杨尚骏

(安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

现在,由于社会经济的快速发展,世界各国政府和人民等对能源的要求也日渐提高,但是以原油,煤等为代表的不可再生能源却日渐减少,而且对环境污染影响很大[1-2]。为了响应国家碳达峰碳中和目标任务，以风能和太阳能为代表的的清洁能源受到重视[3]。因为风能和太阳能的波动性，采用最大功率点跟踪技术提高其发电效率[4]。根据风能和太阳能的互补性，设计风光互补发电系统提高系统发电效率，并通过储能电池的运用提高系统的稳定性[5-6]。通过仿真验证设计的风光互补发电系统具有较好的最大功率跟踪能力，同时蓄电池可以有效地充放电，并网侧负载可以正常运行，系统具有良好的系统稳定性。

1 风光互补发电系统的建模

1.1 风力发电系统模型

风力发电系统的基本原理是外界的自然风作用在风力发电系统的扇叶上，带动扇叶的转动，使其产生机械能，然后通过风力发电系统中的风轮轴，将机械能输出出去，接着通过电机将机械能转化为电能输送到电网，最后到达用电负载，带动电力设备运行。

按照贝茨定律,即可求得风力发电功率的数学模型如(1):

(1)

式(1)中，Cp是风能利用系数；ρ是空气密度，单位是Kg/m3,R是风轮机的半径，单位是m;V是风速，单位为m/s.

通过公式可知在空气密度，风轮机的半径，外界风速一定的情况下风力发电系统的发电输出功率和其风能利用系数Cp成正比关系[7]。

其中风能利用系数是关于叶尖速比与浆距角的非线性函数。其关系如式(2):

(2)

式(2)中，n为风轮动作的转速，ωw为风轮旋转时候机械角速度，R为风叶半径，v为风速。

通过建立风力机模型，其风能利用系数Cp与叶尖速比λ和浆距角β存在如图1关系。

由图1可知在不同的浆距角下风能利用系数Cp的值不同，且一直变化。在一定的浆距角下，随叶尖速比的变化风能利用系数Cp而变化，但是存在一点λm在其变化过程中使得Cp最大，从而使风力发电系统有最大发电功率。

通过分析可以得到风能利用系数Cp最大时最大浆距角为0，而当浆距角为20时风能利用系数最小，通过模型将风力发电系统的浆距角定为0，即研究风能利用系数Cp与叶尖速比λ的关系，通过对叶尖速比的调节使风能利用系数最大。从而获得最大发电功率。

将叶尖速比λ带入到发电输出功率的公式中，可以分析得出：通过对叶尖速比的调节可以获得最大风能利用系数，即我们为了实现风力机的最大功率跟踪可以通过对风机转速的调节。进而实现风力发电系统的高效运行。传统的MPPT方法有叶尖速比法，扰动观察法，功率信号反馈法[8]，结合传统的MPPT方法的优缺点，为了实现风力发电系统的最大功率跟踪设计了功率反馈法与扰动观察法相结合的方法，可以有效的完成。经过剖析了传统MPPT方式的特点,并设计了一个功率反馈分析法和扰动分析法相结合的大功率追踪方式,利用本方式能够更高效的对风力发电系统实现大功率追踪,从而使风力发电系统的高效运转。在Matlab/Simulink中搭建的仿真模型如图2所示。

1.2 光伏发电系统模型

光伏发电的原理是利用半导体的光伏效应，当光线投射在电池表面的时候，材料内部的P-N结中的电子移动，使电池两端产生电势差由此产生电流，进而使光能转化为电能。

在理想状态下的光伏电池可以等效成一个二极管和电流源的并联，但是在实际使用过程中我们还必须考虑所有的内阻。因此，光伏电池的等效电路如图3所示。

根据图3中的光伏电池原理图可以得到流过负载R的电流为式(3)：

I=Iph-Id-Ish

(3)

式(3)中Id的表达式为式(4)：

(4)

式(4)中：Io为二极管反向饱和电流(A);K为玻尔兹曼常数，大小为1.38×10-23J/K;电子电荷q=1.6×10-23C;T为绝对温度(K);A为P-N结因子，在此系统中取1。

流过Rsh的电流Ish为式(5)：

(5)

将式(4)和式(5)带入式(3)中计算可以得到(6)：

(6)

从式(6)中可以看出，光伏电池输出电流和串联电阻Rs成反比关系,并与并联电阻Rsh成正比。一般在光伏电池中Rs小于1Ω，Rsh约几千欧姆，所以可以将Rs在计算忽略不计，Rsh视为断路，因此式(6)可以简化为式(7)：

(7)

然而，光伏电池在应用时容易受到外界因素的影响，所以在应用时一般采用工程光伏电池模型(8)：

(8)

其中C1,C2为其修正系数，其满足式(9)：

(9)

(10)

采用定步长扰动法实现最大功率跟踪，光伏发电系统在Matlab/Simulink搭建的仿真模型如图4所示。

1.3 蓄电池和并网侧模型模型

在理想状态下蓄电池的充放电可以简单的等效为电压源串联一个小内阻，建立蓄电池储能的等效模型[9]。通过逆变器将电能输送到系统中，然后提供给负荷使用[10]。模型中利用对蓄电池的充放电来平衡系统的整体稳定性,以便保障能量的顺利传递,在能量传递部分引入双向的DC/DC自动变换器,双向DC/DC自动变换器主要是在保证输入,输出电流极性恒定的情况下,按照需要改变输送电流的走向,以便达到能量的双向运行,以便更好的适应控制系统的需要,使蓄电池稳压稳流均衡,并通过PI控制系统对双向DC/DC自动变换器进行监控,而文中使用的则是电流外圈,电流内环的双环级联控制方法。其控制模型如图5所示。

2 仿 真

2.1 仿真参数设定

设定风力发电系统初始风速8m/s;在t=1s时风速变为10m/s；浆距角为0。光伏发电系统设定初始温度为25℃，初始光照强度为1200W/m2;在t=1.5s时刻下降为1000W/m2。

2.1 仿真结果

为了验证仿真模型的精确性和准确性，设定仿真总时间为4s进行仿真实验。

2.1.1 最大功率跟踪分析

通过变化风力发电系统风速，仿真实验得出风力发电系统的风能利用系数变化曲线如图6所示；风力机输出功率如图7所示。由图6和图7可以看出当系统启动时风力发电系统开始运行风能利用系数短时间内到达最大利用处为0.48，且风力发电输出功率迅速增加直到稳定在4200W附近，当风速在1s时突变为12m/s风能利用系数迅速变化，并迅速稳定在最大风能利用系数处，且风力机输出功率迅速上升并稳定在7500W附近。同时通过改变光伏发电系统的光照强度，得到光伏发电系统输出功率图。由图8可以看出光伏发电系统输出功率在开始时稳定在3750W附近，当在1.5s时光照强度突变为1000W/m2的时候，光伏发电输出功率迅速降低，并迅速稳定在3000W附近。

设定系统仿真时间为4s，通过系统的仿真实验得出蓄电池部分的参数变化。由图9蓄电池荷电状态SOC(容量)的一直处于上升的状态，说明蓄电池一直在吸收并网线路中多余的无功功率，在进行充电。由图9中可以看出蓄电池的输出功率为负功，说明其一直在吸收功率。由此可以看出蓄电池处于正常有效的充放电状态。由图10可以看出开始时发电系统中的功率为蓄电池功率，当风力发电系统和光伏发电系统开始运行时，蓄电池由于开始时放电，此时未处于满荷电状态，开始吸收系统中的功率，同时负载也开始运行，当在风速和光照强度变化时，负载未收影响继续在额定功率下运行，在2-3s时负载功率增加到6000W时，风力发电系统，光伏发电系统，蓄电池未受影响，没有产生波动，而且蓄动力电池所吸收的最大功率与负荷功率之和,相当于风能发电系统功率和光伏发电系统功率之和

3 结 语

通过基于Mtlab/Simulink的建模与仿真，分析了基于功率反馈法和扰动观察法相结合的风力发电最大功率跟踪和基于定步长扰动法光伏发电最大功率跟踪的性能结果，表明利用提出的方法可以及时有效的完成系统的最大功率跟踪。通过对整个风光互补发电系统的仿真建模，验证了系统中的蓄电池能够正常充放电，并网侧负载可以有效的运行，整个风光互补发电系统可以高速、有效地运行。