滑模变结构在风光发电系统中的应用

刘 倩，李 时，孙 静，刘晓淞

(1.滁州职业技术学院机电工程系，安徽 滁州 239000； 2.国网滁州供电公司营销部，安徽 滁州 239000)

0 引言

风力发电系统和光伏发电系统以其资源丰富、清洁安全、可再生的突出优点已经成为新能源发电技术的主要代表。笔者针对这两种发电系统高度非线性的特点，运用滑模变结构的非线性、对系统的干扰和参数摄动具有完全自适应性的突出优点设计了基于滑模变结构的风力发电系统和光伏发电系统。

1 滑模变结构

图1中，A、B、C3点分别表示通常点、起始点和终止点，系统的状态变量的运动有3种形式，若运动变量的运动轨迹慢慢向C点靠拢并逐渐趋于稳定，此时系统处于稳定状态，正在进行滑模运动。

图1 超曲面示意图

2 滑模变结构控制器设计

2.1 风力发电系统控制器设计

在负荷已知的情况下，风力发电系统的发电方式分为：

1)风力充足的时候，风力发电机发出的功率P(w)能完全满足负荷的要求，这是一种工作模式，此时滑模面选择为

2)另外一种工作模式就是风力发电机发出的功率P(w)不能满足负荷的要求，此时风力发电机工作在最大功率输出状态，此时滑模面选择为

图2 风力发电系统两种工作模式之间切换

2.2 光伏发电系统控制器设计

和风力发电系统类似，当负荷为已知的情况下，光伏发电系统也存在两种运行模式：其一是光线充足时候，其二是光线不足时不能满足负荷需求的情况。

图3 光伏发电系统两种工作模式之间切换方式

3 实验仿真

以Matlab为平台，针对滁州天长市气象条件的变化，对风力发电系统、太阳能发电系统在滑模变结构控制器作用下的工作情况进行仿真分析。

3.1 变环境时风力发电系统分析

当环境风速改变时，风力发电系统的输出特性曲线如图4所示。取160 s的风速变化曲线，上面一副图是滁州天长市某天某时的风速v，下面一幅图的曲线表示的是风力发电机发出的最大功率曲线，对比图中两条曲线可以看出，风力发电机发出的最大功率曲线与风力曲线高度相似。虚线表示当地对应时间的负载曲线，分析得知，在第27 s～第35 s、第38 s～第42 s、第65 s～第87 s、第124 s～第129 s之间曲线在虚线之下，此时风力发电机以最大功率运行。其他时间段，曲线在虚线之上，此时风力发电能满足实际负载需求，观察虚线的转折点，可以看出当负载功率发生变化时，风力发电机都能很好地跟踪负荷。说明滑模控制器能很好地切换风力发电机的两种发电模式，起到了好的控制效果。

图4 风速变化时候的风力发电系统输出曲线

3.2 变环境时光伏发电系统分析

滁州天长市某天某时的光照强度和环境温度，光伏发电系统的输出特性曲线如图5所示。

图6为光照强度变化及环境温度变化时光伏发电系统输出曲线，第1幅图中的曲线为光伏发电系统发出的最大功率曲线Pmax，虚线为负荷Psref；第2幅图中的曲线为光伏发电系统发出的实际功率曲线Ps，从第15 s～第35 s，第40 s～第60 s，第100 s～第115 s，第125 s～第150 s，曲线都在虚线之上，此时风力发电系统的风力满足负荷需求，按第一种工作模式发电，在虚线的转折处，发电系统能很好地跟随负荷，在其余时间段，虚线都在曲线之上，此时风力发电系统的风力不能满足负荷需求，按第2种工作模式发电，说明滑模控制器能很好地切换光伏发电系统的两种发电模式，起到了好的控制效果。

图5 光照强度变化曲线及环境温度变化曲线

4 结语

针对风力发电系统和光伏发电系统高度非线性的特点，在变环境下设计了风力发电系统、光伏发电系统的滑模变结构控制器，可根据用户的实际负载变动以及当地环境、气候资源合理地优化配置系统的容量，完成了在两种工作模式之下的自由切换，很好地跟踪负荷变化需求，提高了电网供电的可靠性、经济性，提高了控制品质。