风光互补发电系统控制技术综述

电气传动 年第 卷第 期 风光互补发电系统控制技术综述 陈亚爱 金雍奥 北方工业大学电力电子与电气传动北京市高等学校工程研究中心 北京 摘要 风光互补发电利用了 种当前应用较广泛的可再生能源 是一种经济可行的发电方式 完善的风 光互补发电系统需要对各个部分进行合理 有效的控制 方能使系统运行在安全 稳定的状态 并提高效率 延 长寿命 良好的风光互补发电系统不但可以解决远离电网地区独立供电的问题 而且将成为微电网研究所关 注的重要内容 对现有的独立风光互补发电系统控制技术进行了归纳和分类 分析各种控制技术的工作原 理 特点 实现方法及适用场合 为进一步应用提供参考 关键词 风光互补 发电系统 控制技术 中图分类号 文献标识码 引言 源输出 如何实现对风光互补发电系统的合理控 制成为研究的重点 近年来 可再生能源已成为实现能源多样化 社会可持续发展及应对气候变化的重要替代能 风光互补发电系统 源 这些能源中 太阳能 风能是最普遍的自然 资源 且两者具有天然的互补性和最佳的匹配性 并都具有较广阔的应用前景 风光互补发电系 风光互补发电系统总体结构如图 所示 系 统主要由电能产生环节 电能变换控制环节和电 能存储消耗环节 部分组成 统弥补了风力和太阳能独立发电系统在资源利用 上的缺陷 综合利用风光互补技术进行发电已成 为新的发展趋势 由于地域差异 远离电网的地区 如游牧民 太阳能电池板一 一 风力发电机卜 风光瓦补一 一 直流负载 蓄电池组 怔嘶 一 控制器 区 边防哨所 山区信号站等 电力来源需依靠独 立供电系统 要解决长期稳定可靠的供电问题 只 一鬯堕掌塑 一 蔓鬯挛擎兰 竖芝 宴些安熊翌謦蓼羔 能依赖当地的自然能源 风光互补发电无疑是解 图 风光互补发电系统结构图 决独立供电的最佳方案 为获得良好的电力能 作者简介 陈亚爱 一 女 硕士 教授 硕士生导师 万方数据 电气传动 年第 卷第 期陈亚爱 等 风光互补发电系统控制技术综述 电能产生环节 电能产生环节包括风力发电和太阳能发电两 部分 风力发电部分可通过直流风机或交流风机 获取风能转化为电能 太阳能发电部分通过太阳 能电池板获取光能转化为电能 电能变换控制环节 电能变换控制环节由 变换器 主控 制电路等部分构成 是发电系统的核心环节 交流风机输出的三相交流电需经整流后进人 变换器 直流风机输出直流电经过稳压后 直接送入 变换器 太阳能电池板输出得 到的直流电通常要通过 个防反二极管后 再送 人 变换器 主控制电路通常采用 或单片机 等 控制芯片 通过控制 变换器实现功率变 图 风光互补发电系统控制技术分类 换 同时还可对各种信息 参数进行数据采集 处 理 从而实现设备保护 风险预警等功能 电能存储消耗环节 电能存储消耗环节包括存储和消耗两部分 电能的存储部分由蓄电池承担 用来消除由于天 气等原因引起的能量供需的不平衡 在整个系统 中起到电能调节和平衡负载的作用 电能的消耗 部分主要由直流负载 交流负载组成 直流负载 可由蓄电池直接引入 也可通过 个升压或降压 直流变换电路提供所需要的直流电压 对于交流 负载则需将蓄电池输出的直流电变为交流电 点 因此在特定的工况下存在着 个最大功率输 出点 通常 自然光的辐射强度及大气的透光率均 处于动态变化中 为了在相同日照强度和电池结 温下获得尽可能多的电能 就存在最大功率输出 点跟踪的问题 因此 需要对太阳能电池板进行 最大功率点跟踪控制 控制实质 是一个自寻优过程 通过控制电池板的特定参数 或控制 变换器开关管的开通时间 