風(fēng)光儲互補系統(tǒng)

風(fēng)光儲互補系統(tǒng)電力在現(xiàn)實生活中占主導(dǎo)地位，但是受到客觀環(huán)境的限制，有些地區(qū)根本無法實現(xiàn)供電設(shè)施的建設(shè)和發(fā)展。太陽能光伏發(fā)電無運動部件，穩(wěn)定可靠，但目前成本較高，而風(fēng)力發(fā)電成本低但隨機性大，供電可靠性差，將兩者結(jié)合起來，可實現(xiàn)晝夜發(fā)電。此系統(tǒng)就是利用風(fēng)和光兩種自然資源相互補充發(fā)電，由太陽能電池板與風(fēng)力發(fā)電機發(fā)電相結(jié)合，經(jīng)蓄電池充電，給負載供電的一種新型能源。標(biāo)簽：電力；風(fēng)光儲發(fā)電系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)1風(fēng)光儲發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)風(fēng)光儲發(fā)電系統(tǒng)主要由風(fēng)力發(fā)電機組、太陽能光伏電池組、蓄電池、控制器、逆變器、交直流負載等部分組成，如見圖1所示。圖1風(fēng)光儲發(fā)電系統(tǒng)圖1.1風(fēng)力發(fā)電機組風(fēng)力發(fā)電機組主要由風(fēng)力機和發(fā)電機構(gòu)成，風(fēng)力發(fā)電就是利用風(fēng)力機獲取風(fēng)能并轉(zhuǎn)化為機械能，再利用發(fā)電機將風(fēng)力機輸出的機械能轉(zhuǎn)化為電能輸出的生產(chǎn)過程。1.2太陽能光伏發(fā)電光伏發(fā)電是指利用光伏電池板將太陽光輻射能量轉(zhuǎn)化為電能的直接發(fā)電方式。太陽能電池主要由半導(dǎo)體硅制成，在半導(dǎo)體上照射光后，由于其吸收光能會激發(fā)出電子和空穴（正電荷），從而半導(dǎo)體中有電流流過，這可稱為”光發(fā)電效應(yīng)”或簡稱“光伏效應(yīng)”。1.3蓄電池在風(fēng)光儲互補系統(tǒng)中，蓄電池作為儲能元件，當(dāng)風(fēng)力、光照充足的情況下，可儲存為負載供電后的多余電能；當(dāng)風(fēng)力和日照不足時，蓄電池為負載供電。因此蓄電池在系統(tǒng)中起到能量調(diào)節(jié)和平衡負載的作用。1.4DC/DC變換器及逆變器DC/DC變換器的作用是通過控制半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通和關(guān)斷時間，在結(jié)合電感、電容或變壓器等器件，將一個固定的直流電壓變換為另一個需要的直流電壓。1.5控制器控制器在風(fēng)光儲互補系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，由于風(fēng)能和太陽能有隨機性和不穩(wěn)定性，所以能量的控制很重要。當(dāng)風(fēng)能過大，太陽能輸出也很大，而此時負載所需能量小于所供給的能量時，將導(dǎo)致風(fēng)輪轉(zhuǎn)速過大，造成飛車；電流也會過大，導(dǎo)致發(fā)電機過載而燒毀線圈；風(fēng)能、太陽能過小時，無法滿足負載需要?？刂破饕鶕?jù)不同變化情況及時進行調(diào)整，確保系統(tǒng)始終處于穩(wěn)定的運行狀態(tài)。2風(fēng)光儲互補系統(tǒng)的最大功率跟蹤控制策略2.1風(fēng)力機最大功率控制原理由風(fēng)力機工作特性可知，當(dāng)空氣密度和風(fēng)輪半徑以及工作風(fēng)速確定之后，風(fēng)力機的輸出功率與風(fēng)能利用系數(shù)成正比。而根據(jù)風(fēng)能利用系數(shù)Cp與葉尖速比λ的關(guān)系可知，總存在一個最佳的葉尖速比λm，即存在一個最佳的風(fēng)力機角速度？棕m，使得風(fēng)能利用系數(shù)達到最大值Cpmax，此時風(fēng)力機捕獲的風(fēng)能最大，運行在最大功率點上。當(dāng)風(fēng)速一定時，風(fēng)力機輸出的功率隨角速度不斷變化，總存在一個最佳角速度？棕m使得風(fēng)力機輸出功率達到最大。將不同風(fēng)速下的風(fēng)力機輸出的最大功率點相連就得到一條屬于風(fēng)力機最大功率曲線。在風(fēng)速變化下，通過對風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，使其獲得最佳葉尖速比λm和最大風(fēng)能利用系數(shù)Cpmax，使得風(fēng)力始終在最大功率曲線上運行，這就是風(fēng)力機最大功率跟蹤控制原理。2.2太陽能最大功率跟蹤控制原理光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率是隨著外界環(huán)境變化而改變的，為實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點跟蹤，我們首先要選用合適的跟蹤控制算法，然后通過合適的控制電路使光伏陣列工作在最大功率點。