探究分布式风光互补系统控制与最大功率跟踪策略

左佰周

杭州冠州科技有限公司，浙江杭州 310000

1 光伏发电、风能发电与风光互补技术概述

太阳能光伏发电是通过光伏板接收太阳光辐射，在辐射作用下，光伏板正负两极形成电压差，将直流负载直接连接到光伏两极，此时电流属于负载所消耗功率，其功率低于光伏发电系统的最大输出功率。为提高光伏发电系统最大输出功率，提高输出功率，通常会在光伏板中设计DC/DC 电路，通过DC/DC电路改变等效负载值，从而让光伏发电系统输出最大功率。风电机组是利用风能带动风轮，风轮带动发电机进行发电，其发电电能属于交流电，如其发电系统为并网型，可以应用AC/AC电路进行风轮转速控制并获得与电网一致的电能电压及频率，如其发电系统为离网型，其发电为直流负载，将其交流电转变为直流电后，通过DC/DC 电路进行风轮转速控制，从而实现风能最大功率跟踪。

通过研究发现，风能与太阳能之间存在着良好互补性，如大部分地区夏季太阳能大，风能小，冬季太阳能小，风能大，通过综合应用太阳能与风能，实现再生资源的最大效用，这种形式被称为风光互补系统。

2 光伏输出特性研究

光伏输出特性存在着十分明显的非线性，其输出受多占用因素的影响。如下图为一定照度不同温度下光伏电压电流输出曲线图：

图1 一定照度不同温度下光伏电压电流输出曲线图

从上图中可以看出，在照度保持一定的基础上，其光伏板温度变化，光伏所产生的电流与电压值也会出现变化，其中电流变化幅度较小，在温度增加下电流略微增加，电压变化幅度较大，在温度增加下光伏输出电压逐渐降低。由此可以看出，光伏输出其线非线性较为明显，其最大输出功率曲线则近乎一条直线。

为实现最大功率点快速跟踪，则必须获得实时优化电流值，其电流值的计算则需要获取光伏内部参数值，从本质上来看，其光伏组件内部参数的求解，实际上是获取该光伏组件反向饱和电流与二极管品质因子，两者决定着光伏输出特性及输出效率。通过对二极管品质因素对光伏输出特性影响的研究发现，在一定温度及照度基础上，增加光伏二极管品质因子，其输出功率增加，反向饱和电流增加，光伏输出效率同样会增加，证明了光伏组件反向饱和电流与二极管品质因子对光伏输出特性的影响。

3 光伏最大功率跟踪控制方法及算法

3.1 在理想照度下的光伏最大功率跟踪算法

1）常规最大功率跟踪控制方法

在理想照度前提下，其光伏最大功率跟踪方法主要包括扰动观察法、恒定电压法、增量电导法与模糊逻辑法。其中扰动观察法属于当前最为常用的最大功率跟踪方法，其应用是在输出电压或电流中增加扰动±△，在跟踪过程中，以对比输出功率值的方式判断是否改变输出电压或输出电流，从而实现最大功率跟踪。扰动观察法始终处于动态比较过程中，其计算量较大，跟踪效率较低；恒定电压法属于最为简单的一种最大功率跟踪方式，其方法是通过设置优化电压，在跟踪控制过程中，输出电压不断跟踪优化电压值并实现最大功率跟踪，如下图为恒定电压法输出特性曲线图：

图2 恒定电压法输出特性曲线图

从上图中可以看出，只有当恒定电压为15.2V 时，光伏输出功率点与最大输出功率曲线只存在一点相交，由此可见这种最大功率跟踪控制方法跟踪效率较低，输出效率较低；增量电导法是通过不断判断dP/dV 是否等于0 实现最大效率跟踪，如dP/dV=0，则其跟踪到最大功率点，如dP/dV ≠0，则继续判断。光伏输出处于最大功率点时，其满足如下公式：

这种最大功率跟踪方法实现较为容易，但其测量精度要求较高，计算量较大，输出效率一般；模糊逻辑法属于一种基于数学模型的智能控制方法，通过专家自身经验进行模糊规则与隶属函数设置，以模糊处理方法对隶属度进行反模糊处理并获取输出量，实现最大功率输出控制，这种方法跟踪速度快，但其控制效果受专家经验影响较大，其输出效率较高。

