風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制方案研究

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制方案研究

0最大功率跟蹤控制方案充分利用景觀互補(bǔ)發(fā)電，減少可能導(dǎo)致的電氣供應(yīng)不足或不平衡，提高系統(tǒng)的抗辯能力和供電可靠性。應(yīng)用多目標(biāo)規(guī)劃、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制和遺傳算法等優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,以滿足負(fù)載用電能力為前提和系統(tǒng)投資費(fèi)用為優(yōu)化目標(biāo)的系統(tǒng)配置方案已經(jīng)得到了研究。目前針對(duì)風(fēng)能和太陽(yáng)能資源利用的最大功率跟蹤控制(MPPT)研究較多,已提出擾動(dòng)觀測(cè)法、增量導(dǎo)納法等多種控制策略。另一方面,風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的合理運(yùn)行對(duì)提高系統(tǒng)供電的連續(xù)性、穩(wěn)定性和可靠性非常重要。目前風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)中一般以鉛酸蓄電池作為儲(chǔ)能裝置,但蓄電池存在循環(huán)壽命短、嚴(yán)格的充放電電流限制、環(huán)境問(wèn)題等一些難以克服的缺點(diǎn)以及風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)工作環(huán)境和工作過(guò)程的特殊性,導(dǎo)致了蓄電池過(guò)早失效或容量損失,進(jìn)一步加大了風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的成本。針對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行工況的復(fù)雜性,只有對(duì)系統(tǒng)中各部分能量協(xié)調(diào)調(diào)度才能發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)。本文通過(guò)對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)能量流動(dòng)關(guān)系進(jìn)行分析,深入了解系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律,建立合理的能量流動(dòng)控制方法,以提高系統(tǒng)整體效率及實(shí)現(xiàn)可靠運(yùn)行。1發(fā)電機(jī)采用dc/dc變換器和不可控整流橋風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)由小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽(yáng)電池、蓄電池組、逆變器和控制器等部分組成(如圖1)。風(fēng)力發(fā)電部分采用定槳距尾翼側(cè)偏調(diào)節(jié)式風(fēng)力機(jī)直接耦合永磁發(fā)電機(jī),電力電子接口采用不可控整流橋和DC/DC變換器結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)功率變換及調(diào)節(jié),整個(gè)系統(tǒng)不使用測(cè)風(fēng)速裝置,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速根據(jù)輸出交流電壓的頻率與轉(zhuǎn)速之間對(duì)應(yīng)關(guān)系測(cè)量,從而簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、降低成本、提高運(yùn)行可靠性。光伏發(fā)電部分也采用DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)功率變換與調(diào)節(jié)。光伏發(fā)電子系統(tǒng)與風(fēng)力發(fā)電子系統(tǒng)經(jīng)直流母線并聯(lián)運(yùn)行向負(fù)載及蓄電池供電,DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)了兩種不同能源發(fā)電的解耦,即,光伏發(fā)電子系統(tǒng)與風(fēng)力發(fā)電子系統(tǒng)可以同時(shí)或單獨(dú)向負(fù)載供電。