摘要：針對新形勢下對新能源發(fā)電的迫切需要，為了探討智能電網(wǎng)中風光互補發(fā)電系統(tǒng)的建模問題與控制策略，文中分別分析了風力發(fā)電理論及其控制策略、光伏發(fā)電理論及其控制策略。依據(jù)Betz提出的葉片捕獲風能理論建立了風力發(fā)電系統(tǒng)模型。以光伏電池為核心部件建立了光伏發(fā)電系統(tǒng)模型。采用擾動觀察法控制Boost升壓電路實現(xiàn)風能與太陽能的最大功率跟蹤。文中建立了風光互補發(fā)電并網(wǎng)仿真模型，利用電磁仿真軟件對該系統(tǒng)的動態(tài)性能進性仿真分析。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)風能與太陽能的最大功率跟蹤，能夠迅速的跟蹤電網(wǎng)電壓，實現(xiàn)風光互補發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)運行。

引言

    隨著傳統(tǒng)化石能源逐漸枯竭和環(huán)境問題持續(xù)惡化，為了應對能源危機與伴生的環(huán)境危機，世界各國積極開展太陽能、風能等可再生新能源技術(shù)研究，基于可再生能源的分布式發(fā)電(DistributedGeneration，DG)正受到世界各國的高度重視。除水力發(fā)電以外，利用風能與太陽能發(fā)電是目前開發(fā)最快、技術(shù)最成熟、最具規(guī)?；_發(fā)條件與商業(yè)化前景的新技術(shù)。二者在時間和地域上有一定的互補性，同時在儲能、逆變環(huán)節(jié)均可共用，適合聯(lián)合發(fā)電，實現(xiàn)資源互補，很好的解決了受季節(jié)、地理、氣候等多種因素制約引起的風力發(fā)電和太陽能發(fā)電的不確定性[1]。

    風光互補發(fā)電系統(tǒng)可以將風能、太陽能有效的結(jié)合，具有并網(wǎng)運行、孤島運行兩種運行模式。目前，國內(nèi)外學者對離網(wǎng)型風光互補發(fā)電系統(tǒng)的研究較多，主要集中在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計、數(shù)學建模與仿真、儲能設備的配置、系統(tǒng)電源容量優(yōu)化配置等方面，而對風光互補發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)研究較少。

    本文建立了一種并網(wǎng)型風光互補發(fā)電系統(tǒng)，光伏陣列和風力發(fā)電機并聯(lián)運行，采用共直流母線結(jié)構(gòu)，通過并網(wǎng)逆變器實現(xiàn)DC/AC變換，經(jīng)LC低通濾波器濾除諧波后并入電網(wǎng)。最后，對所搭建風光互補發(fā)電系統(tǒng)進行仿真研究，仿真結(jié)果驗證了該系統(tǒng)模型的正確性和可行性。

小型風光互補發(fā)電系統(tǒng)

    并網(wǎng)型風光互補發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏陣列、風力發(fā)電機、并網(wǎng)逆變器及相應的控制部分組成。對于小容量風光互補系統(tǒng)，廣泛采用共直流母線式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有控制簡單、便于擴充容量、提高逆變器使用效率、節(jié)約系統(tǒng)成本等優(yōu)點[2]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1小型并網(wǎng)風光互補發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    該結(jié)構(gòu)將光伏（PV）與風電（WP）系統(tǒng)并入直流母線，通過并網(wǎng)逆變器接入220V/50Hz市電實現(xiàn)并網(wǎng)。同時，由于并網(wǎng)運行，若PV和WP系統(tǒng)輸出功率之和大于用戶負載功率，將多余電能輸入電網(wǎng)。反之，不足的部分將由電網(wǎng)補給，因此系統(tǒng)不需要使用蓄電池儲能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    按照控制方式分類，并網(wǎng)逆變器可分為電壓源電壓控制、電壓源電流控制、電流源電壓控制和電流源電流控制四種方式。電流源控制的特點是直流側(cè)串聯(lián)大電感，由于大電感往往會導致系統(tǒng)動態(tài)響應差，因此并網(wǎng)逆變器均多采用以電壓源輸入為主的方式。并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓保持同步是實現(xiàn)并網(wǎng)的前提。在風光互補發(fā)電系統(tǒng)中，風速與光照強度均為隨時間變化的變量，直流母線電壓也隨之發(fā)生變化。因此，逆變器在并網(wǎng)過程中需要考慮電網(wǎng)電壓與直流母線電壓的變化[3-4]。本文中采用雙環(huán)控制，對并網(wǎng)電流進行控制的同時保證母線電壓的穩(wěn)定，并網(wǎng)控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2風光互補并網(wǎng)控制系統(tǒng)示意圖

風光互補發(fā)電系統(tǒng)建模

0.1風力發(fā)電系統(tǒng)

    目前世界上主要的風電技術(shù)大體分為恒速恒頻（ConstantSpeedContantFrequency，CSCF）與變速恒頻（VariableSpeedContantFrequency，VSCF）兩種。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，VSCF已逐漸取代CSCF成為風力發(fā)電系統(tǒng)的主流，主要為雙饋型風力發(fā)電機、直驅(qū)型風力發(fā)電機兩種[5]。本文搭建的風力發(fā)電系統(tǒng)由風輪與直驅(qū)永磁同步發(fā)電機組成。

