智能型高效风光互补控制器的研究第三章.docx

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智能型高效风光互补控制器的研究第三章

第三章智能型风光互补发电系统的控制策略

3.1风力发电部分的控制策略

3.1.1风力发电系统的最佳运行原理

由第二章中的第2.1.2小节分析可知，风力机不可能百分之百的将风能转化成机械能，风力机从自然界中获取的风能是有限的，风力机单位时间内风轮捕获的风能是

，

为实际风能利用系数，根据贝茨理论可知

。

实际风能利用系数

与叶尖速比

有关，

与

的关系曲线如图2.2所示。

从图2.2中可以看出，存在唯一一个最佳叶尖速比值

使得风力机实际风能利用系数达到最大值

。

最佳叶尖速比典型值有取

，与其对应最大风能利用系数典型值取

。

自然界中风具有不平衡性和随机性，且风速也是处于不断变化之中，使得

难以运行在最大点上，造成风力机运行效率低下，为匹配最佳功率

，须在风速变化时及时实现风机角速度

的调整，确保风力发电机运行在最佳叶尖速比

附近，实现最大程度地利用风能，这就是风力发电系统中的最大功率点跟踪控制[30]。

3.1.2风力发电中最大功率点跟踪控制

风力发电机最大功率跟踪方法可以分为三类：

风速自动跟踪控制、风机转速反馈控制、功率扰动控制[30][31][32]。

1.风速自动跟踪控制

该类控制原理简单，如图3.1所示：

首先，需要测出风速，通过风机负载功率曲线获得给定功率

；其次，由功率观测器获得风机输出电流，将其与风机输出电压相乘得到风机输出功率

；最后，将

与

相减得功率误差

，经PI调节得风机可控参数值，实现对风机电流的调节，从而达到风机输出功率调节[13]。

图3.1风速自动跟踪控制方案图

该控制方法简单，能使风力机运行在最大功率点。

但是本方案的实现主要困难在于风机测速装置难以准确测出准确的风速信号，而且还需要事先知道准确的风力机功率特性。

2.风机转速反馈控制

该控制方法是建立在前一种方法基础上的，不同之处在于给定功率

的获取方法，如图3.2所示[13]。

给定功率

是由其与风能利用系数

、空气质量密度

、发电机转速

三者之间的函数关系式得到。

图3.2风机转速反馈控制方案图

与第一种方法相比，该方法与其在本质上区别不大，但不需测风速装置和不必准确知道风机特性曲线，而且能工作在最佳功率负载特性曲线附近，系统结构更简单，更可靠。

3.功率扰动控制

在某一风机转速下，风机输出功率对应一个最大值，此点即是最大功率点。

功率扰动控制策略的思想就是搜索这个最大功率点。

图3.3为风机输出功率与转速关系曲线。

当系统稳态时，给系统施加扰动，扰动会引起输出功率变化。

若该变化量大于零，则在系统趋于稳态时，加上与前次同符号的扰动，直到输出功率变化量开始小于零才改变下一次扰动的符号，不断重复此过程，风机工作点将沿功率曲线移动到最大值附近，并保持一定的波动。

在施加扰动时，如果扰动时间间隔取太小，该控制方案的调节时间就会较长，如果扰动时间间隔取太大，虽然调节时间会缩短，但控制精度会降低，一般采用折中方法取合适的时间间隔。

图3.3风机的功率输出曲线

本文考虑采用转速反馈控制方案，其思想是：

当风力机转速达到发电机发电运行要求时，启动对蓄电池进行充电。

同时测定发电机发出的电压，将其与设定的安全电压比较，如高于安全电压则通过串联在其中的功率开关管调节功率；若蓄电池充满或大风时则需启动卸荷电路进行卸荷，以保障设备安全。