使电 池板能在各种不同的日照和温度环境下智能化地 风光互补发电控制技术 输出最大功率 目前 应用于独立风光互补发电 系统的太阳能电池板 控制技术主要有恒 风速 光强 负载用电量和蓄电池状态是影响 风光互补发电系统运行状态的主要因素 通常这 些因素都在不断变化 且互相联系 制约 由于 各因素的随机性影响 需对风光互补发电系统进 行合理控制 才能实现不同条件下的最优运行 控制器主要功能包括 对风机和太阳能电池 板的输出功率进行控制 对蓄电池进行充放电控 制 对系统保护以及协调输入输出能量控制等 针对不同发电系统的要求 控制器的复杂程度及 功能特点也不尽相同 本文对现有的独立风光 互补发电系统的控制技术进行了归纳和分类 如 图 所示 太阳能电池板的控制 压控制 扰动观察和电导增量 种 恒压控制法 恒压控制法 的原理 比较简单 在相同温度 不同光照强度下 太阳能 电池板的最大功率点 近似处于某一恒定的电 压值 附近 因此 只需通过调节 变换 器的占空比改变负载阻抗 使电池板的输出电压 稳定在 附近 便可实现 控制 其控 制框图如图 所示 太阳能电池板输出电压 最大功率点跟踪控制 图 法控制框图 太阳能电池板输出电压 电流是随日照强度 和电池结温的变化而变化 具有较强的非线性特 万方数据 法实际上是一种稳压控制 简单 易实 陈亚爱 等 风光互补发电系统控制技术综述电气传动 年 第 卷第 期 现 稳定性高 但是由于忽略了温度对阵列输出 电压的影响 该方法的实质并不是真正意义上的 最大功率点跟踪 对于四季温差或日温差较大的 地区 法并不能在所有的温度环境下完全地 跟踪最大功率 便会导致功率损失 因此 该法 适用于温度变化不是很明显的情况 文献 采用 法对太阳能电池 板进 行 控制 大大简化了系统 的控制 设计 并提高了发电效率 扰动观察法 扰动观察法 又 称为 登山法 爬山法 是目前研究较多且常用的 控制方法 控制对象可以是太阳能电 池 板的电压或者电流 其工作原理为 周期性的给 对象加扰动 比较输出功率与加扰动前的输出功 率的大小 若功率增加则在下 个周期以相同方 向加扰动 反之 则改变扰动方向 图 所示为 其控制框图 塑 奎婆 图 扰动观察法控制框图 的 玉 由于温度的非突变性 一定时间内 基 本保持不变 然后采用 法 将系统输出电压 控制在测得的 附近 实现 这种技术 结合了二者的优点 控制效果更佳 为减少定步长 法在最大功率点附近振 荡的幅度 并准确 快速地跟踪到最大功率点 变 步长 法被越来越多地应用在风光互补发电 系统中 其基本原理为 在原有扰动原则的基础 上 当功率的变化出现变号时 仅改变扰动步 长值 而扰动方向不变 如 加入扰动 后 若功 率变化量 为一数值较小正数 保持原 值与扰动方向 若 一 扰动值变为 而 扰动方向不变 变步长 法解决了传统定步长 法 在跟踪过程中剧烈振荡的问题 在一定程度上减 少了功率损耗 文献 采用变步长 法控制电池 板的功率输出 提高了 控制的灵敏度 文 献 对电池板的 控制基于变步长 法 并在算法中增加了搜索电压的上 下限限幅 值 防止了系统的误判 文献 也采用同样的方 法进行控制 在此基础上 又加入了滞环比较 法 进行改进 避免外部环境发生突变引起的 扰动的加法有 种 可直接给被控对象加扰 动 也可给控制 变换器驱动信号的占 空 比加扰动 扰动过程中 由于步长为定值 选择合 适的扰动步长 对于跟踪最大功率点的快速性 准确性有着至关重要的作用 法的优点为 结构简单 被测参数少 容易实现 且是一种真正的最大功率跟踪 