风光互补发电系统MPPT及储能控制策略研究

王宁，陈磊，冯良韬

（1.华北理工大学轻工学院，河北唐山063000；2.华北理工大学研究生学院，河北唐山063000；3.国网冀北电力有限公司唐山供电公司，河北唐山063000）

绿色发展

风光互补发电系统MPPT及储能控制策略研究

王宁1，陈磊2，冯良韬3

（1.华北理工大学轻工学院，河北唐山063000；2.华北理工大学研究生学院，河北唐山063000；3.国网冀北电力有限公司唐山供电公司，河北唐山063000）

探讨了风光互补发电系统MPPT及储能控制策略及相关问题，分析了风光互补常用MPPT算法，研究了相关风光互补发电系统各子系统的控制策略及仿真研究。

风光互补发电系统；MPPT；储能控制

引言

伴随着近两个多世纪的工业革命，地球的资源被大量开发与利用，资源的过渡开发与浪费已经造成了生态破坏、环境污染以及迫在眉睫的能源危机；为了解决此类关系到人类生存的问题，全世界范围内兴起了对新能源的研究与开发利用，比如，风能、太阳能等可再生能源。而在新能源利用的研究领域也逐渐出现了风光互补能源的相关研究。本文就以此作为切入点，探讨风光互补发电系统MPPT及储能控制策略及相关问题。

1　风光互补发电系统概述

风光互补发电系统的主体结构主要是太阳能+风力发电机，其中利用AC/DC变换器、交流与直流负载共同完成双向变换，以完成在蓄电池的能量储存。其中，光伏发电主要是对太阳光辐射的能量转换，使其成为电能；而风力发电系统，则是将风能转换为电能；蓄电池的工作原理比较简单，以电动势、电化反应为主，通常以氧化还原反应即可进行放电过程与充电过程的理解；AC/DC变换器包括升压性、降压性与升降压性等较为常见，该系统中的控制器比较关键，控制策略包括对光伏、风力发电系统最大功率的跟踪控制、实测吞吐能力削峰填谷能力对功率的平抑控制。

2　风光互补常用MPPT算法

2.1基本原理

MPPT，意思是整个调节历程或称作最大功率点跟踪。可以通过简单的线性电路对其加以说明。根据一般的功率公式可知，R0耗损功率则根据求导后的公式可以得到，则其功率损耗最大。因此，在一般的线性电路中，可以通过外部负载阻抗调整为电源内阻值，以达到最大功率输出；当然这种调整只能规定在较短的时间范围内；那么，由此可以将变换器看成在外环境变化时的外阻，而通过调整它的占空比达到对电源内阻变化情况的跟踪，从而实现对内阻与外阻的有效调整，从而达到所谓的能量最大值，即实现MPPT［1］。

2.2选取适用算法

第一，在恒定电压法（CVT）方面，易于实现，且在最大功率处输出电压稳定，但精度较差，实际的应用乏善可陈；而在实际测量方法（AC）方面，能够对光伏电池应用方面的老化问题进行避免，也就是说能够在准确度方面略胜一筹，但成本高，当出现局部遮阴时，易出现多峰值，处理比较麻烦；开路电压比例系数法（OCV）能够在最大功率点处于稳定状态，但系数选择方面的工路电压易引起供电间断；还有其他诸如短路电流比例系统数法（SEC）、三点中心比较法、占空比扰动法、电导增量法、最优梯度法等，都各自有优势与不足。

第二，本次研究以光伏、风力MPPT控制为主，在光伏MPPT控制方面，根据定步长、变步长这两种形式，利用扰动观察法，通过对占空比的调节达到控制目的；比如，步长偏大，输出功率震荡、稳定性差；偏小则响应时间长、动态性差；所以，在步长方面，设置自适应算法，利用调整器完成稳态性能的实现；可以通过如下公式进行表达，即：

式中：β（k）为步长，则取值范围为（0，1）；k为常量，根据自适应步长调整灵敏度可以得到。功率的变化值dP=P（k）-P（k-1）。

具体的实现过程或操作流程为，第一步：对I0、V0读取；第二步：令Ik-1=I0=V0，第三步：进行数值的I（k）/V（k）读取；第四步：计算P（k）、dP；第五步：代入上面的公式，直至其功率最大值为0；第六步：达到寻优目的。

第三，风力发电MPPT控制方面，主要是对输出电压电流的初始化，并对风轮机转速取值，从而通过对风力发电输出电压、电流数据的采集，达到对最大功率点与对应风轮机转速值的搜索；然后进行具体数值设定，计算功率，改变PWM占空比，达到MPPT控制的实现［2］。

