风光互补系统的最大功率研究

2023年12月31日发(作者：吉利帝豪gs试驾视频)

２０１１年９月１５日第３４卷第１８期现代电子技术ＭｏｄｅｒｎＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＴｅｃｈｎｉｑｕｅＳｅｐ．２０１１Ｖ０１．３４ＮＯ．１８风光互补系统的最大功率研究陆玲黎，吴雷（江南大学电力电子与电力传动研究所，江苏无锡２１４１２２）摘要：为了获得风光互补系统最大功率的目的，在此采用了极值搜索的基本方法。依据风机和光伏阵列具有相同的功率曲线，采用双乘法，根据导数的结果判断是否达到最大值。该算法基于扰动的基础上运用到最大功率跟踪系统。基于极值搜索法的最大功率跟踪控制的稳定性分析是为风光互补系统提供一个直流控帝ｌ的转换器。运用Ｍａｔｌａｂ进行仿真结果分析，获得了功率曲线图，证明采用极值搜索法，根据电压电流曲线图可以达到功率最大值．风光互补系统的最大功率跟踪控制的特点是稳态行为在最大功率点附近稳定地振荡。关键词：风光互补；最大功率｝极值搜索；Ｍａｔｌａｂ中图分类号：ＴＮ９１９—３４；ＴＫ８９，ＴＫ５１文献标识码：ＡＰｏｗｅｒｏｆ文章编号：１００４—３７３Ｘ（２０１１）１８—０１８１—０３ａｎｄＳｏｌａｒＳｙｓｔｅｍＭａｘｉｍｕｍ（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＰｏｗｅｒＷｉｎｄＬＵＬｉｎｇ－ｌｉ。ＷＵＬｅｉＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓａｎｄＰｏｗｅｒＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ．ＪｉａｎｇｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ。Ｗｕｘｉ２１４１２２．Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｅｘｔｒｅｍｕｍｓｅａｒｃｈｍｅｔｈｏｄｉｓａｄｏｐｔｅｄｔｏｏｂｔａｉｎｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｐｏｗｅｒｐｒｏｂｌｅｍｏｆｗｉｎｄａｎｄｓｏｌａｒｓｙｓｔｅｍ．ＯｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｓａｍｅｐｏｗｅｒｃｕｒｖｅｏｆＷｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅａｎｄｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃａｒｒａｙａｎｄｕｓｉｎｇｄｕａｌｍｕｌｔｉｐｌｙ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔＯｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｄｅ—ｒｉｖａｔｉｖｅｔｏｄｅｔｅｒｍｉｎｅｗｈｅｔｈｅｒｔｈｅｍａｘｉｍｕｍ．Ｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓｏｆｅｘｔｒｅｍｕｍｓｅａｒｃｈｍｅｔｈｏｄ－ｂａｓｅｄｍａｘｉｍｕｍｐｏｗｅｒｔｒａｃｋ—ｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｃａｎｐｒｏｖｉｄｅａｃｏｎｖｅｒｔｏｒｗｉｔｈＩＸ：ｃｏｎｔｒｏｌｆｏｒｗｉｎｄａｎｄｓｏｌａｒｓｙｓｔｅｍ．ＴｈｅｐｏｗｅｒｃｕｒｖｅｃａｎｂｅｇａｉｎｅｄｂｙＭａｔｌａｂｂｙｕｓｉｎｇｅｘｔｒｅｍｕｍａｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．ＩｔｐｒｏｖｅｓｔｈａｔｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｐｏｗｅｒｃａｎｂｅａｃｈｉｅｖｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔＯｔｈｅｖｏｌｔａｇｅａｎｄｃｕｒｒｅｎｔｃｕｒｖｅｓｓｅａｒｃｈｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｓｔｅａｄｙ－ｓｔａｔｅｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｔｈｅｗｉｎｄａｎｄｓｏｌａｒｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈＭＰＰＴｃｏｎｔｒｏｌｉｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄｂｙｔｉｏｎａｒｏｕｎｄｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｐｏｗｅｒｓｔａｂｌｅｏｓｃｉｌｌａ－ｐｏｉｎｔ．ｐｏｗｅｒ；ｅｘｔｒｅｍｕｍｓｅａｒｃｈ；Ｍａｔｌａｂ１．１Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｉｎｄａｎｄｓｏｌａｒｓｙｓｔｅｍｓ；ｍａｘｉｍｕｍ能源和环境是当今人类生存和发展所需要的紧迫问题。现在能源以煤、石油和天然气为主，但是它不仅资源有限，而且造成了严重的大气污染。因此，风能和太阳能作为一种洁净的可再生能源，已受到人们的广泛关注［１］。风光互补发电系统是利用了当地风能和太阳能资源的互补型，具有较高性价比的新型能源发电系统。风能和太阳能具有天然的互补优势，白天太阳光强，夜间风多；夏天日照好，风弱；冬春季节风大，日照弱。国内外的研究结果都表明，在满足偏远无电地区居民生产和生活用电以及向偏远地区的通信系统供电方面，风光瓦补发电往往被证明是一种比单一光伏或风力发电更经济、可靠的选择。因此如何使风光互补系统获得最大功率便成了关键问题之一。ｌ系统基本理论风光互补发电系统主要由风力发电机组、太阳能光伏电池组、控制器、蓄电池组、逆变器、直流交流负载等部分组成。系统结构图如图１所示。风力机原理风力发电部分是利用风力机将风能转化为机械能，然后通过风力发电机转换为电能，再通过控制器对蓄电池充电，经过逆变器对负载供电或者直接供直流负载［２］。风轮机产生的功率与风速和发电机转速密切相关，且在一定风速下存在最佳转速点，使得风力机的功率最大。因此，对风能系统而言，如何根据风速的变化对发电机转速进行控制，以使风轮机捕获到最大功能，对风能系统整体效率有很大影响。竺』１型ＡＣ／Ｄ■Ｃ］诵。，医翮，医赢堕：！！．－ｊ７ｌ：：：二：二＝ｌｌ蓄电池系统原理框图图１风轮捕捉的风能功率为：ＰＴ＝０．５１０ｓｕ３Ｃｐ（Ａ．卢）Ａ＝如／ｕ（１）式中：ｐ为空气密度；Ｓ为风轮的面积Ｉ￡，为风速；ｃｏ为风轮旋转机械角速度；．：Ｉ为叶尖速比；卢为桨叶节距角；收稿日期：２０１ｌ一０４一１１ｃＰ（Ａ．卢）为风能利用系数也即功率系数；其中Ｃ，（Ａ．卢）万方数据

