自動化太陽能發(fā)電系統(tǒng)英文文獻(xiàn)翻譯

1、譯文在混合光伏陣列中采用滑模技術(shù)的電源控制發(fā)電系統(tǒng)摘要變結(jié)構(gòu)控制器來調(diào)節(jié)輸出功率的一個獨立的混合發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電，存儲電池組和一個變量的單相負(fù)載?？刂坡沙姓J(rèn)兩種操作模式。 第一條用在當(dāng)日曬度足夠滿足對電力的需求的情況下。第二運(yùn)作模式應(yīng)用在日曬度不足的時候。后者致使系統(tǒng)在最大功率操作點（MPOP）操作下存儲盡可能多的能量。根據(jù)IncCond算法開發(fā)的一種新方法?；？刂朴糜诩夹g(shù)設(shè)計的控制律。這些技術(shù)提供了一個簡單的控制律設(shè)計框架，并有助于它們自帶的魯棒性。最后，指導(dǎo)方針根據(jù)考慮為實際系統(tǒng)的設(shè)計。 1引言 可再生能源，如風(fēng)力和太陽能被認(rèn)為是非常前途的能源。它們擁有可以滿足不斷

2、增加的世界能源需求的特點。另一方面，他們是基于無公害轉(zhuǎn)換流程，它們需要的主要資源是取之不盡，用之不竭，并且免費(fèi)的。對于遠(yuǎn)程、遠(yuǎn)離電網(wǎng)的地方，它往往是比用輸電線路1 提供一個獨立的電力來源擁有可行性。在這些電網(wǎng)中，在混合動力系統(tǒng)結(jié)合模塊的基礎(chǔ)上，可再生能源發(fā)電以柴油為動力的備用發(fā)電機(jī)已考慮ERED等效為一個可行的選擇2, 3。然而，柴油發(fā)電機(jī)在孤立的燃料供應(yīng)和其運(yùn)作領(lǐng)域是相當(dāng)麻煩，相比較可再生能源，顯得不劃算4。為了取代柴油備用發(fā)電機(jī)，獨立的混合動力系統(tǒng)經(jīng)常采用結(jié)合可再生能源來源的TARY型材，如風(fēng)力和光伏發(fā)電，合適的存儲設(shè)備，如電池。自存儲成本仍然是一個重大的經(jīng)濟(jì)約束，通常光伏/風(fēng)能/電池系統(tǒng)

3、是用“適當(dāng)”的大小以減少資本成本。本文提出了一種控制策略，以規(guī)范的混合動力系統(tǒng)，包括光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電，蓄電池組和可變負(fù)載的輸出功率作為研究。控制可調(diào)整的光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電，以滿足負(fù)載和電池充電的電源要求。系統(tǒng)以在獨立控制下的最大發(fā)電的主要目標(biāo)。該控制器的設(shè)計開發(fā)，在之前的文獻(xiàn)5中提過。因此，根據(jù)不同的大氣條件，不同的光伏陣列控制律使用的范圍不同。第一條用在暴曬的地方，運(yùn)作模式足以提供的總功率需求，和風(fēng)力發(fā)電一起適用。另一條控制律是在曝曬度不足情況下跟蹤最大功率操作點（MPOP），使系統(tǒng)保持盡可能多的儲存的能量。跟蹤MPOP的方法是一個新的擴(kuò)展版本下的IncCond算法6。對于這兩種操作模式設(shè)

4、計控制律均使用滑模方法。這種技術(shù)很有吸引力，它簡化了設(shè)計任務(wù)，并使控制器具有魯棒性。此外，根據(jù)第二次的運(yùn)作模式，這種技術(shù)提供的MPOP收斂速度最快。2光伏電池的電氣特性光伏電池產(chǎn)生的瞬時電能取決于幾個電池參數(shù)和變量的環(huán)境條件，如日照和溫度。其電動行為可以用簡單的非線性電流源串聯(lián)與內(nèi)在電池串聯(lián)電阻( 為基礎(chǔ)。在這種模式下的電流源，可以通過下面表達(dá)式表示6-8：其中 是一個給定的曝曬下的電流， 是電池反向飽和電流， 和 分別是輸出電流和太陽能電池的電壓，q是電子電荷，K為波爾茲曼常數(shù)，T為電池的溫度。因子A看成理想的p-n結(jié)特性的電池偏差，值在的1到5之間6。此外，反向飽和電流( 和光照下( 取決

