风光互补发电系统最大功率跟踪实现电路的研究

2014-10-15严春平倪志莲

九江职业技术学院学报 2014年2期

严春平，倪志莲

(九江职业技术学院，江西九江 332007)

1 引言

太阳能和风能是最普遍的自然资源，也是取之不尽的可再生能源，而且两者在时间变化分布上有很强的互补性。太阳能和风能在时间上的互补性使得风光互补发电系统在资源分布上具有很好的匹配性。

风光互补发电系统在资源上弥补了风电和光电独立系统在资源上的各自缺陷，在技术应用中可以通过储能环节使独立的风电、光电系统得到合理化整合。风光互补发电系统可以根据用户的用电负荷情况和资源条件进行系统容量的合理配置，既可保证发电系统的供电可靠性，又可降低发电系统的造价。无论是怎样的环境和怎样的用电要求，风光互补发电系统都可做出最优化的系统设计方案来满足用户的要求。

2 风光互补发电系统的构成

风光互补发电系统主要由风力发电机、太阳能电池板、DC/DC变换器、整流器、蓄电池、逆变器、控制器及交直流负载组成，如图1所示。其运行原理如下:风力发电机将风能转换成机械能，驱动发电机发出与风速成一定关系的交流电，经整流变成直流电，并经DC/DC变换器实现最大功率跟踪;太阳能电池板将太阳能通过光生伏打效应转换成直流电，通过DC/DC变换器实现最大功率跟踪。二者皆通过控制器控制接入直流母线上，蓄电池也连接在直流母线上，当风力发电机和太阳能电池板输出的电能除供给负载还有剩余时，蓄电池将这些电能储存;当风力发电机和太阳能电池板输出电能不足以满足负载要求时，则由蓄电池向其供电。

图1 风光互补发电系统的结构示意图

3 最大功率跟踪 (MPPT)

由风力发电特性及太阳能电池特性可知，风力发电机和太阳能电池都是当周围环境变化时，其输出的功率在某一特定时刻有一个最大功率。因此，为了提高风力发电机和太阳能电池的转换效率，它们均应该具有最大功率点跟踪功能。

3.1 太阳能发电MPPT原理

最大功率点跟踪控制就是实时检测太阳能电池的输出功率，采用一定的控制算法预测当前工况下太阳能电池可能的最大功率输出，通过改变当前的阻抗情况来满足最大功率输出的要求。MPPT的工作原理如图2所示。

假定图中曲线1和曲线2为两不同光照强度下太阳能电池的输出特性曲线，A点和B点分别为相应的最大功率点，并假定某一时刻系统运行在A点。当光照强度发生变化，即光伏阵列的输出特性由曲线1上升为曲线2。此时如果保持负载1不变，系统将运行在A'点，这样就偏离了相应的光照强度下的最大功率点。为了继续跟踪最大功率点，应当将系统的负载特性由负载1变化至负载2，以保证系统运行在新的最大功率点B。同样，如果光照强度变化使得太阳能电池的输出特性由曲线2减至曲线1，则相应的工作点由B点变化到B'点，应当相应的调整负载2至负载1，以保证系统在光照强度减小的情况下仍然运行在最大功率点A。

图2 MPPT原理示意图

3.2 风力发电MPPT原理

图3给出了风力机在不同风速下 (v2＞v1)轴上输出的功率pm与转速ω的关系。可以看出，风速一定时，转速不同会使风力机输出功率不同。当风力机运行于一个最佳转速时，会达到最佳叶尖速比，从而捕捉最大风能，输出最大功率。

图3 不同风速下风力机的pm－ω关系曲线

最大风能的捕获过程如下:假设原风速运行在V1下，风力机稳定运行在最佳功率捕获曲线的A点上;此时风力机输出力矩、功率和发电机输入电磁力矩、功率相平衡。当风速升高至V2时，风力机将由A点跳至B点运行，其输出转矩、功率突然增加;由于惯性的作用，发电机仍运行在A点对应的转速和功率状态。这时发电机的输入功率和转矩大于其电磁功率和转矩，转速上升。当达到风力机功率曲线和最佳功率曲线相交的C点时，功率再一次达到新的平衡，转速稳定。

4 MPPT的电路实现

由电路理论可得:在线性电路中，当外部负载等效阻抗与电源内阻抗成共扼时，外部负载可以获得最大输出功率。MPPT的实现电路实质上就是一个阻抗变换器。DC/DC直流变换电路正可通过改变开关器件的占空比来实现阻抗变化。把风力或太阳能发出直流端等效看成直流电源，DC/DC变换电路看成外部阻性负载，调节DC/DC变换电路的等效阻抗，使之在不同的外部环境下始终跟随风力发电机或太阳能电池的内阻变化，两者动态负载匹配就可以在DC/DC变换器的输出直流侧获得最大输出功率，实现风力发电或太阳能电池的MPPT。

具体选择升压式变换器还是降压式变换器可根据具体设备容量来选取，一般风力发电机输出直流电随风速变化较大，应选择升压式直流变换器。而太阳能电池板最大功率跟踪可根据蓄电池端的直流电压选择升压还是降压变换器。

针对风光互补发电系统的特点，将降压式和升压式变换器相结合，可得到如图4所示的一种双输入DC/DC变换器。