１８２现代电子技术２０１１年第３４卷反映了风轮机利用风能的效率，是叶尖速比Ａ和桨叶节距角口的函数口］。变速恒频机组正常运行时桨叶节距角卢是固定的，因此，Ｃｒ（Ａ．卢）的大小主要决定于Ａ。由此可见，在风速确定的情况下，风轮获得的功率取决于风能利用系数Ｃｒ（Ａ．卢）。１．２光伏发电原理光伏发电部分利用太阳能电池板的光伏效应将光能转化为电能，然后对蓄电池充电，通过逆变器将直流电转化为交流电对负载进行供电。在一定温度、日照条件下，光伏电池的输出功率具有最大值。发电过程中，电池的内阻不仅受Ｅｌ照强度的影响，还受环境温度及负载的影响。要想在光伏发电时得到最大功率，必须不断改变阻抗的大小，从而达到光伏阵列与负载的最佳匹配，实现大电流、高电压的输出，提高系统的效率Ｈ］。理想条件下的｝Ｖ方程为：ｙｓＩｓ＝ｋ［１一Ｃ（ｅ一蔚一１）］（２）式中：厶，Ｖ。为光伏电池的输出电流和输出电压，Ｉｓｃ为短路电流；Ｋ为常数；Ｔ为温度；ｑ为电子电荷量。１．３直流控制中心直流控制中心就是一个中间连接站，根据Ｅｌ照的大小和风力的强弱，调节电能装置。主要是将风轮机和光伏阵列所得到的电能一方面经逆变器送到负载；另一方面将负载多余的电能存储到蓄电池。当发电量不足以供给负载时，直流控制中心又将蓄电池的电能送到负载，以平衡整体能量。１．４蓄电池蓄电池主要起到供电平衡的作用。当总体发电量大于负载所需时，蓄电池储电，反之则放电。由于风轮机和光伏阵列都可以提供直流，蓄电池的输入和输出都是直流形式。１．５逆变器逆变器可以有一台或者几台同时组成，主要是将直流控制中心中的直流电能转换成标准的２２０Ｖ交流电源，以供给交流负载，保证负载的稳定工作。２控制原理和方法２．１极值法基本原理风力机的输出功率和光伏阵列的输出功率都有一个最大值，如图２所示。风力机的最大功率主要取决于Ｃ，（．：Ｉ．口），对一个特定风速ｃ，，风力机只有运行在一个特定转速∞下才会有最高的风能转换效率。而在一定的温度和辐射强度下，光伏电池也有惟一的最大功率输出点，因此需要在负载和光伏电池之间加入ＭＭＰＴ装万方数据置，以保证光伏电池始终输出最大功率。图Ｚ功率图２．２控制方法极值搜索法的方框图如图３所示。竿＝殷（３）Ｑ￡式中：￡＝±１，并且Ｋ是一个大于零的常数。图３极值搜索控制原理图极值搜索法是根据泰勒级数将函数正在ｚ。。点展开而得到：ｙ＝丘＝ｆ（ｚ。ｐ）＋／（ｚｏｐ）（ｚ—ｚ。）＋丛掣（ｚ—ｚＯｐ）ｚｎ、山山，（４）、．士，所以只要判断某一时刻功率对时间的导数为正时，若面ｄｙ＜ｏ，则改变ｅ的符号；若石ｄｙ＞ｏ，则保持ｅ的图４极值搜索法情形以风轮机为例，４种情形如下：（警）Ｉ厂＞。，（ｄｄｉｒ。ｔ少＞。（５）（警）Ｉ厂＜。，Ｉ（ｄｄＰ。Ｔ少＼＜。（６）功率应朝着时间的正向移动，反之则相反，只有导数对应为零时，说明功率已达到最大值，如图４所示。符号（ｙ在这里代表的是最大功率Ｐ。，）。

第１８期陆玲黎等：风光互补系统的最大功率研究１８３（警）ｌ厂＞ｏ，（警）Ｉ广＜ｏ（象）ｌ广＜ｏ，（警）Ｉ广＞ｏ（７）间的变化是正的，所以触发器的输出基本不变。系统状态的第一次改变，如电压斜率的改变是在功率第一次达（８）到最大值时。当输入量发生变化时，功率的最大值也会发生改变，经过极值搜索法的控制后可以达到最大值，满足所需要求。由此可见算法测量的是掣和譬，然而影响系统的是誓，由于孥＝甓绺，因此以上４０ｔｏｄ∞‘ａｔｏ／ｄｒ）种情形可以用下述下公式表达：一＼幽，垫ｄｔｄｔ＝胤ｇｎ（警）数，这取决于ＰＴ∞曲线的斜率。２．３控制策略的改进（９）该算法动态变化有恒定的斜率，它可以是正数或负图６开路启动情况４结语极值搜索法在系统达到稳定后，实际中存在着各种干扰或者风速和日照小范围内的波动，从而引起系统功率最大值的平偏移，但此时偏移量往往很小，在原系统功率最大点附近移动，若此时重新进行初始化搜索，则系统将会产生不必要的波动，影响发电系统性能，由于此时的功率值只有很小的偏差，可以满足系统要求，所以此时最好采用“不行动”的方式，让系统稳定运行。改进法：在式（２）的情况下，可以设置一个迟滞区善，当原有功率值ＰＴ与功率检测机检测出的新的功率值ＰＴ７产生偏差时，若ＩＰＴ７一ＰＴＩ＜ｆ时，对其采取“不理”通过对风光互补系统中最大功率捕获原理的分析，提出了用极值搜索法来获取最大功率的方法。针对该方法分析了其基本理论、结构设计和仿真验证的可操作性。通过极值搜索控制方法，能很好地捕获能量并保持在稳定状态，验证了该方法的可行性。