2光伏發(fā)電系統(tǒng)模型按照氣象條件的變化,風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)主要有風(fēng)電系統(tǒng)與光伏系統(tǒng)聯(lián)合工作、風(fēng)電系統(tǒng)單獨(dú)工作、光伏系統(tǒng)單獨(dú)工作以及蓄電池單獨(dú)工作4種運(yùn)行模式。同時(shí)由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率PW、光伏電池輸出功率Ps、負(fù)載消耗功率PL和蓄電池可以接受的充電功率PB之間關(guān)系隨機(jī)變化,每種工作模式下又存在若干種不同的工作狀態(tài)。表1給出了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。隨著氣象條件和負(fù)載的不斷變化,上述工作模式或工作狀態(tài)之間相互轉(zhuǎn)換?？刂破鲗?duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽(yáng)電池陣列、蓄電池及用電負(fù)載的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并根據(jù)蓄電池的荷電狀態(tài)和用電負(fù)載的情況,對(duì)蓄電池的充、放電狀態(tài)及風(fēng)力發(fā)電機(jī)及光伏電池陣列的發(fā)電狀態(tài)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。協(xié)調(diào)控制方案主要包含最大功率跟蹤控制、負(fù)載跟蹤控制、蓄電池充放電控制及發(fā)電機(jī)超速保護(hù)等控制策略。3電力控制戰(zhàn)略3.1基于負(fù)載跟蹤控制的機(jī)組轉(zhuǎn)速限制根據(jù)風(fēng)能及負(fù)載變化情況,風(fēng)電系統(tǒng)主要包括最大功率跟蹤控制、負(fù)載功率跟蹤控制和超速保護(hù)3種控制方式。為了提高系統(tǒng)在蓄電池組沒(méi)有充滿時(shí)的運(yùn)行效率,在額定風(fēng)速以下,本文采用最佳功率給定法進(jìn)行最大功率跟蹤控制。該方法假定系統(tǒng)始終運(yùn)行在最佳葉尖速比,根據(jù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速推測(cè)風(fēng)力機(jī)最大輸出功率,將該推測(cè)功率作為發(fā)電機(jī)功率的給定,調(diào)節(jié)DC/DC變換器的占空比進(jìn)行阻抗變換,實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。當(dāng)風(fēng)力機(jī)輸出能量多于負(fù)載及蓄電池吸收的能量時(shí),采用負(fù)載跟蹤控制模式調(diào)節(jié)系統(tǒng)功率輸出。使得風(fēng)力機(jī)葉尖速比偏離最佳值,風(fēng)能利用系數(shù)降低,保證發(fā)電機(jī)輸出功率與負(fù)載消耗功率及充入蓄電池功率之和相平衡。為了防止在大風(fēng)及負(fù)載輕時(shí)機(jī)組超速,本文采用耗能負(fù)載卸荷和機(jī)械折尾翼限速相互結(jié)合的辦法進(jìn)行限速。當(dāng)風(fēng)速超過(guò)限定值時(shí),風(fēng)力機(jī)尾翼側(cè)偏,這時(shí)系統(tǒng)將有效利用風(fēng)速作為跟蹤風(fēng)速,從而降低能量的捕獲。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速高于所設(shè)定的保護(hù)值時(shí),系統(tǒng)逐級(jí)接入耗能負(fù)載,限制轉(zhuǎn)速上升。3.2u3000蓄電池負(fù)載功率跟蹤控制根據(jù)負(fù)載和光照條件,光伏系統(tǒng)可以運(yùn)行在最大功率跟蹤控制和負(fù)載跟蹤控制兩種方式。本文采用擾動(dòng)觀察法進(jìn)行最大功率跟蹤控制。雖然擾動(dòng)觀察法存在系統(tǒng)工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)兩側(cè)振蕩現(xiàn)象,造成一定的功率損失,但具有簡(jiǎn)單可靠、容易實(shí)現(xiàn)特點(diǎn),得到廣泛應(yīng)用。這里應(yīng)用DC/DC變換器調(diào)節(jié)光伏陣列的輸出功率?？