2.3風(fēng)光儲互補系統(tǒng)的最大功率跟蹤控制本系統(tǒng)最大功率算法采用擾動觀察法，常規(guī)擾動觀察法都是固定步長的擾動，當(dāng)擾動的步長過大時，系統(tǒng)會在最大功率點附近波動運行，引起不必要的能量損耗，降低系統(tǒng)的效率；而當(dāng)擾動步長過小時，則需要較長時間才能跟蹤到最大功率點。所以文章采用了變步長擾動的方法來實現(xiàn)最大功率點的跟蹤。3風(fēng)光儲互補系統(tǒng)建模與仿真3.1風(fēng)速的建模風(fēng)速是風(fēng)力發(fā)電的一個重要因素，風(fēng)速具有隨機性，因此文章采用的風(fēng)速模型函數(shù)為：v（t）=基礎(chǔ)風(fēng)速+Amsin（t）+校正值式中，v（t）為風(fēng)速模型的輸出風(fēng)速，Am為正弦波幅值。用Matlab建立的風(fēng)速仿真模型如圖2所示：圖2風(fēng)速仿真模型圖圖2中，Vb為基礎(chǔ)風(fēng)速，Am為正弦波幅值，校正值用UniformRandomNumber模塊代替，即隨機數(shù)，功能是在設(shè)定的時間間隔內(nèi)產(chǎn)生一個隨機數(shù)，值設(shè)定為-1和1之間。所以，調(diào)節(jié)上述參數(shù)就可以得到所需要的風(fēng)速范圍。當(dāng)Vb為9，Am為3時，可得到風(fēng)速范圍在5-13m/s之間。3.1.1風(fēng)力機的系統(tǒng)建模在Matlab中，很多電氣元件都有現(xiàn)成的模塊可以直接調(diào)用，但是沒有風(fēng)力機的模塊，因此我們需要自己建立仿真模型。文章采用風(fēng)力機直接驅(qū)動永磁同步發(fā)電機的方式運行，所以風(fēng)力機的角速度就是同步發(fā)電機的機械角速度。風(fēng)力機的風(fēng)力機的輸出轉(zhuǎn)矩為（1）其中風(fēng)能利用系數(shù)Cp的可用表達式（2）表示：（2）（3）根據(jù)上式的風(fēng)能利用系數(shù)公式，在Matlab/Simulink中可建立風(fēng)能利用系數(shù)模型。3.1.2永磁同步發(fā)電機建模風(fēng)力發(fā)電機組中，傳送機構(gòu)齒輪箱的存在嚴重制約了風(fēng)力機發(fā)電的效率。文章采用了永磁同步發(fā)電機，直接與風(fēng)力機相耦合，省去了傳動機構(gòu)，提高了風(fēng)力機發(fā)電效率。永磁同步發(fā)電機的數(shù)學(xué)模型為：（4）采用了永磁同步發(fā)電機，系統(tǒng)中省略了增速機構(gòu)，所以風(fēng)力機在下的轉(zhuǎn)速就是發(fā)電機相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，電磁功率為：PM=Pt-P0（5）又因為PM=Te*？棕m，所以發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩可寫成：（6）所以，Te=Tt-T0（7）式中，id，iq，ud，uq，Ld，Lq和R分別為d軸，q軸的電壓、電流、電樞電感和電阻；？棕r，λ和p分別為轉(zhuǎn)子的角速度，q軸繞組上產(chǎn)生的漏磁通和極對數(shù)；？棕m，Pt和P0分別為轉(zhuǎn)子的機械角速度，風(fēng)力機輸出功率和發(fā)電機的損耗。3.1.3光伏電池仿真建模由于光伏電池的V-I特性曲線除了與光伏電池組件本身參數(shù)的非線性特性和串并聯(lián)方式有關(guān)之外，還與太陽能輻射強度，環(huán)境溫度有關(guān)，因此我們建立的模型必須要能反映出這些因素的變化，能準確的模擬實際光伏陣列的輸出特性。光伏電池在太陽光照射下就能產(chǎn)生光生電流，當(dāng)外電路接上負載時，電流便流向負載，負載兩端形成光生電壓。光伏電池的等效電路如圖3所示。圖3光伏電池等效電路圖圖3中，Id為流過二極管的電流，Rs為串聯(lián)電阻，主要是由電池的表面電阻、電極導(dǎo)體電阻、體電阻和電極與硅表面間接觸電阻所組成；Rsh為旁路電阻，由硅片的體內(nèi)缺陷或邊緣不干凈引起的。光伏電池的輸出電流Ipv為：（8）式中，q為電子電荷，其值為1.6×10-19C；T為絕對溫度；K為波爾茲曼常數(shù)，其值為1.38×10-23J/K；Vpv為光伏電池輸出電壓；n為二極管指數(shù)。在理想情況下，光伏電池的并聯(lián)電阻Rsh很大，串聯(lián)電阻Rs很小，所以在計算過程中可以忽略不計，式（8）簡化后為：（9）在參考條件下，Vm，Im為最大功率點的電壓和電流，光伏電壓為Vpv時，對應(yīng)的光伏電池輸出電流為：（10）其中（11）（12）考慮到溫度和太陽能輻射強度變化的影響，（13）其中，（14）（15）（16）式中，Isc為短路電流，Voc為開路電壓，R為太陽輻射強度，T為溫度，Rref和Tref為太陽輻射強度和溫度參數(shù)，α和β分別為在參考日照下，電流變化溫度系數(shù)和電壓變化溫度系數(shù)，Vm，Im為最大功率點的電壓和電流。