3.2光伏发电系统中的最大功率点跟踪

3.2.1MPPT控制策略的原理

最大功率点跟踪控制策略是实时检测光伏阵列的输出功率，采用一定的控制算法预测当前工况下阵列可能的最大功率输出，通过改变当前的阻抗情况来满足最大功率输出的要求。

图3.4是光伏阵列带不同负载时的工作示意图，曲线1和曲线2为两种不同光照强度下光伏阵列的输出特性曲线，

点和

点分别为对应的最大功率点，并假定某一时刻系统运行在

点。

当光照强度发生变化，即光伏阵列的输出特性曲线1上升为曲线2。

此时如果保持负载1不变，系统将运行在

点，这样就偏离了相应光照强度下的最大功率点。

为了继续跟踪最大功率点，应将系统的负载特性由负载1变化至负载2，以保证系统运行在新的最大功率点

。

同理，如果光照强度变化使得光伏阵列的输出特性由曲线2减至曲线1，则相应的工作点由

点变化到

点，应当相应的调整负载2至负载1以保证系统在光照强度减小的情况下仍然运行在最大功率点

。

所以如果要采用MPPT控制策略，就必须在太阳能电池阵列和负载之间接入一个控制器。

该控制器可以根据某一策略控制从太阳能电池获得的电流，也就能够控制太阳能电池的等效负载，实现最大功率点的跟踪[22]。

图3.4MPPT控制策略分析示意图

3.2.2光伏电池最大功率点跟踪控制方法

常用的最大功率点跟踪控制方法有恒定电压法（CVT：

ConstantVoltageTracking）、扰动观察法（P＆O：

PerturbandObservemethods）、增量电导法（Incrementalconductancealgorithm）。

恒定电压法其实并不是一种真正的最大功率点跟踪方式，而是属于一种曲线拟合方式，需预先测得光伏阵列的输出特性，且只能应用在特定的光照强度和负载条件下，存在很大的局限性。

扰动观察法是一个迭代过程，事先无需知道光伏阵列的输出特性，因此该方法是一种普遍使用的方法，本文即采用此方法，其缺点是由于扰动的介入，系统工作点难以稳定在最大功率点上。

增量电导法理论上比扰动观察法要好，但是其算法复杂，并且在用数字方法实现时，对最大功率点的判别容易出现误差，其实现需要借助数字信号处理器或微处理器，实现起来比较困难，从而增加了整个系统的复杂性及费用[33][34][35]。

（1）恒定电压法

太阳能电池是一种非线性电源，其输出特性可以视为由恒定电流区域和恒定电压区域组成，这两块区域的交接点即为最大功率点。

在不同的光照强度下，光伏阵列都会存在一个最大功率点。

在太阳能电池的伏安特性曲线中，不同光照时的光伏阵列最大功率点位置基本上都位于某个恒定电压

的垂直线附近，尤其是当光照比较强时最大功率点距离垂直线

更近。

在工程上允许把最大功率点出现的轨迹近似处理为一根电压垂直线

，这就是恒定电压法的原理[22]。

恒定电压法原理图如图3.5所示，光伏阵列在不同光照强度下的最大功率输出点A、B、C、D总是近似在某一个恒定的电压值

附近。

假如曲线L为负载特性曲线，a、b、c、d为相应光照强度下直接匹配时工作点。

显然，如果直接匹配，光伏阵列的输出功率比较小。

采用采用恒定电压控制策略可以弥补阻抗失配造成的功率损失，在光伏阵列和负载之间通过一定的阻抗变换，使得系统成为一个稳压器，即光伏阵列的工作点总是稳定在

附近，就可以保证光伏阵列始终具有在当前光照下的最大功率输出。

图3.5恒定电压法原理图

（2）扰动观察法

扰动观察法是目前实现最大功率跟踪控制常用方法之一。

其工作原理是每隔一定的时间间隔施加一个扰动，通过观测扰动后的功率变化方向来决定下一步的控制信号。

在每个控制周期采用较小的步长改变光伏阵列的输出，改变的步长是一定的，改变方向可以是增加也可以是减小，控制对象可以是光伏阵列的输出电压或电流；然后，通过比较干扰周期前后光伏阵列的输出功率，如果输出功率增加，那么继续按照上一周期的方向继续扰动过程，如果检测到输出功率减小，则改变扰动的方向。

这样，光伏阵列的实际工作点就能逐渐接近当前最大功率点，最终在其附近的一个较小范围内往复达到稳态。

如果采用较大的步长进行扰动，这种跟踪算法可以获得较快的跟踪速度，但达到稳态后的精度相对较差，较小的步长则正好相反。

较好的折中方案是根据光伏阵列当前的工作点选择合适的步长。

常用的扰动观察法算法流程图如图3.6所示。

扰动观察法的本质就是光伏功率的计算和采样电压、电流的计算功率的变化，比较前一个和当前电压值来检测功率变化信号，计算出PWM占空比的控制信号。

图3-6中的V（k）和I（k）是新测量的值，根据这两个新测量的值来计算功率P（k）=V（k）*I（k），将其与（k-1）点的功率值P（k-1）相比较，判断功率的变化，根据功率变化决定下一步的变化方向。