根據(jù)德國學者Betz提出的葉片捕獲風能理論，實際中半徑為R的葉片可捕獲的機械功率Pm可以用方程表示為：

    式中：CP為風能利用系數(shù)，是λ、β的函數(shù)，可近似表達為：

    式中：λ為葉尖速比；β為槳距角；ρ為空氣密度；R為葉片半徑；V為進入風速；c1~c6為與風機型號相關(guān)的系數(shù)。

    直驅(qū)型永磁發(fā)電機系統(tǒng)在不可控制整流與電壓型逆變器中間加入DC/DC變換后，系統(tǒng)經(jīng)過DC/DC升壓后可以滿足逆變器的輸入要求。這種拓撲結(jié)構(gòu)是目前小型風力發(fā)電系統(tǒng)中的主流形式，也是本文搭建的風力發(fā)電系統(tǒng)采用的拓撲結(jié)構(gòu)。本文搭建的風力發(fā)電系統(tǒng)如圖2所示。

    風力發(fā)電控制系統(tǒng)中控制算法采用擾動觀察法（PerturbationandObservationmethod，P&O）控制Boost升壓電路以實現(xiàn)風能的最大功率點跟蹤（MaximumPowerPointTracking，MPPT）。對不控整流后的輸出電壓與輸出電流進行采樣，電壓與電流采樣值作為風力發(fā)電控制系統(tǒng)的輸入，通過P&O算法找到風力發(fā)電機的最大功率點，與三角載波比較后，輸出PWM信號來控制變換器的開關(guān)管占空比來調(diào)節(jié)WP系統(tǒng)的工作點[6]。

0.2光伏發(fā)電系統(tǒng)

    光電池板作為PV系統(tǒng)中的核心部件，其輸出電流的工程用數(shù)學模型為：

    當光強、溫度變化時，需要重新估算電池板參數(shù)，估算公式為：

    式中：         分別為光伏電池短路電流、光伏電池最大功率點電流、光伏電池開路電壓、光伏電池最大功率點電壓在非標況下的估算值；Im為光伏電池最大功率點電流；Voc為光伏電池開路電壓；Vm為光伏電池最大功率點電壓；T為環(huán)境溫度；系數(shù)a、b、c的典型取值分別為0.005、0.5、0.00288；Tb、Sb分別為標況下環(huán)境溫度、光照強度，分別取值為25℃、1000W/m3。

    PV系統(tǒng)通過Boost升壓斬波電路提高光電池輸出的電壓等級，以便于接入逆變器，本文搭建的光伏發(fā)電系統(tǒng)如圖3所示。PV系統(tǒng)中的控制環(huán)節(jié)同樣采用擾動觀察法，通過控制前級Boost電路以實現(xiàn)光伏陣列的最大功率點跟蹤。當前太陽能電池陣列的輸出電壓和電流的采樣值作為光伏發(fā)電控制系統(tǒng)的輸入，通過P&O算法找到太陽能電池陣列的最佳工作點電壓，與三角波比較后輸出PWM波，通過控制變換器的開關(guān)管占空比來調(diào)節(jié)PV系統(tǒng)的工作點[7-10]。

圖3風光互補發(fā)電并網(wǎng)仿真模型

Simulink仿真與實驗結(jié)果

    根據(jù)圖1所示風光互補發(fā)電并網(wǎng)模型結(jié)構(gòu)，經(jīng)上文分析，在MATLAB/Simulink中搭建風光互補發(fā)電系統(tǒng)仿真模型，WPHGS仿真模型如圖3所示。本文搭建的風光互補發(fā)電系統(tǒng)仿真模型中，光伏板在日照強度Sref=1000W/m2，Tref=25℃條件下的輸出功率2200W。風力發(fā)電機在額定風速為10m/s，風力機組輸出功率2000W。為了模擬自然條件下的工作環(huán)境，以光照強度、風速為變量，在仿真初始時刻光照強度800W/m2，風速為6m/s，在0.3s時加入擾動，光照強度突變?yōu)?000W/m2，風速保持不變。在0.6s時加入擾動，風速突變?yōu)?0m/s，光照強度保持不變。在0.9s時加入擾動，光照強度突變?yōu)?00W/m2，風速突變?yōu)?m/s?？偡抡鏁r間1.2s。

圖4光照強度和風速變化時電網(wǎng)電壓與并網(wǎng)電流

圖5光照強度和風速變化時直流母線電壓

圖6光照強度和風速變化時并網(wǎng)電流諧波分析

    仿真過程中母線電壓參考值設定為300V，電網(wǎng)電壓為220V/50Hz，系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖4-圖6所示。由圖4可知，并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓動態(tài)過程中可以保持同步，滿足單位功率因素要求；由圖5可知，當光照和風速變化時系統(tǒng)直流母線電壓可以迅速達到并保持穩(wěn)定狀態(tài)，風力發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)均能快速實現(xiàn)最大功率輸出；由圖6可知，并網(wǎng)電流總諧波失真THD小于5％，滿足并網(wǎng)要求。

結(jié)語

    本文對風力發(fā)電理論及其控制策略、光伏發(fā)電理論及其控制策略進行了深入的研究，對風光互補發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)控制策略進行了探討，文中依據(jù)Betz理論與光伏電池工程模型，建立了風力發(fā)電系統(tǒng)模型與光伏發(fā)電系統(tǒng)模型，采用擾動觀察法控制Boost升壓電路實現(xiàn)風能與太陽能的最大功率跟蹤。建立了風光互補發(fā)電并網(wǎng)仿真模型，利用電磁仿真軟件MATLAB/Simulink對該系統(tǒng)的動態(tài)性能進性仿真分析。仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)風能與太陽能的最大功率跟蹤，能夠迅速跟蹤電網(wǎng)電壓，實現(xiàn)風光互補發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)運行。