微型风光互补稳定发电模型

文/白健美 黄文娟 李柯 唐智超

1 小型风光互补发电系统

1.1 小型风光互补发电系统的总体结构

风光互补发电系统主要由前端电源（太阳能电池板、风力机）、控制器、储能元件、交流和直流负载、变压器，整流器，逆变器等，如图 1 所示；系统采用太阳能电池板、风力发电机(产生的是交流电)、用铅酸蓄电池保存它们产生的电能，当与外部用电设备连接，蓄电池进行放电。

在图1中可以看出，主要分为三个环节，分别是电能发生环节、电能转换控制环节和电能存储消耗环节。

（1）电能发生环节。分为两路，其一是风机产生电能部分，由若干台风力机组成；其二是光伏产生电能部分，由若干个太阳能电池组成。

（2）电能变换控制环节。由不可控三相整流桥、防反二极管、 DC DC / 变换器等元件组成；三相交流风力发电机所产生的电流通过不可控整流桥，为了得到没有波动的较好直流，需要经由电容稳波，流进 AC DC / Buck 变换器，最后保存在蓄电池中；为了规避反电压突然出现，毁坏光伏电池板，要使光电流先流过一个二极管（防反作用），进入 DC DC / Buck 变换器。其中 DC DC是功率变换器，是核心单元，控制器的主要作用就是管理 DC DC / 变换器。

（3）电能存储消耗环节。电能主要保存在铅酸蓄电池当中，它在系统中担当着电能存储的责任，功能便是去除因外界条件变化出现的电能供应和需要的不匹配，管理整个风光发电系统并且协调负载。如果供给高于需求时，控制系统会将剩余的能量补充到铅酸电池中，如果供给小于需求时，电池输出电流供负载使用。依据不同用户的耗电设备，可分为直流负载和交流负载两个。

直流负载能够用蓄电池供电，还能够用升压或降压，DC DC 电路给不同类型设备供给必要电压；当接交流负载时，必须连接 DC AC / 逆变器。卸载电路的主要作用是：如果风速过大，仍然没有到达系统过保条件时，系统还要继续给用电设备或电池充电，要降低风力过高把开关管以及电路毁坏危险，这时打开卸载电路，以便把多余功率消费在卸载电路上，降低对控制系统的损坏。

2 风力发电机组的构成及工作原理

在风光互补系统中，风机是其中产生电能的一个来源，风机由风力机、传动机构与发电机等结构构成。风机发电的主要包括，风吹动风机机轮，风力发电机开始正常工作，把气流动能转化为风机的动能，将动能传给传动装置，它的作用是将动能转送到下一个装置，这就会实现发电机的正常工作，接下来产生电能输送到用电设备当中。在风光互补系统中，另外一个电能的发生结构是太阳能光伏阵列，功能是把接收而来的太阳光能转换成电能。

2.1 太阳能发电的工作原理

太阳能电池由半导体构成,在半导体材料内部含有大量的 PN 结,由于 PN 结两侧的电子的浓度和空穴的浓度不同,出现了扩散运动。 N 区的电子扩散到 P 区，P 区的空穴扩散到 N 区，在半导体内部形成了内电场，这个内电场被称为电势壁垒，当照射太阳能电池时，硅原子最外层的电子会挣脱束缚，变成核外自由电子，并留下空穴；P 区内的自由电子受到内电场力，使它定向移动，不断进入到 N 区，留下了大量空穴。在同样电场力的影响下, N 区中的空穴也会不断进入到 P 区,大批的自由电子留在原地。所以在 PN 结接触两端的电极上将会分有正向电荷和负电荷聚集起来，可以形成光生电压，这个现象被称之为光生伏特效应。将 PN 结两侧接入闭合电路当中，相当接入了一个电源， 形成闭合回路，从 P 区经外电路流向 N 区,给负载供电。

2.2 太阳能电池板的等效电路

太阳能组件的工作原理及特性，在风光互补系统中，另外一个电能的发生结构是太阳能光伏阵列，功能是把接收而来的太阳光能转换成电能。太阳能电池由半导体构成,在半导体材料内部含有大量的 PN 结，由于 PN 结两侧的电子的浓度和空穴的浓度不同，出现了扩散运动。 N 区的电子扩散到 P 区，P 区的空穴扩散到 N 区，在半导体内部形成了内电场，这个内电场被称为电势壁垒，当照射太阳能电池时，硅原子最外层的电子会挣脱束缚，变成核外自由电子，并留下空穴；P 区内的自由电子受到内电场力，使它定向移动，不断进入到 N 区，留下了大量空穴。在同样电场力的影响下， N 区中的空穴也会不断进入到 P 区，大批的自由电子留在原地。所以在 PN 结接触两端的电极上将会分有正向电荷和负电荷聚集起来，可以形成光生电压，这个现象被称之为光生伏特效应。将 PN 结两侧接入闭合电路当中，相当接入了一个电源， 形成闭合回路，从 P 区经外电路流向 N 区,给负载供电。

图1：小型风光互补发电系统结构

2.3 系统储能设备

储能单元是维系整个发电系统运行的关键组件，主要由充放电控制单元和储能元件两部分构成。主要功能是调节光伏电池阵列和风力发电机组向外输出多少的电能，储存发电高峰剩余的电量，平衡发电低谷负载用电。完美地解决了由于太阳能和风能所形成的间歇性、不确定性而引发的电源供给波动和能量消耗，大大提高了系统的工作效率和稳定性。

根据不同的存储手段可将储能设备划分成化学储能设备、物理储能设备和超导储能设备。当前，在风光互补现实运用中，利用电能与化学能相互转化的化学储存单元—蓄电池是较为广泛的。如今市场当中有各样的蓄电池，具有代表性的为锂离子蓄电池、铅酸蓄电池、镍镉蓄电池等。其中，铅蓄电池因其防酸、防爆、耐腐蚀、电池容量大、充放电次数多、使用寿命长、化学能—电能转换效率高等特点在众多蓄电池中脱颖而出，获得了广泛的关注与使用，现在研究应用较多的是胶体铅酸蓄电池。

3 结论

本文利用风能和光能的互补特性设计了风光互补发电控制系统，并研究了风力发电和光伏发电最大功率点跟踪控制算法、蓄电池充电放电控制及系统嵌入式硬件电路，获得了以下成果：对光伏发电提出基于固定压法结合新型变步长扰动观察法的控制，风力发电采用变步长功率扰动控制，解决了传统算法跟踪速度慢、易在最大功率点附近出现震荡的问题。设计了以 ATmega16 单片机为核心的风光互补系统智能控制器，完成了包括系统主电路以及控制电路，电源转换模块、电流采样电路、电压采样电路、PWM 产生电路驱动电路等硬件电路。建立了光伏发电系统以及风力发电系统模型，在 MATLAB/SIMULINK下进行在线仿真，结果表明，本文提出的控制算法和硬件电路及软件设计是切实可行的。