但也存在 系统在最大功率 点附 近会产生震荡 步长较小时太阳能电池板易工 作于低功率输出区 而步长较大时最大功率点附 近的波动又会加大 外部环境发生较快变化时 很有可能发生误判 等缺点 该法适用于光照强 度变化较小及对电能质量要求不高的场合 误判 同样为减少 法的误判概率 文献 提出了基于 法的扰动回探法 即 加入 扰动 后 若功率 增加 变为 则先改变 扰动方向 确认功率减小为 后 再改变扰动方 向 使功率增大到 继续加扰动 并重复此过 程 扰动回探法减少误判可能性 同时提高了太 阳能利用率 电导增量法 为解决 法带来的功率 损失等问题 提出了电导增量 法 明 根据太阳能电池板的 特性曲 线在最大功率点处的斜率为零 即 所 以有 文献 采用了 法进行 控 制 取得了良好的控制性能 文献 采用 法控制 并通过仿真证明了该方法满足系统快速 性的要求 面 茹一 盟 一 文献 提出将 法与 法 结合进行 控制 即 先根据经验值 采用 启 动 法有良好的启动特性 然后 采用 法 取得最大功率点 此时 可获得最大功率点处 式 为判断最大功率点的条件 即当输出电导的 变化量等于输出电导的负值时就可认为电池板工 作在最大功率点处 此法利用电压和电流的变化 量比值 瞬间电导值两个参数判断输出电压 若比 万方数据 电气传动 年第 卷第 期陈亚爱 等 风光互补发电系统控制技术综述 较后为相等 则表示达到最大功率点跟踪 若不相 等则改变电池板的被控参数或 变换器驱 动信号的占空比 进而继续判断 法与 可以说是殊途同归 差别 仅 在于逻辑判断与量测参数的取舍 法 的 优点为 控制精确 响应速度比较快 但该控制方 次检测到太阳升起或天空光线变强时 继续跟 踪光源 通过该控制技术 风光互补发电系统 能够很好地应用在由于船舶航行中河道走向变 化和所在地域变更所引起的光照角度变化较大 的情况 风力发电机的控制 法对硬件的要求比较高 系统各个部分要求具有 控制 较快的响应速度 该方法适用于气象条件变 化较快的场合 尤其在光强和温度大范围变化的 情况下 系统具有高速 稳定的跟踪特性 文献 对太阳能电池板的 控制基 于 法实现 并用在线调整占空比增量的方法 对电导微增法进行了改进 加快了系统的动态响 应速度 且减小了系统振荡 负载跟踪控制 负载跟踪控制就是对电能产生环节和电能消 耗环节的功率匹配控制 负载的不确定性要求系 统输出的能量应与蓄电池和负载所需求的能量相 匹配 当负载所需求的能量不多时 系统就不再需 要跟踪太阳能电池板输出的最大功率点 文献 根据系统要求 在负载需求能量小于 电池板输出能量时 对太阳能电池板进行负载跟 踪控制 控制器计算负载电流与蓄电池的最大可 接受电流之和 蓄电池端电压值 从而算出负载和 蓄电池的需求功率 并将此功率值作为电池板输 出功率的参考值 利用 调节器调节 变 换器占空比而实现功率匹配 光源跟踪控制 为提高有效日照时间和发电效率 可跟踪光 源的太阳能电池板开始被应用于风光互补发电系 统中 在常规太阳能电池板基础上 系统加入感 光传感器和驱动电机等特定装置 通过对电池板 的仰角和方位角进行控制 便可实现光源跟踪 光源跟踪控制技术可有效地利用太阳能资 源 提高日发电量 但是 光源跟踪装置本身电能 消耗较大 便失去了一定的实用价值 该控制技 术适用于光源不稳定或变化较快的场合 文献 所设计的船用风光互补发电系统控 制器根据其特定的使用场合 对太阳能电池板采 与太阳能电池板一样 风力发电机的输出也 存在一个最大功率点 风光互补发电系统若要捕 