刂破鬟x擇初始占空比作為參考值,并測(cè)量對(duì)應(yīng)的輸出功率。然后在參考占空比上增加小擾動(dòng)信號(hào),同時(shí)檢測(cè)輸出功率的變化,根據(jù)功率變化方向決定下一步的擾動(dòng)方向,如果本次調(diào)節(jié)導(dǎo)致輸出功率增加,下次擾動(dòng)方向不變,否則改變擾動(dòng)方向。這個(gè)過(guò)程重復(fù)進(jìn)行直到系統(tǒng)最終抵達(dá)最大功率點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)負(fù)載功率跟蹤控制,通過(guò)計(jì)算負(fù)載電流與蓄電池最大可接受電流之和,并結(jié)合母線電壓值(也是蓄電池端電壓),計(jì)算負(fù)載和蓄電池需求功率。然后將此值作為光伏陣列輸出功率的設(shè)定值,利用PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)DC/DC變換器的占空比實(shí)現(xiàn)功率平衡。3.3放電控制策略鉛酸蓄電池的耐過(guò)充電、過(guò)放電能力較差,過(guò)充電和過(guò)放電現(xiàn)象都會(huì)影響蓄電池的容量和使用壽命。為此本文采用變電流快速充電法對(duì)蓄電池進(jìn)行充電控制,盡可能在短時(shí)間內(nèi)快速恢復(fù)蓄電池放出的能量,同時(shí)防止過(guò)充電發(fā)生。在開(kāi)始充電階段,利用蓄電池能夠接受的最大允許充電電流進(jìn)行加速充電。當(dāng)端電壓達(dá)到設(shè)定值時(shí)表明蓄電池發(fā)生極化現(xiàn)象,故需降低最大允許充電電流。這一過(guò)程重復(fù)進(jìn)行,直到充電電流減小到最小設(shè)定值時(shí)表明蓄電池的容量已經(jīng)恢復(fù)到100%,然后涓流充電以補(bǔ)充蓄電池的自放電損失。蓄電池放電控制采用回差電壓控制法。當(dāng)蓄電池端電壓降低到過(guò)放保護(hù)電壓時(shí),切斷負(fù)載供電回路。只有端電壓再次上升到啟動(dòng)電壓時(shí)才允許重新放電。4模擬模型4.1[屋頂電池模型]采用太陽(yáng)電池生產(chǎn)廠家提供的參數(shù)來(lái)建立滿足工程要求的光伏電池模型,光伏電池電流和電壓關(guān)系為:4.2發(fā)電機(jī)輸入轉(zhuǎn)速受考風(fēng)力機(jī)模擬根據(jù)風(fēng)速和風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速,計(jì)算風(fēng)力機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩,然后將該轉(zhuǎn)矩作為發(fā)電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)矩。風(fēng)能利用系數(shù)與葉尖速比關(guān)系曲線用查表法實(shí)現(xiàn)。按照發(fā)電機(jī)慣例,在轉(zhuǎn)子參考坐標(biāo)系下建立永磁同步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型為:4.3開(kāi)口電壓函數(shù)鉛酸蓄電池?cái)?shù)學(xué)模型用電壓、電流與荷電態(tài)之間關(guān)系描述。端電壓等于開(kāi)路電壓和蓄電池內(nèi)阻上電壓降,開(kāi)路電壓是荷電態(tài)的函數(shù)。蓄電池充放電電流在充電時(shí)為正,放電時(shí)為負(fù),b,r1,r2,r3和r4是經(jīng)驗(yàn)常數(shù),通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得。5蓄電池充放電特性在MATLAB/Simulink/Powersystem下建立如圖2所示仿真電路。其中風(fēng)電子系統(tǒng)額定功率為1kW;光伏子系統(tǒng)功率為500W,用2塊250W多晶硅太陽(yáng)能電池并聯(lián)組成;蓄電池組容量為24V,600Ah,由6塊12V,200Ah蓄電池串、并聯(lián)組成。用Buck變換器進(jìn)行功率調(diào)節(jié),逆變器用等效電阻代替。蓄電池以額定容量C的比例作為充放電速率單位,按照鉛酸蓄電池特性,最大允許充電電流設(shè)定為C/10～C/20,最小充電電流設(shè)定為C/100,涓流充電電流設(shè)定為0.2A。單塊蓄電池充電時(shí)變電流切換點(diǎn)端電壓設(shè)定值為13.5V,放電終止電壓設(shè)定為10.8V。仿真參數(shù)見(jiàn)附錄。