小型风光互补发电系统最大功率控制的研究

小型风光互补发电系统最大功率控制的研究作者：崔啸鸣,乔燕军

来源：《电脑知识与技术》2011年第21期

摘要：独立运行的风电系统或光伏系统都有其自身的局限性，选择了结合风力发电和光伏发电优点的风光互补发电系统作为研究对象，建立了风光互补发电系统的仿真模型，对最大功率跟踪控制进行仿真研究。结果表明，最大功率跟踪控制可以实现风力发电子系统和光伏发电子系统的最大功率跟踪。仿真结果初步验证了系统集成控制策略的正确性和可行性。

关键词：风光互补发电系统；最大功率跟踪控制；仿真

中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)21-5241-02

Research on Maximum Power Point Tracking Control for Small-scale Wind/PV Hybrid Generation Systems

CUI Xiao-ming1, QIAO Yan-jun2

(1.School of Information EngineeringInner Mongolia University of Technology, Hohhot 010051, China ; 2.Beijing Jingneng New Energy Co.Ltd, Hohhot 010070, China)

Abstract: Both the stand-alone wind power generation system and photovoltaic generation system have their own limitations, so that the stand-alone wind/PV hybrid generation system which combines wind with PV power generation, the simulation models of components of wind and PV subsystem as well as the whole system have been established, and the simulation study has been carried out to test the maximum power tracking control. The result shows that although solar irradiation and load are changeable, the maximum power tracking control can realize MPPT of wind and PV subsystems. The simulation results verify the correctness and feasibility of the maximum power tracking control strategy.

Key words: wind/PV hybrid generating system; maximum power tracking control; simulation

风力发电和太阳能发电具有不枯竭、方便、清洁、无噪音等优点，尤其在广大边远地区，充分利用其优势，对建立独立可靠的能源供应系统有着重大的意义。太阳能和风能在转换过程中受到季节、地理、气候条件等多种因素的制约，而且两者在时间变化分布上有很强的互补性，只有扬其两能各自之长，补其两能各自之短，相互配合利用，因地制宜，才能发挥出最大的作用。太阳能和风能在时间上的互补性使得风光互补发电系统在资源分布上具有很好的匹配性[1-2]。

1 独立运行风光互补发电系统结构

独立运行风光互补发电系统由风力发电机、光伏阵列、DC/DC变换器（Buck）、蓄电池、控制器和逆变器、负载等组成，如图1所示。

2 独立运行风光互补发电系统最大功率跟踪控制

最大功率跟踪（MPPT）控制实际上就是一个寻优的过程，就是在不同的外界条件下，调节系统参数，使系统实际输出的功率曲线与最佳功率曲线吻合[3-4]。

2.1 风力发电系统最大功率跟踪控制

风力发电系统的最大功率跟踪控制是通过控制风力机转速在不同风速下向最佳转速变化来实现的。本文采用最大功率给定法，通过调节Buck变换器的占空比来实现风力机最大功率跟踪控制。

对于定浆距风力机在最佳叶尖速比λopt时对应最大风能利用系数Cpmax，输出最大功率

Pmax=kω3其中k=0.5ρπR5Cpmax/λ3opt （1）

假定系统始终运行在最佳叶尖速比λopt，风力机的机械功率与转速的三次方成比例，根据发电机转速推测风力机最大输出功率，将此推测功率作为发电机功率的给定，以比较所得的误差信号来调节发电机的输出，通过PWM（脉宽调制）方式调节DC/DC变换器的占空比进行阻抗变换，实现最大功率跟踪控制。发电机转速可以根据输出交流电压频率与转速之间关系获得，整个系统不使用机械传感器，有利于提高系统可靠性。

通过测量风力发电机转速推测风力机的最佳叶尖速比，进而可以得到风力机的最大输出功率，将该最大输出功率作为发电机功率的给定，与系统输出的实际功率通过PID调节后产生PWM信号来调节DC/DC变换器的占空比进行阻抗变换，实现最大功率跟踪控制，其控制结构图如图2所示。

2.2 光伏发电系统最大功率跟踪控制

本文采用扰动观测法，通过调节Buck变换器的占空比来实现光伏阵列最大功率跟踪控制。光伏电池的输出功率与日照强度和环境温度有很大的关系，为了使光伏电池在任意的日照和温度下，都能有最大功率的输出，即光伏电池始终工作在最大功率点处，首先要确定最大功率点在光伏电池伏安特性曲线上的位置[5]。

图3 最大功率点跟踪原理图4 MPPT控制结构图

如图3所示，选定一定光强的I-V输出特性曲线即图中所示实曲线，虚曲线为系统等功率曲线。直线1为负载阻抗Z的负载特性，它与特性曲线的交点为a，即为系统的工作点，输出功率P0=I0V0。显然，对应不同的负载阻抗Z，负载特性斜率不同，工作点有所不同，光伏电