5、于日照和溫度：其中 是在參考溫度 下的反向飽和， 是在電池中所使用的半導(dǎo)體的帶隙能量， 是在參考溫度下日照電流， 短路電流溫度系數(shù)，為日照系數(shù)其單位是 。這些常量的典型值在附錄（第8篇）中。在圖1中，是一個特定的光伏電池的電氣特性。其中提出了把日照作為一個可變參數(shù)，并考慮兩個不同日照下的溫度值。圖2所示，可以觀察到的大氣條件下MPOP對系統(tǒng)的影響。在光伏電池陣列中，產(chǎn)生的電流表達(dá)式類似于eqn. 1：其中 代表并行模塊的數(shù)量，由 串聯(lián)的電池構(gòu)成。因此，由eqn.4可得簡單的陣列發(fā)電的表達(dá)式：從上述表達(dá)式得到，通過改變 值可最大限度地提高發(fā)電，它由暴曬和電池溫度而定。3系統(tǒng)建模光伏發(fā)電系統(tǒng)通常通

6、過固態(tài)轉(zhuǎn)換器連接負(fù)載。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)允許光伏發(fā)電系統(tǒng)調(diào)節(jié)其發(fā)電端電壓。此外，為減少電能供應(yīng)的概率，光伏陣列往往與其它發(fā)電系統(tǒng)（風(fēng)電，柴油等）或一些儲能系統(tǒng)（主要是電池）相結(jié)合。通過這種方式，系統(tǒng)可以應(yīng)付變化莫測的天氣條件，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性4?；旌习l(fā)電系統(tǒng)拓?fù)涞牟煌Q于它涉及的模塊和系統(tǒng)的主要意圖。根據(jù)本文考慮結(jié)構(gòu)如圖3。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由蓄電池組確定直流母線電壓。光伏陣列通過DC/DC降壓轉(zhuǎn)換器連接。在另一側(cè)，直流母線通過高壓變頻器連接到負(fù)載。負(fù)載將直流側(cè)電流作為輸出電流 。最后，電流 表示風(fēng)力發(fā)電模塊，但在一般情況下，在混合動力系統(tǒng)中它要考慮到許多其他的綜合效應(yīng)來源?；旌蟿恿ο到y(tǒng)的動態(tài)模型可以通

7、過瞬時切換模式的DC / DC降壓轉(zhuǎn)換器建立，以下是描述方程：(6b其中 和 ，是DC / DC轉(zhuǎn)換器輸出端子的電壓和電流，u是開關(guān)控制信號，它只能采取離散值0（開關(guān)打開）或1（開關(guān)閉合）。然后，考慮到電池組模型，包括一個理想的電壓源( ，電容器( 和電阻( 9，整個動態(tài)串聯(lián)系統(tǒng)模型可以寫成：(7b(7c其中 是 上的電壓， ， 和 是可測量的電流。應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)的是，這個模型是非線性的，u可表示為 ，f和g可表示為：4滑?？刂破鞯脑O(shè)計最初的模塊是為了控制所產(chǎn)生的功率滿足光伏陣列的瞬時能量在高度干擾的環(huán)境下的電力需求。這些干擾不僅有氣候的變化，也有負(fù)荷變化和電流 的變化?？偟碾娏π枨蟀ㄘ?fù)載和電池組

8、所需的功率?？紤]到有效的充電和電池組的最長壽命，將一個給定的電流稱為恒定電流。另一方面，電流需要保持完全充電狀態(tài)（自放電補(bǔ)償），稱為浮充電流。因此，電池電流 可看作恒定或浮充電流，根據(jù)電池組設(shè)定?？刂颇K有兩個操作模式。第一個是對應(yīng)環(huán)境條件允許下的足夠的光伏發(fā)電，用以滿足總功率需求。在此模式下，對光伏發(fā)電系統(tǒng)加以規(guī)范，以匹配參考值：第二個操作模式應(yīng)用在當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是無法產(chǎn)生足夠的電力滿足 。備在這種情況下控制律要用 MPOP來推進(jìn)太陽能系統(tǒng)。圖4中是一個光伏陣列中特殊的 曲線。此圖描繪時考慮到了系統(tǒng)的平均模型。因此，曲線 A和B是 不同情況下的圖形。在模型下右側(cè)操作光伏陣列特性（B點）更適合

9、點，因為它允許更廣泛的功率調(diào)節(jié)范圍。另一方面，操作上左側(cè)（A點）的規(guī)定能量下限，因為 不能比 小。最后，在最大發(fā)電的曲線上，C點代表MPOP。在C上注明增量和瞬時陣列的電導(dǎo)具有相同的絕對值和不同的標(biāo)記是很重要的。這點來自于：考慮一個理想的DC / DC變換器，決定一種工作模式或其他方式可與 (eqn. 9進(jìn)行比較，陣列可以根據(jù)MPOP建立。以能用下式表示其中eqn.11中的左側(cè)操作可以通過 乘以eqn. 10中電流得到?；？刂萍夹g(shù)常用來設(shè)計控制律。這種技術(shù)很有吸引力，它允許一個簡單的控制律設(shè)計并且有助于系統(tǒng)的魯棒性。此外，值得一提的是在真正的滑模中開關(guān)時間延遲和動態(tài)生成非衰減振蕩元件有限振幅