获最大的风能 必须根据风速的变化对风力机的 转速进行实时调整 即实现 控制 这就产 生了变速发电的运行模式 而变速发电的实质是 在风速随机变动时又要获得最大的风能 因此 控制在风力发电中具有举足轻重的地 位 由风力发电机的电动原理可知 当输入的机 械功率大于其输出电功率时 风力发电机的转速 将要增加 反之 转速下降 因此 可通过控制风 力发电机的输出功率 完成对输出电功率的调节 调节控制电路驱动信号的占空比就可实现输出功 率控制 从而间接达到控制风力发电机转速的目 的 目前 应用于独立风光互补发电系统的风 力发电机 控制技术主要有最大功率给定 法等 种 最大功率给定法 基本原理是通过测量风 力发电机转速来推测风力机的最佳叶尖速比 根据 与风机的最大输出功率 的对应关系 可得到 将 作为发电机功率的给定 与系 统输出的实际功率进行比较 其误差通过 调 节后产生 信号来调节 变换器的占 空比而实现 控制 最大功率给定法控制框 图如图 所示 风力 竺 最佳功率 给定 实际功率 计算 图 最大功率给定法控制框图 用光源跟踪控制 采用光敏三极管作为感光传感 器 驱动电机选用步进电机作为执行机构 其控制 过程为 早上开始跟踪太阳位置 使电池板始终接 收到最强太阳辐射 当太阳下山或者天空光线较 哪与 有如下关系 一 志矗 差时 电池板转回到朝向东方的初始位置 当再 离旷匝 万方数据 以 陈亚爱 等 风光互补发电系统控制技术综述电气传动 年第 卷第 期 式中 为空气密度 岬 为最大风能利用系数 为风轮机半径 为风轮机的角速度 控制过程中 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 整个系统无需机 械传感器 提高了可靠性 文献 采用最大功率给定法实现风 机 控制 系统响应较快 其中文献 的仿 真结果表明 控制过程中发电机转速波动较小 从 而可减小发电机机械磨损 也减缓了对整个系统 的冲击 提高了系统可靠性 法 基本原理与太阳能电池板 的 法原理大致相同 方法实现上可以周期性 地增加或减少发电机转速 或者周期性地改变 变换电路驱动信号的占空比 然后比较输 出功率的变化 再进行下一周期控制对象的增减 动作 多于负载和蓄电池吸收的能量时 可采用负载跟 踪控制来调节系统功率输出 负载跟踪控制使风 力机叶尖速比 偏离最佳值 从而降低风能利 用系数 以保证风机的输出功率与负载消耗功 率和充入蓄电池的功率相匹配 控制框图如图 所示 控制器将蓄电池的充电电流 与负载电流 之和作为给定输入与 变换器的输出电 流 进行比较 将其误差经过 调节后产生 控制信号来调节 变换器的占空比 从而实现负载跟踪控制 图 负载跟踪控制框图 法优点 有自动跟随与自适应的能力 不需测风速仪器 不必知道风力发电机确切的 参数及功率特性 缺点 即使在风速稳定时 输出 功率也会有小幅度的波动 但由于风力发电部分 受风速的随机性影响 其输出没有必要也不可能保 证高的精度与稳定 因此适用范围不会受太大 影响 总体来说是一种效果较好的控制方案 文献 在 法的控制基础上 加 以改 进 采用了变步长扰动 一定程度上降低输出功率 的波动幅度 得到了更好的控制效果 文献 基于扰动回探法 采用一个 变换电路同 时对风力发电系统和太阳能发电系统进行 控制 简化了系统结构 文献 为 简化控制 也同样采用一个 变换器进 行 控制 并根据变步长扰动法通过控制占空比而实 现了对风力 太阳能两个系统的 控制 充 分利用了能源 法 基本原理已在太阳能电池 板 控制中介绍过 