2）快速优化电流的最大功率跟踪算法

快速优化电流的最大功率跟踪算法的实现，是在获取输出电流值的基础上，将其电流值调整到Kx 值为0.87 的近似优化电流，并对光伏照度、温度等进行补偿，其计算及跟踪速度较快，可以实现最高功率点的高效跟踪。

3.2 部分遮蔽光伏状态下最大功率跟踪控制方法

在光伏发电中，其光伏阵列尺寸、光伏构件串并联结构、二极管连接方式、遮蔽状况等均会对光伏全局峰值造成影响，引起光伏阵列最大功率跟踪困难问题。

在部分遮蔽的情况下，其遮蔽光伏组件所具备的通流能力则会降低，如部分遮蔽为串联组件，则被遮蔽组件会阻碍未被遮蔽组件电流输出，并增加其对未被遮蔽组件输出功率的消耗，从而形成热斑效应。

为降低遮蔽对光伏阵列输出功率影响，在光伏组件中均设置有旁路二极管，防止热斑效应发生。应用传统跟踪方法，其部分遮蔽是无法跟踪到光伏全局峰值的，在研究中学者提出了一些遮蔽部分最大功率跟踪，但其实现方法较为复杂，计算量较大，在光伏发电中，提出应用模糊逻辑最大功率跟踪控制方法，实现遮蔽情况下最大功率跟踪。

4 风电机组最大功率跟踪控制技术

风电机组主要依靠风速进行发电，然而风速其本身存在着不确定性、随机性、非线性等特点，进行发电机内部特性监测是难以实现的，且风电机组在运行过程中随着电机发热及运行，其内部特性会出现变化，由此可以看出，在风电发电系统中建立完善的数学模型其困难度较高。

在风电机组最大功率跟踪控制中提出应用模糊控制方法，通过经验制定控制规则，应用计算机实现风电机组最大功率跟踪控制。为提高风电机组输出效率，最终将模糊逻辑与扰动观察相结合，形成组合式最大功率跟踪控制策略，通过仿真研究后证明了模糊逻辑与扰动观察相结合的最大功率跟踪控制策略可以有效提高各种风速状况下风电机组输出效率。

5 分布式风光互补系统控制策略

在实际应用中，分布式风光互补发电系统多设置于风光资源充足，原理电网的区域，并以独立供电电源进行应用，系统多采取无人值守型，其发电系统能量调节、最大功率跟踪、故障警报等均由智能控制构件来实现。分布式风光互补系统其控制策略主要包括能量调度管理、最大功率跟踪策略、数据采集、逆变控制及蓄电池放电策略等。在分布式风光互补系统中，应用模糊逻辑最大功率跟踪策略，在仿真研究后发现其输出效率获得较大改善，证明了该控制策略的有效性。随着研究深入，有学者提出模糊免疫控制策略，模糊免疫控制工作示意图如下：

图3 模糊免疫控制工作示意图

模糊免疫控制策略，具备着模糊与免疫控制优点，其模型动态性能及鲁棒性较好，通过仿真研究，证明了该控制策略可以有效提高发电输出效率，改善发电输出特性。当前分布式风光互补系统控制及最大功率跟踪研究多处于理论阶段，还应通过实际系统验证，充分保障分布式风光互补系统运行效果，改善系统输出特性与输出效率。

6 结论

风能与太阳能作为可再生清洁资源，在环节能源问题与环境问题中发挥着重要现实意义。在风能与太阳能应用研究中，将其能量获取的最大量作为研究的重要内容，通过采取最大功率跟踪方法以提高风电机组与光伏发电系统电能输出效率。

本文概述光伏发电、风能发电与风光互补技术的基础上，对光伏输出特性、光伏最大功率跟踪控制方法及算法、风电机组最大功率跟踪控制技术、分布式风光互补系统控制策略等进行研究。

在理论研究的基础上进行实际验证，以改善分布式风光互补系统输出特性与输出效率，提高发电综合效益。

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