参考文献［１３程军．风光互补智能控制系统的设计与实现ＦＤ］．北京：中国科学技术大学，２００９．Ｅ２］肖运启，徐大平，吕跃刚．双馈风电机组一种新型模糊最大风能追踪控制［Ｊ］．华北电力大学报，２００９，３６（６）：１－７．［３］王宜庚．极值搜索法在数字相关性计算中的应用ＥＪ］．解放军理工大学学报，２００４（２）：１００—１０２．的态度；若ＩＰＴ７一ＰＴＩ＞｝时，则重新初始化后，用极值法进行搜索。善可以根据要求进行调节，以致能够更好地进行控制，预防不必要的干扰。３仿真结果Ｅ４］茆美琴，余世杰，苏建徽，等．风／光复合发电系统变结构仿真建模研究ＥＪ］．系统仿真学报。２００３．１５（３）：３６１—３６４．［５３凌禹，张同庄，邱雪峰．直驱式风力发电系统最大风能追踪策略研究［Ｊ］．电力电子技术，２００７，４１（７）：１—５．Ｅ６］ＦＵＬｉｎａ，ＯＺＧＵＮＥＲＵｍｉｔ．Ｅｘｔｒｅｍｕｍ－ｓｅｅｋｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｉｎｓｏｕｒｃｅ根据极值搜索法原理，在Ｍａｔｌａｂ上进行仿真研究，如图５所示。ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄｔｒａｃｉｎｇｗｉｔｈｎｏｎｈｏｌｏｎｏｍｉｃｖｅｈｉｃｌｅｓｏｎＥＪ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ１０２?１０３．ＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２００９．５６（９）ｌ［７］茆美琴，何慧若．风光复合系统的发电设计ＥＪ］．自然科学图５仿真原理图报，２００１，２４（６）：１０３６?１０４１．［８］ＺＨＡＮＧＣｈｕｎ－ｌｅｉ，ＯＲＤＯＮＥＺＲａｕｌ．Ｒｏｂｕｓｔａｎｄａｄａｐｔｉｖｅｂａｓｅｄｅｘｔｒｅｍｕｍｓｅｅｋｉｎｇ试验中的发电机的额定功率ＰＮ一４．２ｋｗ，额定电压ＵＮ＝２２０Ｖ，额定转速，ｚ。＝１５００ｄｅｓｉｇｎｏｆｎｕｍｅｒｉｃａｌｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｒ／ｍ，启动的初始状ｃｏｎｔｒｏｌ口］．Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，２００９．４５（３）Ｉ２６１—２６４．［９］杜荣华，张婧，王丽宏，等．风光互补发电系统简介［Ｊ］．节能，２００７（３）：３６－４０．ｒｉ０］ＰＡＮＹａｏｄｏｎｇ，ＯｚＧＵＮＥＲＵｍｉｔ．Ｄｉｓｃｒｅｔｅ－ｔｉｍｅｅｘｔｒｅｍｕｎｓｅｅｋｉｎｇ态为开路（以＝２２０Ｖ，ｉ。＝０Ａ）。仿真条件所需测得的参数有ｉｓ＾，？ＪＳＡ和ＰＳＡ：图６中，ＰｓＡ是功率曲线；ＩＳＡ是电流曲线；ＶｓＡ是电压曲线。测得：ＰＳＡ＝３５００Ｗ左右，ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ［ｃ］／／ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆＡｍｅｒｉｃａｎＣｏｎｔｒｏｌＶｓＡ从２２０Ｖ降到１６５Ｖ左右，ｆｓＡ从０上升到２１Ａ左右。由图６可知，启动的初始状态为开路，在瞬态时，电压ＶＳＡ随着功率ＰＳＡ的增加而减小。由于功率随时作者简介：陆玲纂女．１９８６年出生，项士研究生。主攻新能源方向．Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．Ａｎｃｈｏｒａｇｅ。ＡＫ：ｓ．ｎ．］，２００２：３１４７—３１５１．［１１］刘其辉，贺益康，赵仁德．基于直流电动机的风力机特性模拟［Ｊ］．中国电机工程学报。２００６，２６（７）：１３４?１３９．万方数据