如果功率增加，在搜索方向不变，沿原方向继续搜索；如果功率值减小，搜索方向相反，改变方向，朝相反的方向搜索。

搜索方向由P（k）是否大于P（k-1）决定。

△D为占空比间隔，决定功率变化的步长。

如果步长值较大，则系统响应较快，但是不准确，相反，如果步长值较小，则系统反应慢，但是相对比较准确。

通过对占空比D的不断调整，系统最终可以搜索到最大功率点。

图3.6扰动观察法算法流程图

（3）增量电导法

增量电导法也是光伏系统MPPT控制常用的算法之一。

由于光伏阵列的P-V特性曲线是一条一阶连续可导的单峰曲线，存在唯一的最大功率点，在该最大功率点处斜率为零，所以有

（3-1）

（3-2）

式（3-2）为达到最大功率点的条件，即当输出电导的变化量等于输出电导的负值时，光伏阵列工作在最大功率点。

增量电导法实质是通过比较光伏阵列的电导增量和瞬时负电导的大小来参考电压的改变方向。

下面分三种情况分析：

①如果

，那么光伏阵列已经工作在最大功率点处，此时参考电压将保持不变；②如果

，那么光伏阵列工作在最大功率点左边，此时参考电压应该朝着增大的方向变化；③如果

，那么光伏阵列工作在最大功率点右边，此时参考电压应该朝着减小的方向变化。

电导增量法算法的流程图如图3.7所示。

图3.7增量电导法算法流程图

图3.7中，V（k）和I（k）为检测到的光伏阵列当前电压、电流值，V（k-1）和I（k-1）为上一周期的电压、电流采样值。

光伏阵列输出改变时存在两种情况：

①光伏阵列输出电压和电流关系在同一条特性曲线上变动，此时电压和电流均发生变化；②光伏阵列输出电压和电流关系变到另一条特性曲线上，光伏阵列输出电压（或电流）有可能不变而只是电流（或电压）发生变化。

因此首先用V（k）-V（k-1）来判断，若其值等于0，即dV=0，则表示光伏阵列输出特性不变或己经转移到另一条特性曲线上，此时，由于输出电压保持不变，故只需检测输出电流的变化就可以判断功率变化方向。

输出电流不变表示光伏阵列输出特性不变，此时保持占空比不变；输出电流增加表示光伏阵列工作点朝着最大功率点方向移动，此时，应该增加占空比使得输出电流进一步加大；否则，若输出电流降低则减小占空比。

当V（k）-V（k-1）不等于0，即dV不等于0时，则可以利用上面的三个条件来判断工作点落在最大功率点的左侧还是右侧，然后对占空比的值做相应的调整。

电导增量法同样需要对光伏阵列的电压、电流进行采样。

这种控制算法控制精确，响应速度比较快，适用于大气条件变化较快的场合。

但是对硬件的要求，特别是对传感器的精度要求比较高，系统各个部分响应速度都比较快，因而整个系统的硬件造价也会比较高。

如果不能采用高速处理器（DSP），它的优势并不能体现出来，在实际中应用的较少。

3.3蓄电池的充电控制

3.3.1蓄电池的充电方法

近年来阀控密封式铅酸（VRLA）蓄电池被广泛应用于风光互补发电系统中的储能，但在实际使用中，本来应工作10-15年的VRLA蓄电池，大都在3-5年内损坏，有的甚至仅使用不到1年便失效了，造成了极大的经济损失。

通过对损坏的VRLA蓄电池的统计分析得知：

因充放电控制不合理而造成的VRLA电池寿命终止的比例较高。

如VRLA蓄电池早期容量损失、不可逆硫酸盐化、热失控、电解液干涸等都与充放电控制的不合理有关[36]。

蓄电池充电控制方法的优劣，一方面影响会到蓄电池的荷电量的大小，另一方面关系到其使用寿命。

因此，对蓄电池充电控制方法的研究十分必要，目前对铅酸蓄电池的充电方法主要包括恒电流充电、恒电压充电、两阶段式充电、三阶段式充电等方法。

下面分别作简要说明。

（1）恒电流充电

恒电流充电是以一固定不变的电流给蓄电池充电，在充电过程中随着蓄电池端电压的变化要对充电电流进行调整使其恒定。

该方法适合对串联的蓄电池组充电，可以使落后的蓄电池的容量得到恢复，适合蓄电池长时间小电流充电。

恒电流充电方式的充电电压和电流曲线如图3-8所示。

图3.8恒电流充电曲线

恒电流充电方式的缺点：

蓄电池充电初期的充电电流偏小，而在充电后期充电电流又偏大，且充电电压偏高，整个充电过程时间长；在蓄电池充电后期，由于大电流充电，造成蓄电池析气较多，对蓄电池极板冲击大，能耗高，充电效率甚至达不到65%[37]。

