分布式风光互补发电系统概述

丁 陆，邓秋玲，陈 可，谢吉堂

(湖南工程学院 电气信息学院，湘潭 411101)



分布式风光互补发电系统概述

丁 陆，邓秋玲，陈 可，谢吉堂

(湖南工程学院 电气信息学院，湘潭 411101)

风力发电和太阳能发电是目前两种主要的新能源发电技术.由于风能和太阳能是随机变化的，因此单独的风力发电或太阳能发电具有输出不稳定、效率不理想等一系列缺陷.风光互补发电技术综合考虑了风力发电和太阳能发电的特性，并充分发挥了风能和太阳能所具有的天然的互补性，与单独的风力发电和太阳能发电相比有许多优点，是将来微网建设和研究的重点方向.本文主要对风光互补发电的基本结构进行概括，分析了一些基本控制方法.

风力发电；太阳能发电；风光互补发电；微网

随着社会的快速发展，严峻的能源问题越来越受到人民的重视，传统化石能源的使用不但对环境构成危害，而且也会随着时间的推移被人类使用殆尽，因此，可再生新能源的利用也日益引起人们的关注.目前，风能和太阳能是两种比较常用的新能源，这两种能源从利用角度上来说具有互补作用以及良好的匹配性[1].同时，风电和太阳能发电的配合使用可以弥补独立的风电和太阳能发电的某些缺陷，可通过利用储能系统使独立的风电和太阳能发电得到整合.风光混合发电系统可根据负荷和资源条件的不同进行合理的配置.不仅可以提高发电系统的可靠性，还可以使系统的造价合理[2].本文从风光混合系统基本结构出发，系统地探讨了风光混合发电的一些基本问题.

1 风光互补发电系统结构

风光互补发电系统主要是由电能生产环节、电能的控制环节以及电能的存储和电能利用环节组成.其中电能生产环节主要包括风力发电机组与太阳能光伏电池组，电能的控制环节主要由控制器、直流控制中心和逆变器等组成，电能的存储与利用环节主要有蓄电池以及各类交、直流负载.系统整体结构图如图1所示.

图1 风光互补系统整体结构图

1.1 风力发电

1.2 太阳能发电

太阳能发电技术是指利用太阳能电池中半导体材料的光生伏打效应原理，将太阳能转化为电能的一种装置.硅太阳能电池目前世界上最常用的太阳能电池.硅太阳能电池主要有三类：单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池.这三种电池有各自的优缺点，其中单晶硅电池价格相对要高，多晶硅电池成本与单晶硅相比稍低但转化效率也比单晶硅要差，非晶硅电池价格低光电转换效率也低，所以一般只用于小型的产品中[3].

1.3 蓄电池

电能的存储环节是由蓄电池来完成的，目前最常用的蓄电池是铅酸蓄电池.蓄电池主要包括有三种工作状态：充电状态、放电状态和浮充状态[4].蓄电池的整个工作循环由这三种状态构成.

(1)充电状态.蓄电池的充电方法常用的主要有恒压充电、恒流充电、二段式充电与三段式充电几种.阶段充电法避免了恒压充电和恒流充电这两种单一的充电方式的不足，缓解了充电时冲击过大、充电曲线不平稳等问题.

①二段式充电方式.采用先恒流充电至预定电压值再以恒定电压进行充电，这种充电方法充电过程稳定，稳态误差小，避免了恒流恒压充电的一些缺点，在充电前期不会出现大电流，充电后期不会产生大电压.可通过PID控制算法进行仿真并有很好的效果，使系统更加容易实践应用[5].

②三段式充电.三阶段充电是相对二阶段充电而言的，在完成二价段充电之后，电池已达到额定容量，此时再进行涓流充电以补充蓄电池自放电的电能损失.三段式充电主要有两种方式：大电流充电-恒压充电-浮充、恒流充电-恒压充电-浮充.

此外，除了以上常用的充电方法外，还有其他的一些智能充电控制策略正在被研究.文献[6]中根据单个蓄电池的差异提出了分只充电方法，循环对每只蓄电池进行检测充电.文献[7]把三段式充电的思想与分只均充相结合，分为三个阶段对蓄电池进行充电.文献[8]介绍了一种部分荷电循环法，使蓄电池在正常的充放电条件下不过放也不过充，在一个时间阶段内维持在部分容量的荷电状态下进行充放电使用，再定期的对蓄电池进行完整的充电.

(2)放电状态.目前对放电状态介绍主要是电压控制法和电流控制法.电压控制法是指在放电时保持输出的电压稳定，直到达到电压最低阀值，蓄电池停止放电.文献[9]中采用了回差电压控制法进行放电，即只有在电压达到一定值的时候蓄电池进行放电，当降低到过放保护电压时蓄电池就停止放电.电流控制法是指蓄电池最初以恒定电流进行放电，在放电过程中蓄电池的电压会逐渐降低，当电压降低到一定值的时候，蓄电池就停止放电[10].文献[11]把负载分为几个等级，按照优先级别，当蓄电池放电电压低于各个等级负载时，按时间顺序分别把各个负载切断，优先切断一般负载.所有负载全部断开后，当蓄电池转为充电时再接通负载.