3.1.4Buck變換器模型Buck變換器的仿真模型可以直接調(diào)用Matlab/Simulink中的電感，電容和IGBT模塊來搭建。驅(qū)動Buck變換器的PWM占空比產(chǎn)生信號模塊由頻率可調(diào)的三角波和比較器組成，通過改變輸入的大小調(diào)整PWM的占空比。3.2系統(tǒng)的仿真3.2.1風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的仿真風(fēng)能利用系數(shù)隨著槳距角的增大而降低，但都有一個最大風(fēng)能利用系數(shù)。當(dāng)β=0°時最大風(fēng)能利用系數(shù)值最高，風(fēng)能利用系數(shù)達到了0.438，此時的葉尖速比大約為6.4。同時風(fēng)力機的輸出轉(zhuǎn)矩和輸出功率隨著風(fēng)速的增大而升高，當(dāng)風(fēng)速一定時，總有一個最大的輸出轉(zhuǎn)矩和輸出功率。將風(fēng)力機、永磁同步發(fā)電機、最大功率跟蹤控制和變換器等模塊結(jié)合在一起，得到風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的整體仿真模型。3.2.2光伏發(fā)電系統(tǒng)的仿真通過仿真得知，當(dāng)光伏陣列輻射強度不變時，隨著溫度的增大，電流增大不明顯，輸出開路電壓明顯減小，輸出功率也減??；減小溫度可使輸出電流減小，輸出電壓顯著增大，輸出功率增加。同理，保持溫度不變，若增大輻射強度可使電流明顯增大，輸出電壓變化不明顯，輸出功率增加；減小輻射強度可使電流減小，輸出電壓減小不明顯，輸出功率減小。光伏陣列仿真模型以脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖信號來控制Buck斬波電路，通過改變觸發(fā)脈沖的占空比來實現(xiàn)最大功率輸出。隨著占空比的增大，光伏陣列的輸出功率先增大后減小，在占空比為70%時，輸出功率達到最大。脈沖信號的占空比是固定的，當(dāng)外部條件改變時，需要人為的改變占空比才能實現(xiàn)最大功率的輸出。從仿真結(jié)果可得出結(jié)論：輸出電壓從零開始急速增加，后緩慢上升，一段時間后輸出平穩(wěn)的最大功率點電壓；輸出電流剛開始以短路電流平穩(wěn)輸出，一段時間后電流減小，降到某一值后保持不變，最后輸出平穩(wěn)的最大功率點電流；輸出功率從零開始快速增加，一段時間后變?yōu)榫徛仙?，最后輸出平穩(wěn)的最大功率。系統(tǒng)穩(wěn)定后，在一個周期內(nèi)，占空比約為70%。3.2.3風(fēng)光儲互補系統(tǒng)仿真在風(fēng)光儲互補系統(tǒng)中，風(fēng)力發(fā)電機和光伏陣列通過輸電線路給負載供電。然而在風(fēng)光儲互補發(fā)電系統(tǒng)中，選擇風(fēng)力發(fā)電機和光伏電池的容量是最關(guān)鍵的。設(shè)輸電線路長度為10km，輸電線路參數(shù)為：線路阻抗為R=0.105？贅/km，X=0.383？贅/km，B=2.98×10-6S/km。發(fā)電側(cè)電壓為220V。通過仿真可測的當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機的額定功率為800W，光伏電池的額定功率為400W時線路損耗和線路壓降最小。參考文獻[1]馬川.我國能源利用的現(xiàn)狀及對策[J].國土資源導(dǎo)刊，2007，4（1）：40-41.[2]施全富.獨立運行風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D].沈陽工業(yè)大學(xué)，2008：8-10.[3]齊志遠，王生鐵，田桂珍.風(fēng)光互補發(fā)電的協(xié)調(diào)控制[J].太陽能學(xué)報，2010，31（5）.[4]唐雁，方瑞明.獨立式風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)中最大功率控制策略研究[J].電網(wǎng)與清潔能源，2010（8）：53-58.[5]JohanHREnslin，MarionSWolf，DanielBSnyman.Integratedphotovolticmaximumpowerpointtrackingconverter[J].IEEETrans.OnIndustrialElectronics，1997，44（6）：5-10+654-660.[6]李本立，等.風(fēng)力機結(jié)構(gòu)動力學(xué)[M].北京：北京航天航空大學(xué)出版社，1999：25-30.[7]周佳娜.鉛酸蓄電池充放電原理與現(xiàn)場應(yīng)用[J].電力建設(shè)，2003，24（4）：19