6所示。

图6 光伏阵列MPPT模型

在晚上或阴雨天时，光伏阵列输出能量很少，风力机提供功率，风力机MPPT跟踪思路如下：①实际风速＜启动风速，风力机不工作，MPPT策略不运行；②启动风速≤实际风速≤额定风速，MPPT策略运行，风力机实行变速运行，在不同的风速下均跟踪 Cpmax曲线，随着风速的增大，转速ω达到极限，此时风力机功率未达到最大值，风力机工作在最佳叶尖速比附近；③额定风速＜实际风速＜安全风速，MPPT策略采用恒功率控制；④实际风速＞安全风速，风力机不工作。

由以上风能最大捕获的几个阶段可知，对系统进行最大功率跟踪只能在系统运行于额定风速以下时进行，对于定桨距风力机来说只有通过调节电功率的方式进行微调。考虑到电路及电力电子器件功率限制及所受应力限制等问题，采取合理的控制手段使风力机运行在最佳功率曲线上实现最大风能捕获将直接影响到系统的性能。构建的风力机MPPT模型如图7所示。

图7 风力机MPPT模型

结合光伏阵列和风力机MPPT控制特点，采用扰动观察法，通过改变占空比D的大小来调节双输入变换电路输入与输出之间的关系，实现阻抗匹配的同时，又达到了最大功率跟踪的目的。系统运行时，控制器输出PWM信号占空比为 D1，输出功率为 P1，跟踪初期给信号加一个扰动ΔD，扰动后的功率为P2，当P2＞P1时，继续按此方向扰动，否则需要改变扰动方向，当ΔD＜Dmin时，停止扰动，此时的工作点近似为当前的最大功率点。

4 结论

仿真时间取0.6 s，在0.3 s时仿真模拟日照强度从800 W/m2到 1000 W/m2、风速从 8 m/s到 10 m/s的变化情况，PV阵列、风力机 MPPT模型中ΔD均取0.001，光伏阵列和风力机所产生的电能单独或者同时供电时，双输入 Boost电路风光互补发电系统输出波形如图8所示。

图8 双输入Boost电路风光互补发电系统仿真波形

1)当PV阵列单独工作时，输出功率从104 W增加到132 W，通过调节双输入Boost电路中第一个开关管PWM波的占空比，使输出电压可以稳定在系统最大功率所对应的点；

2)当风力机单独工作时，发电机的转速从50 rad/s增加到64 rad/s，输出功率从 330 W 增加到520 W，风能利用系数始终维持在0.48附近，说明系统是运行在最佳叶尖速比下的；

3)两种能源单元同时工作时，经过较短时间调整，风光互补发电系统输出功率从430 W增加到650 W。

仿真结果表明，相对于传统的分布式风光互补发电系统，采用双输入Boost电路来实现 MPPT是可行的，简化了传统的多输入变换器的电路结构，提高了电压增益，降低了开关器件电压应力；另一方面，MATLAB仿真结果还验证了光伏阵列和风力机单独或者同时供电时，系统可以稳定工作在系统最大功率所对应的点，脉动小，充分利用了风能和太阳能资源的互补性，提高了系统利用能源的效率。

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