10、和頻率的存在，對系統(tǒng)有很大影響。通常，在滑動模式的應(yīng)用程序這是一個不良的副作用。然而，在這種特殊情況下，其內(nèi)在影響是有用的，因為它提供所需的擾動實施MPOP跟蹤方法。4.1第一個操作模式：充足的發(fā)電條件這種運(yùn)作模式下的暴曬條件和電池溫度都足以滿足 .。要實現(xiàn)滑模這一目表要用到電池組的電流即：為了建立滑模模型要滿足10中所提條件。因此，滑模需要滿足eqn.12中的條件：這始終是消極的。然后，為了實現(xiàn)滑動存在的條件10，切換的控制信號必須是：等效控制 是連續(xù)控制信號用來保持表面的不變性，得到即然后，把eqn. 16代入 eqn. 7，理想的滑模動態(tài)可得：Eqn. 17a繪制在圖5。由此可以看出，有

11、兩個平衡點的光伏陣列可以提供所需的電流。 B點是穩(wěn)定的，顯然是所需的操作點。另一方面A點明顯不穩(wěn)定，在這種操作模式下系統(tǒng)永久運(yùn)行。然而，最終的控制策略不會允許一個是一個有效的操作點（4.3節(jié)中給出更多的細(xì)節(jié)）?？梢灾赋龅氖?，eqn.17b代表非最小相位行為。這種行為的物理意義是很清楚的：它代表了電池組能源再利用。4.2第二種運(yùn)作模式：發(fā)電條件不足不足發(fā)電條件下必須改變操作單元陣列最大功率點的控制目標(biāo)。 MPOP依賴大氣條件所以它必須跟蹤。已有文獻(xiàn)報道用不同的技術(shù)來實現(xiàn)這一目標(biāo)。其中有些是基于測量大氣條件8，其他方法有用改變陣列配置11，以及其他基于算法不斷調(diào)整光伏陣列的有效載荷6，7，12。所

12、有這些方法當(dāng)中，相比最成功的為MPOP跟蹤的，因為它們不受特定的大氣條件或?qū)嶋H負(fù)載影響6。這些算法，通常被稱為擾動與觀察（PO）算法，通過工作點的離散轉(zhuǎn)變生產(chǎn)和檢測結(jié)果的光伏輸出功率變化。如果輸出功率的增加，轉(zhuǎn)變將在同一方向，反之則反。自適應(yīng)可以包含在這些算法中，一旦MPOP已達(dá)到13它可以減少收斂時間和擾動過程中的功率損耗減少。PO算法的主要缺點是，他們無法應(yīng)付快速變化的大氣條件，因為他們無法在擾動的大氣條件區(qū)分輸出功率的變化。為了克服這個問題，在6中提出一種不同的方法，稱為IncCond。增量和瞬時電導(dǎo)測量要依據(jù)eqn.10的基礎(chǔ)上。但是，報告中的算法保持一個固定步實施，最終可能限制對MP

13、OP的收斂速度。對于這種操作模式，IncCond方法滑?？刂圃诎l(fā)電條件不足的下的設(shè)計要滿足eqn.10：然后，基于滑動面的考慮，可以看出，橫截條件根據(jù)MPOP實行：因此，要實現(xiàn)滑動的存在條件，切換的控制信號必須是：在這種情況下，相當(dāng)于控制假設(shè)下面的表達(dá)式：(22bEqn. 22a清楚地顯示了一個穩(wěn)定的平衡點。注意到根據(jù)標(biāo)志 ，eqn.22b表示穩(wěn)定或不穩(wěn)定的動態(tài)。在第一種情況，當(dāng) 的標(biāo)志是負(fù)的，穩(wěn)定的動力學(xué)特征代表電池組的放電。反之，當(dāng)其標(biāo)志是正的，這個公式代表非最小相位相同的（行為在上一節(jié)分析）。唯一不同的是，在這種情況下，電池組充電通過 改變而不是 。  在整個模式建立中，控制律

14、將開關(guān)固定在一個位置（打開或關(guān)閉）。這樣，MPOP對收斂速度的影響取決于三個因素，即轉(zhuǎn)換器的活性元素，大氣條件和負(fù)載的大小。因此，IncCond方法滑模技術(shù)提出對MPOP進(jìn)行最快的速度收斂這一概念。一旦系統(tǒng)達(dá)到滑動流形切換控制律就可以使系統(tǒng)保持在滑動面上。然而， 考慮到IGBT的有限開關(guān)頻率，系統(tǒng)代表了典型的抖振系統(tǒng)。MPOP周圍的振蕩行為，一方面是由于不同的大氣條件在不變或緩慢的情況下有功率損耗，但另一方面，它有利于增量電導(dǎo)的測量。在4.4節(jié)給出了關(guān)于此方面的指導(dǎo)方針。4.3綜合控制法真正的最終控制法包括兩種操作模式，可以通過下面的表達(dá)式表達(dá)：當(dāng)大氣條件足以滿足要求的能量，提出的控制律，分別