從風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的能量流動(dòng)關(guān)系可知,控制器根據(jù)天氣和負(fù)載變化切換工作狀態(tài),而系統(tǒng)工作狀態(tài)的切換復(fù)雜多變,下面主要對(duì)具有代表性的最大功率跟蹤控制、負(fù)載功率跟蹤控制和運(yùn)行保護(hù)控制進(jìn)行仿真研究。5.1最大功率跟蹤控制圖3是系統(tǒng)運(yùn)行在最大功率跟蹤控制狀態(tài)時(shí)的結(jié)果?？梢钥闯?光伏陣列輸出功率與日照強(qiáng)度變化趨勢(shì)一致,風(fēng)電子系統(tǒng)輸出功率也跟隨風(fēng)速的變化,表明光伏子系統(tǒng)和風(fēng)電子系統(tǒng)同時(shí)處于最大功率跟蹤控制狀態(tài);同時(shí),系統(tǒng)輸出功率優(yōu)先保證負(fù)載用電需求,6s之前,負(fù)載電流較小,剩余能量對(duì)蓄電池充電;6s之后,較大用電負(fù)荷接入系統(tǒng),此時(shí)兩子系統(tǒng)輸出的最大功率之和滿足不了負(fù)載需求,蓄電池電流由正變負(fù),從充電狀態(tài)轉(zhuǎn)換到放電狀態(tài)來(lái)補(bǔ)充不足部分能量,表明系統(tǒng)能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)能量平衡。5.2光伏陣列功率跟蹤控制根據(jù)負(fù)載功率的大小,光伏子系統(tǒng)和風(fēng)電子系統(tǒng)均可以處于負(fù)載功率跟蹤控制狀態(tài)。為了提高光伏陣列的利用率,在系統(tǒng)發(fā)生過(guò)功率時(shí),首先調(diào)節(jié)風(fēng)電子系統(tǒng)進(jìn)行負(fù)載功率跟蹤控制。圖4是風(fēng)電系統(tǒng)處在負(fù)載功率跟蹤控制狀態(tài)時(shí)的仿真結(jié)果。圖中,光伏陣列輸出功率與日照強(qiáng)度變化趨勢(shì)一致,表明光伏子系統(tǒng)始終處于最大功率跟蹤控制狀態(tài);而在風(fēng)速和負(fù)載變化過(guò)程中,控制器實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)輸出功率滿足負(fù)載和蓄電池的動(dòng)態(tài)要求,風(fēng)能利用系數(shù)變化明顯,蓄電池以較大電流進(jìn)行充電而不超過(guò)最大允許范圍。在過(guò)功率狀態(tài)時(shí),如果風(fēng)電系統(tǒng)進(jìn)行負(fù)載跟蹤輸出功率較小時(shí),風(fēng)電系統(tǒng)將被切除,此時(shí)光伏子系統(tǒng)進(jìn)行負(fù)載功率跟蹤控制,如圖5所示。從圖中可以看出,在5s時(shí),雖然日照強(qiáng)度有所增加,但負(fù)載和蓄電池需求不變,光伏陣列輸出功率也不變,表明光伏陣列根據(jù)負(fù)載需求發(fā)出所需功率。在光強(qiáng)和負(fù)載變化過(guò)程中,光伏子系統(tǒng)始終進(jìn)行負(fù)載功率跟蹤控制,而且蓄電池的充電電流始終被限制在允許的最大充電電流范圍內(nèi),從而有效防止過(guò)充電現(xiàn)象發(fā)生,達(dá)到延長(zhǎng)蓄電池壽命目的。5.3能耗負(fù)載檢測(cè)圖6是系統(tǒng)處于限速運(yùn)行時(shí)的結(jié)果。當(dāng)風(fēng)電系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到限定值時(shí),逐級(jí)切入耗能負(fù)載進(jìn)行卸荷限速,對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)風(fēng)力機(jī)尾翼折尾,從而作用在風(fēng)力機(jī)上的有效利用風(fēng)速為實(shí)際風(fēng)速在風(fēng)力機(jī)軸心方向的分量,葉尖速比偏離最佳值,風(fēng)能利用系數(shù)降低,降低能量的捕獲。6系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制方案風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用前景,為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化及可靠運(yùn)行,本文分析了系統(tǒng)能量流動(dòng)及運(yùn)行特性,歸納總結(jié)出系統(tǒng)的運(yùn)行模式和工作狀態(tài),提出了一種包括最大