2 风光互补发电最大功率控制

2.1 风力发电最大功率跟踪

风能是随机变化的，风力发电系统输出特性也是变化的，由风力机最大功率曲线可知不同的参数下对应不同的输出功率，总存在一个最大功率点使系统输出能量最大化.根据风速的变化来对风力机转速进行调整从而实现最大功率跟踪控制(MPPT).目前，常用的风力发电系统的最大功率跟踪控制主要是：最佳叶尖速比法、功率信号反馈法和扰动观察法[12].

(1)最佳叶尖速比法.风力机的叶尖速比(λ)是表征风力机性能数值，它是叶片叶尖速度和风速的比值，每个叶尖速比都对应有一个风能利用系数，当Cp在某个值所输出的功率最大时，那么所对就的叶尖速比就是最佳叶尖速比λopt.因此，在风速变化时，通过对风机转速的调节，来控制 使它尽可能的工作在λopt附近，获得最佳风能利用系数，实现风力发电的最大功率跟踪.最佳叶尖速比控制法在控制过程中要同时测出风速和风机转速并要预设好最佳叶尖速比，得出实际叶尖速比再与最佳叶尖速比进行比较.这种控制方法简单，但也增加了系统成本.文献[9]中对风力机的最大功率跟踪就是采用的这种方法，通过对DC/DC占空比的调节来达到最大功率的控制，仿真表明系统具有很好的自调整能力.文献[13]在最佳叶尖速比的基础上，采用自寻优控制策略，仿真结果表明这种策略具有很好的效果.

(2)功率信号反馈法[14].利用功率信号反馈法进行功率跟踪时需要知道最大功率曲线，测出风机的转速，将转速所对应的最佳功率与风机实际输出的功率进行比较，通过控制器进行调整，从而达到最佳功率跟踪的目的.这种控制的原理简单，风机的输出波形比较理想，但需要测出比较精确的最大功率曲线，增加了系统成本，影响了控制精度，因此实用价值不大.

(3)扰动观察法.扰动观察法又叫爬山法，它的工作原理是给对象施加一个扰动，再观察风力机输出功率的变化，如果功率增加了则按原来方向继续扰动，反之则反向扰动，可以直接给转速施加扰动或通过调节DC/DC变换电路占空比加扰动.这种方法由于其结简单、不需要测量其他参数，因而目前有广泛的应用.但在利用这种方法进行功率跟踪时会有振荡存在且受到步长大小的影响，容易产生误判.文献[15]根据风光混合发电中双DC/DC输入的特点，在扰动法的前提下，用自调整MPPT控制方法，通过控制占空比大小的方法来跟踪最大功率点，这种方法有效的提高了扰动法的跟踪速度和稳定性，防止了误判的产生.

2.2 太阳能发电最大功率跟踪

太阳能发电是将太阳能转换成电能的一个过程，它受到温度、光照强度的影响，电流与电压呈非线性关系，输出功率随着外界环境的变化而变化.在一定条件下，总会有一个最佳电压点，使输出功率最大，为了使太阳能电池在相同条件下输出的功率最大化就需要对这个最大功率点进行追踪.常用的三种MPPT控制技术，即恒电压法、电导增量法、扰动观察法[16].

(1)恒电压法.外界环境是不断变化的，通过分析在不同条件下的输出特性曲线，可以看出所有曲线最大功率点位置接近，可以大概知道在某个恒定电压值或者在这个电压值附近时不同条件下的功率最大，再对这个电压值进行控制以达到最大功率输出.恒电压法简单可靠、易实现，而且有不错的稳定性.但是这种方法过于模糊，外界环境随机性大，很难跟踪到实际的最大功率，效率较低.

(3)扰动观察法.与风力发电的扰动观察法原理类似，在太阳能发电中的扰动量一般是电压值，可以直接施加扰动或通过调节DC/DC的占空比来加扰动.这种方法结构简单容易实现，传统的扰动法一般是固定步长的，对控制的精度有很大影响，适合外界条件变化缓慢的条件，目前大量研究者已采用了改进的扰动法.文献[14]采用了变步长扰动观察法对系统的最大功率进行追踪控制，结果验证这种方法能够快速的使系统达到最佳功率工作状态.文献[15]中为了避免传统扰动法的缺点，采取自适应占空比扰动法，根据工作点所在位置不同自调整占空比的大小，不但继承传统方法的优点，而且提高了系统的快速性、稳定性和准确性，缓解了输出功率的振荡.