15、建立兩區(qū)的第一和第二操作模式。要確定每種模式的域，如圖6所示，光伏陣列和控制器所產(chǎn)生的電力 ，能量表達(dá)式為( 。從這個圖表中可以直接看到，第一種模式只能運(yùn)用在系統(tǒng)運(yùn)作上的右操作點S，反之則反。因此，該控制策略用于消除不穩(wěn)定的平衡點，根據(jù)第一種模式的域迫使系統(tǒng)運(yùn)作所需的B點。應(yīng)當(dāng)指出的是在第二種模式下，A點不是系統(tǒng)的平衡點。4.4 L和C設(shè)計基礎(chǔ)上的考慮在實際應(yīng)用中的開關(guān)設(shè)備有開關(guān)頻率的上限。這非理想滑動制模型有約束，即條件h = 0不能完成系統(tǒng)的發(fā)展，在滑動面附近需要跨越兩個方向。這種典型的行為被稱為振動，圖7是固定開關(guān)頻率實現(xiàn)。從這個圖表得到振動模塊的可寫為14：其中 代表施加控制信號記作

16、， 是一個給定的開關(guān)器件的開關(guān)周期， 是系統(tǒng)在此期間的增益。經(jīng)過直觀的操作，eqn.24可以寫成：需要注意的是 有兩種不同的取值， 。但前提是eqns.25和26右端的參數(shù)最高值是已知的， L和C的值可以調(diào)節(jié)以確?；瑒用嫔系牡确袷?。eqn.25日提出了光伏陣列端電壓的線性關(guān)系。從eqn.4可得，此電壓最高值影響函數(shù)的日照和溫度：在圖8中eqn.28的右端被描繪為兩種可能的控制 信號值 ,可以看出它對日照和溫度的影響?？梢缘贸?，當(dāng)采取最大的日照和運(yùn)作的最低溫度 最大。然后，可以改變eqn. 28中L的值，得到一些參數(shù)值和給定值 。由此得出的L的值能確保振幅值比 點和任何大氣條件的 低。類似的情

17、況確定C的值，以確保在 點振幅值比 低。圖9顯示了eqn.26等式右邊兩種可能的控制信號值下的日照和溫度?？梢钥闯觯畲蟮娜照蘸蜏囟认驴刂菩盘柅@得最大 。因此，從eqn.26得到 的聯(lián)系，C值可以直接確定。5仿真結(jié)果    計算機(jī)仿真是在一個固定的開關(guān)頻率測試控制器的性能。通過下列兩個例子的檢驗控制功能。在模擬中使用的參數(shù)值在附錄中（第9）。5.1示例A為了使該控制器的一些鮮明的特點清晰可見，在這個例子中所要求的功率是作為一個變量的階梯序列，假定天氣條件常數(shù)（= 80 T= T= 53°C）。在圖10中所要求的能量是光伏陣列和光伏發(fā)電的最大功率。圖fig

18、s.11和12描繪左右滑動流形 和 的運(yùn)動狀態(tài)。由圖11可得如何在足夠的時間（0 -0.016s）和（0.04-0.056s）里控制調(diào)節(jié)DC / DC變換器的輸出功率和輸出功率的變化。 和 分別繪制在Figs.13和14中。振蕩圖形中觀察到的數(shù)字與在圖7中的相似，由固定的開關(guān)頻率實現(xiàn)。圖12顯示了如何控制不充足時間內(nèi)迅速推動MPOP對光伏陣列的作用。搭建的模型維持在一個固定的位置保證打開或關(guān)閉開關(guān)收斂速度最快。圖15可以觀察到這種現(xiàn)象其中u是已知的。在模型中可以觀察到，圖10中電容C減少一部分光伏終端電壓（圖14）。一旦MPOP控制保持系統(tǒng)在滑動面 上，就不管所要求的功率的變化。此操作在Figs.13和14中可觀察到。5.2示例B在這個例子中在考慮所有系統(tǒng)操作的實際情況下對控制策略進(jìn)行評價。 figs.16-2 0是環(huán)境條件下描繪的的時間序列。Figs.16和17是光伏陣列的溫度和日照條件。另一方面，F(xiàn)igs.18和19分別描繪風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電流( 的直流母線的負(fù)載電流( 。所有這些變量確定一個時間序列的可再生能源最大功率和其他相應(yīng)要求的總功率。這些序列有兩個明顯的階段：一個是足夠的條件，滿足所要求的能量（0-190s），另一種是不足的條件下（190-360s