此方法在铅酸蓄电池中很少采用。

（2）恒电压充电

恒压充电就是以一固定不变的电压给蓄电池充电。

在蓄电池充电初期，蓄电池的端电压较低，充电电流很大，随着蓄电池端电压的渐渐增大，充电电流逐渐减小。

在蓄电池的充电后期只有很小的电流通过，因此在蓄电池后期的充电过程中不必调整充电电流。

与恒流充电相比，由于恒压充电电流自动减小，因此充电过程中析气量小，对蓄电池极板冲击小，充电时间短，能耗低，充电效率可以提高到80%[38]。

这种方法的充电特性曲线如图3.9所示。

此种方法也有其不足之处，主要有以下三点：

1）在蓄电池充电初期，若蓄电池放电过深，蓄电池存储的电量就会减少，充电电流就会很大，不但会损坏控制器，而且会使蓄电池的使用寿命大大降低；

2）若蓄电池恒定电压过低，蓄电池充电后期充电电流又过小，这样会造成蓄电池充电时间过长，不适合多蓄电池串联的电池组充电；

3）在蓄电池充电期间，电解液温度会升高，蓄电池端电压的变化补偿困难，充电过程中也很难完成对落后电池充满。

图3.9恒电压充电曲线

（3）两阶段式充电

两阶段式充电就是在充电初期对蓄电池采用恒电流方式进行充电，当蓄电池充电达到一定容量后，采用恒电压方式充电。

采用此充电方法，蓄电池在充电初期不会出现很大的电流，在充电后期也不会出现蓄电池电压过高，从而使蓄电池析气大大减少。

两阶段式充电特性曲线如图3.10中的A、B段所示，其中A段为蓄电池充电初期的恒电流充电，B段为蓄电池充电达到一定容量后的恒电压充电。

图3.10两段式与三段式充电曲线

（4）三阶段式充电

三阶段式充电是指在两阶段式充电后，允许以小电流继续对蓄电池进行浮充充电，浮充充电的目的就是用来弥补蓄电池自放电的电量损失，这就是在两阶段式充电基础上的第三个阶段——浮充充电阶段，如图3.10中的C段所示。

该阶段的充电电压比恒电压阶段的电压要低。

3.3.2本课题蓄电池充电控制策略

在风光互补发电系统中，蓄电池工作在浮充制下，并不是工作在典型的充放电循环状态。

在蓄电池充电过程中，为充分利用能量，需要对风光互补系统的最大功率点进行跟踪。

恒电流、恒电压充电等传统的充电方法充电方式比较单一，在充电过程中容易造成能量浪费，甚至会损坏蓄电池[39]。

为提高充电效率，本文考虑采用一种新的充电控制策略，该充电控制策略以对12V铅酸蓄电池充电为例，若设定蓄电池恒压过充电压为14.5V，恒流充电限流值为6A，浮充电流为1.6A，整个蓄电池的充电控制策略流程图如图3.11所示。

图3.11蓄电池充电流程图

根据蓄电池技术条件要求，以14.5V作为判断依据，图3.11的蓄电池充电流程具体描述如下：

若蓄电池充电电压Ubat>14.5V，此时需要通过判断蓄电池充电电流Ic是否大于1.6A来决定蓄电池的充电方式，充电方式分两种情况：

若Ic>1.6A，以14.5V的电压对蓄电池进行恒压充电，此时不需要跟踪太阳能电池和风机的最大功率，仅仅通过蓄电池的反馈电压调节开关管的占空比。

若Ic<1.6A，此时应设置浮充充电状态，以13.8V的电压对蓄电池进行浮充充电，不需要跟踪太阳能电池和风机的最大功率。

若蓄电池充电电压Ubat<14.5V，采用恒流充电模式，以6A的电流对蓄电池充电，此时充电方式也分两种情况：

若蓄电池的充电电流Ic>6A，不需要跟踪太阳能光伏电池的和风机的最大功率，仅仅通过蓄电池的充电电流来调节开关管的占空比使Ic=6A，以Ic=6A的电流对蓄电池进行恒流充电。

若Ic<6A，此时应对太阳能光伏电池和风机进行最大功率跟踪。

实际上，在蓄电池充电期间，电解液温度会升高，随着温度的变化其充电的电压门槛值也会跟着变化。

为延长蓄电池的使用寿命，还必须对铅酸蓄电池的过充电压和浮充电压进行温度补偿。

3.4本章小结

本章根据智能型风光互补发电系统的要求，通过对风力发电系统、光伏发电系统和蓄电池充电控制策略进行研究，提出适合本课题的控制策略。