3　风光互补发电系统子系统的控制策略

3.1光伏子系统控制

首先，本次研究中，通过MATLAB/SIMULINK搭建光伏电池仿真模型，从而达到对光伏电池最大功率跟踪仿真模型的实现；其中的参数如下：开路电压320 V、短路电流10.65 A、最大功率电压300 V、最大功率电流10.25 A、串联电阻2.000 Ω、电压电流温度系数为0.700/0.015。其次，通过仿真实验分析能够了解到，采用传统的算法跟踪在整个过程中，会出现相对性的震荡，因而输出具有不稳定性，但是，通过本次研究中所选择的方法，则可以解决相关的问题，提升跟踪速度至0.1 s内，而且寻优的效果非常明确，同时也更好的解决了稳态误差所造成的最大功率不稳定问题。

3.2风力发电子系统控制

首先，按照MATLAB/SIMULINK搭建风力机仿真模型，其发电机参数包括定子等效电阻0.05 Ω、定子绕组的d轴电感0.006 35 Hz、q轴电感0.006 35 H、磁通系数0.194 4、转动惯量0.192 kg·m2，以及极对数36；其次，需要选择永磁同步发电机、变换器、MPPT控制器等相关模块，然后共同组建风力发电系统模型，其中的系统基本参数可以选择额定风速8 m/s，风轮半径1.6 m。根据仿真分析，最后得到的最大功率点在0.2 s时［3］。

3.3蓄电池在SIMULINK里的建模

蓄电池模型有实验型、化学型、等效电路型，最后一种为动态模拟分析合适类型；平抑的作用在于储能环节的能量调节，因此，是对输出功率间歇性的控制，以及对电量损耗或不够的预防；本次研究选择蓄电池模块、双向变换器DC-DC，然后达到开关段Q1与Q2的互补。

4　风光互补联合发电系统储能控制策略的仿真

首先，联合发电系统中的调节对象在于能量产生环节与消耗环节，其中会受到外界各条件的影响，也包括多个隐形模式与供电模式；蓄电池的一种状态为充电过程的负载、另一种是放电过程的电源性性质；但在两种共同作用时，其功率之合大于参考功率，所以结果是充电性制裁，相反的情况则是放电性质。那么为了达到平抑，就需要做好控制，通常来看，控制策略流程可以选择有风无光、有光无风两种状态，然后，再进一步深入分析，得到联用的运行模式。其次，通过MATLAB/SIMULINK搭建仿真模型，风力机1.5 M、光伏风光蓄电联合发电系统以500 kW为准构建仿真模型，根据此次研究发现，系统输出功率有波动，所以，需要通过对储能量的快速吞吐能力的有效发挥来实现削峰填谷的功能，从而利用储能环节达到功率的参考电量满足，以此降低电量的波动性，提高对能源的利用率［4］。

5　结语

在研究风光互补发电系统方面，需要做好基本结构的搭建、工作原理的分析，并对MPPT控制算法进行具体探讨；利用对仿真建模的研究，开展具体的仿真分析，在充分的理论基础之上，对风光互补功能加以仿真，并使其达到最大化的功能体现与能源的最有效利用；另一方面，需要认识到这一系统的庞大、复杂性，并且对这一工作模式进行进一步的深入研究，并尽可能地结合实践工作进行不断的方案优化与流程改造，使其在专业化的发展方向上获得更好的完善与利用。

［1］胡晓青，程启明，白园飞，等.基于三环反馈解耦控制策略的储能元件在风光互补微网系统中的应用［J］.电力系统保护与控制，2013（13）:97-103.

［2］蔡国伟，孔令国，杨德友，等.大规模风光互补发电系统建模与运行特性研究［J］.电网技术，2012（1）:65-71.

［3］艾斌，杨洪兴，沈辉，等.风光互补发电系统的优化设计（Ⅰ）CAD设计方法［J］.太阳能学报，2003（4）:540-547.

［4］李少林，姚国兴.风光互补发电蓄电池超级电容器混合储能研究［J］.电力电子技术，2010（2）:12-14.

（编辑：苗运平）

Study on the Wind Solar Hybrid Power Generation System MPPT and the Control Strategy of Energy Storage

Wang Ning1，Chen Lei2，Feng Liangtao3
（1.Qinggong College，North China University of Science and Technology，Tangshan Hebei 063000；2.North China University of Science and Technology Graduate School，Tangshan Hebei 063000；3.State Grid North Hebei Electric Power Co.，Ltd.Tangshan Power Supply Company，Tangshan Hebei 063000）

This paper examines the scenery complementary power generation system MPPT and storage control strategies and related issues，analysis the scenery complementary common MMPT algorithm studied scenery complementary research on control strategy and Simulation of power system，subsystem.

wind and solar hybrid power generation system；MPPT；energy storage control

TM61

A

2095-0748（2016）13-0026-03

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.13.09

2016-05-30

河北省科技厅项目“基于风光互补发电并网系统储能控制研究”（15214511）。

王宁（1977—），女，河北唐山人，硕士研究生，毕业于河北理工大学，馆员，研究方向：控制工程中的网络集成技术。