风光互补发电系统控制策略研究

2020-07-21成丁雨李起华张利军

通信电源技术 2020年8期

成丁雨，李起华，连亮，张利军，邵波

（山西中电科技特种装备有限公司，山西太原 030032）

0 引言

社会经济的稳定发展与能源的持续供给有着直接联系，除了传统发电方式，新能源发电方式，如光伏发电、风力发电、地热能发电等，在市场中的占比也在不断提高。风能的产生具备季节性特征，在无风期产生的电能较少，而太阳能则与光照强度也存在直接关联，为了提高系统发电效率，如何优化风光互补发电系统运行状态，也成为许多企业需要重点关注的问题。

1 风力发电系统控制策略

目前，主要的风电控制策略有3种：最佳叶尖速比控制、最大负载功率曲线控制及最大功率点搜索控制。

1.1 最佳叶尖速比控制

该方法在应用过程中，其主要的作用原理在于，根据所处环境风力的产生情况，对于风机轮叶的运行速率进行调整，使整个系统的运行状态处于最佳比值的情况下，这也确保了风机运行过程的稳定性，使其可以持续稳定的对外输出电能。在实际应用中，可以借助传感器设备和智能管理技术，对于外界环境的风力值进行监测，结合云计算技术完成叶尖速比的计算工作，将数据计算结果与最佳最佳叶尖速比之间进行比对，随后将差值信息传递给风机控制系统，接着对风电机组运行情况进行调整，从而确保系统可以维持在最佳的工作状态。此类控制方法在实际应用中，具备操作流程简单、调整效果明显等应用优势，但是为了维持最佳的工作状态，风机系统一直处于动态调整的状态，这也增加了系统后续维护时的应用成本。因此在实际应用中，对于该处理方法的应用相对较少。图1为最佳叶尖速比控制原理图。

图1 最佳叶尖速比控制原理图

1.2 最大负载功率曲线控制法

该处理方法的工作原理在于，借助数据处理技术、云计算技术等方法，对于风电机组的输出情况进行分析，为了提升数据分析结果的直观性，会对外进行曲线图的输出，根据曲线图明确目前对应功率的最佳取值点，将该点作为风电机组工作调整的重要参数。相比于其他的处理方法，该方法在应用过程中，不需要对目前环境中的风速进行测量，提高了检测过程的便捷性，而且对机组运行功率进行调整的过程相对简单，具备较高的应用价值。图2为最大负载功率法控制原理图。

1.3 最大功率点的搜索控制

最大功率点的搜索控制也属于常用的控制方法，此类方法在实际应用中，又被称作是扰动观察法。其应用原理在于，对机组出口功率与转动速度之间的关系进行深入研究，在风机转速来到某一转折点时，其输出功率处于最大的运行状态，确定该转折点的具体位置和相关联的其他参数信息，以此为基础来调整风电机组的运行状态，从而提高风机工作状态的可靠性。

图2 最大负载功率法控制原理图

在理想状态下，风机运行到最佳的输出功率位置，保持该状态便可以满足电能稳定输出的要求，即不需要对其进行扰动，结构在该状态下可以维持持续输出的状态。不过从实际的运行情况来看，该状态并不会一直被维持，扰动的情况一直处于持续输出的状态，而且扰动情况也具备着多变性，对此需要结合扰动变化情况，对于结构的运行功率进行调整，从而提高整个系统运行的可靠性[1]。

与最大负载功率曲线控制法相类似，该控制方法也不需要对目前所处环境的运行风速进行监测，而且不需要对风电机组的转速情况进行监测，具备了非常高的运行稳定性。同时，系统还具备较高的自动化特性，能够结合实际情况对系统的运行状态进行动态调整。不过系统在实际运行中，即便外界环境一直处于稳定的风速状态，在实际应用中，其内部输出功率也会出现一些波动，此类波动具备较高的不可控性，利用该方法也无法完全消除此类情况，但是可以将其控制在较为合理的扰动范围内，从而影响到系统正常的运行情况。图3为最大功率点的搜索控制原理图。

2 光伏发电系统的控制策略

在光伏发电系统运行的过程中，其发电效率和许多的外在因素有着直接地关联，如外界环境中的日照环境、气候温度等。假定外界光照与温度处于比较稳定的状态，此时系统的出口阻抗也会处于某一固定数值，在系统外接负载阻抗数值与系统输出阻抗值保持一致时，系统处于最佳的工作状态，输出功率也达到了最高[2]。为了确保光伏系统发电过程的可靠性，也需要对其做好产出功率跟踪，目前常用的跟踪方法如下。

2.1 恒压控制法

结合以往的数据，能够总结出系统运行过程中合理的运行曲线，对曲线中的相关内容展开分析，可以发现在区域光照强度处于某一稳定状态下时，曲线中存在某一拐点位置所对应的发电功率处于最大值。因此，在假定外界温度处于均衡状态时，可以通过调整系统的产出电压来计算出调节系统的具体产出功率，对于电压输出情况进行追踪，从而确定最佳功率点的输出位置。通常情况下，此类方法也被称作是恒压替代法，该方法可以忽略掉外界温度对于系统输出功率的影响，不过从实际应用环境来看，系统所在外界环境的温度一直处于动态变化的过程中，因此利用该方法所测定出的数值并不一定代表最大功率。虽然此类方法的应用过程便捷度高、操作过程比较简便，但是精准度较低，不适用一些高精准度要求的场所[3]。图4为恒压控制法原理图。

2.2 扰动观察法

该方法从应用原理上来看，与最大功率点的搜索控制相类似，其应用原理在于，对系统的电压和电流的关系进行深入研究，并且在系统运行的过程中提供一个扰动关系，随后对系统表现情况生成曲线图，在系统来到某一转折点时，其输出功率处于最大的运行状态，确定该转折点的具体位置和相关联的其他参数信息，以此为基础来调整光伏系统的运行参数，从而提高系统工作状态的可靠性。与其他的控制应用方法相比，该控制方法的最大的应用优势在于，能够非常快速地完成最大功率的确定工作，并且应用的成本相对较低，具备较高的适应性。不过该方法对于温度的敏感性较高，而且也不具备较高的精准度，因此常用于一些小型的运行系统[4]。图5为扰动观察法原理图。

3 蓄电池控制策略

在系统设计过程中，对蓄电池结构进行优化设计有着非常重要的作用，并且对于互补系统而言，蓄电池在前期的应用成本占比也较高，如何在确保蓄电池储能效果的基础上，延长蓄电池结构的使用寿命，从长久利益来看，该做法能够提高系统运行的可靠性，减少了相关运行成本的支出。结合现有条件，能够选择的充电策略包括恒压充电法、恒流充电法和两段式充电法。

从综合性价比情况来看，恒压充电法或者是恒流充电法在应用过程中，都存在着不同的应用弊端，对此在条件允许的情况下，应优先选择两段式充电法来作为蓄电池的充能形式。在实际应用的过程中，一般会选择在前期利用恒流充电法来完成既定的充电任务，随后再利用恒压充电法来完成后续的充电任务。蓄电池在此过程中，能够避免被巨大电流持续冲击的情况，从而将蓄电池的温度控制在合理范围内，减少了电能外泄漏的可能性。但是此类充电模式在充电之前如果蓄电池存在放电的情况，那么其内部结构会受到一些损伤，在强电流刺激下，会出现不可逆伤害的情况。因此，在实际的应用过程中，还会在原有充电模式的基础上增加浮充充电模式，借助三阶段充电的方法，可以对蓄电池结构本身的性能进行改善，从而起到延长系统使用寿命的作用。