2.3 智能控制在风光互补发电系统功率控制中的应用

应用于风电和光伏发电中功率跟踪的智能控制有神经网络控制与模糊控制，其中主要是模糊控制.图2所示是模糊控制器基本结构图.目前，已有大量学者对智能模糊控制在风电和光伏发电功率跟踪控制中的应用做了深入的研究，特别是在光伏发电领域，有许多关于这方面的讨论和研究.文献[18]利用人工神经网络法与模糊控制相结合分别对光伏发电系统与风光互补发电系统进行功率跟踪，人工神经网络生成模糊规则再进行模糊控制.这种方法响应速度快、稳态特性好且不易误判.文献[19]针对风光互补发电的特性，对模糊法进行了改进，与部分遮蔽状况下的最大功率跟踪方法结合，并在光伏电池有部分遮蔽状态下的情况进行了仿真实验.这种方法使跟踪响应速度更快，效率也得到提高.此外，为了使控制性能更优越，把传统PID控制与模糊控制方法结合也是研究的热点.文献[20]、[21]均采用模糊控制和PID控制相结合方法，有效避免了单一的模糊控制和PID控制的缺点，基本做到了无静差控制，提高了效率.文献[22]在自适应模糊控制的基础上引入PID控制，提出了双模控制算法，根据不同情况下对两种控制方法进行切换，减少了能量的损失，提高了光伏发的的效率.文献[23]通过模糊控制对PID的三个参进行自整定调整以达到控制要求，采用这种方法能够很好的提高功率跟踪的速度以及稳定性.

图2 模糊控制器基本结构图

3 风光互补系统协调控制

对整个风光互补系统进行协调控制是整个系统的关键内容，包括对蓄电池的充放电控制、最大功率跟踪控制以及对Buck和Boost电路变换器控制等，以直流控制中心为纽带对整个系统进行协调控制.根据天气变化实现对太阳能发电和风力发电的最大功率跟踪控制确保系统的发电量.并对蓄电池的充放电进行控制，防止蓄电池过充和过放.及时调整发电系统的运行状态，使系统的输出功率与负载所消耗的功率相匹配，同时在外界条件变化时，协调控制器要保证发电机不超速过载，及时发现异常并防止异常的发生，实现对系统的运行保护.上文中已经对风力发电和光伏发电系统的最大功率跟踪以及系统蓄电池的充放电控制的种类和控制策略进行了介绍.Buck/Boost电路是电能产生环节与蓄电池及电能消耗环节的连接点，通过对Buck/Boost管的通断进行控制可以调整发电系统的最大功率跟踪方向.

文献[24]通过对风力发电和太阳能发电的功率进行分析，在不同的环境条件下，根据风力发电和太阳能发电功率的变化，采取相应的充放电控制策略，对系统进行协调控制来达到有效的、稳定的控制目的.文献[25]介绍了一种独立的风光柴储微网协调运行的控制策略，减少了蓄电池的充放电次数，有效提高了系统经济性和可靠性.文献[26]针对不同的问题采用不同的协调控制方案，并通过仿真验证了所采用方案的可行性和有效性.

4 结束语

能源是目前全球不得不面临的一个严峻问题，传统化石能源随着社会的发展而逐渐衰竭.为了应对一系列能源问题，新能源的开发与应用越来越受到人们的重视.由于新能源在发电领域具有其天然的缺陷，比如输出不稳定、控制复杂、对电网影响等，这些都需要解决.电力电子技术的发展使新能源的控制技术日益完善，将对太阳能、风能等新能源的普及起着重要的支撑作用.未来是智能电网的时代，而新能源发电所组成的微电网将是构成智能电网的重要部分，因此，发展新能源已是必然的趋势，也将成为日后研究的重要内容.

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Overview of Technology for Wind-solar-Hybrid Generation System

DING Lu, DENG Qiu-ling, CHEN Ke,XIE Ji-tang

(College of Elect. and Information，Hunan Institute of Engineering， Xiangtan 411101， China)

Currently, wind power generation and solar power generation are the two main types of new energy power generation technology.Because the wind energy and solar energy change randomly, the individual wind or solar power has a series of defects such as, the output instability,inefficiency and so on. The technology of wind-solar hybrid generation brings each of characteristics into full play. The utilization of wind energy and solar energy has a natural complementary advantages.So it is an important direction of micro network construction and research.This paper summarizes the basic structure of the wind-solar hybrid power generation and analyzes some basic control methods.

wind power generation; solar power generation; wind-solar hybrid generation;micro-network

2014-10-27

湖南省科技计划项目(2012GK2079)；湖南省高校科技创新平台建设项目(12K126).

丁 陆(1990-)，男，硕士研究生，研究方向：分布式风光互补发电技术.

TM61

A

1671-119X(2015)01-0016-05