不再赘述 但需注意 因 风力发电机输出电压与转速成正比 可根据风机 一 特性曲线推测出 特性曲线 进而根据 判别式判断 文献 基于改进型的电导增量法 采用风 力发电机和太阳能电池经过同一个 变 换 器的控制方案 实现了对两个发电系统共同 的 控制 降低了成本 并使控制大为简化 负载跟踪控制 与太阳能发电系统一样 当风力机输出能 量 负载跟踪控制可使变换器的输出电流始终 满足蓄电池和负载的需要 使风力发电机的输 出功率始终与负载功率和充人蓄电池的功率之 和相平衡 文献 所研究的系统在风力发电部分能 量过多的情况下 对风机采用负载跟踪控制 实现 了功率间的匹配 运行保护控制 当风机处于对蓄电池充电运行状态时 若整 流桥发生故障 或者风力发电机与蓄电池之间的 连接断开 风力发电机所获得的能量将无法通过 整流电路转换成直流电能 进而无法对蓄电池进 行充电 而此时 风力发电机的叶片转速将快速 上升 输出端线电压也将随之上升 严重时 会导 致风轮飞车 损坏风机的机械结构 而且在风力 发电机与蓄电池之间连接断开的情况下 会击穿 整流二极管 引 所以控制器需要对风力发电机 进行有效的保护控制 通常的保护控制是在当风力发电机转速达到 风力发电机最大安全转速限定值时 或风机输出 端线电压高于设定的保护电压时 系统逐级切人 卸荷负载限速口 对风力发电机进行保护 文献 采用上述方法实现风机保护 控制 保证了系统的正常运行 避免了意外发生 文献 在常规的运行保护控制基础上 为防止 控制器的误动作 还设置了手动闸 手动切入卸荷 负载 实现过速保护 文献 采用的保护控制则 万方数据 电气传动 年第 卷第 期陈亚爱 等 风光互补发电系统控制技术综述 是在系统满足蓄电池电压较高且充电电流减小到 某一值再启动卸荷负载 避免了由于风速过大蓄 电池电压急剧升高时启动卸荷负载而不充电或充 电电流变小情况的发生 蓄电池的控制 为保证发电系统供电的连续性和稳定性 独 立的风光互补发电系统选取了蓄电池为储能装 置 作为储能环节 蓄电池在风力 日照充足的条 件下可存储供给负载后多余的电能 在风力 日照 不佳的情况下输出电能给负载 因此 蓄电池在 系统中同时起到能量调节和平衡负载的作用 若 对运行中的蓄电池充放电的控制 保护方法不当 极易损坏蓄电池 缩短使用寿命 而蓄电池使用寿 命的长短也直接影响发电系统供电的稳定性及发 电成本 因此 蓄电池充放电控制 过充过放保护 控制是风光互补发电系统运行控制的又一重要 部分 充电控制 蓄电池的充电控制主要有 二段式和三段式 二段式充电控制 先以恒定电流充电至预 定的电压值 再改为以恒定的电压进行充电 一 般情况下 两阶段之间的转换电压即为第 阶段 的恒电压值 采用二段式控制 蓄电池在初期不 会出现很大的电流 后期也不会出现蓄电池电压 过高 避免了析气的发生 引 文献 对蓄电池的二段式控制进行了建模 与仿真 采用双闭环 实现 证明了二段式充 电方式简单 稳定 可行 并适用于其他的分布式 发电系统 三段式充电控制主要有 种充电方式 大电流充电一限流充电一浮充 们控制方 法的主充电阶段 对蓄电池进行大电流充电 使电 池电压快速上升 至均充电压阈值时 一般在电池 容量达到 左右 进入第 阶段进行限流充 电 此时 蓄电池仍未充满 需要利用限流充电方 地利用了蓄电池的容量 同样延长了蓄电池的使 用寿命 恒流充电一恒压充电一浮充控制方法首先对 蓄电池采用恒流充电方式充电 蓄电池充电到达一 定容量后 采用恒压方式进行充电 在两阶段充电 完毕 即蓄电池容量到达其额定容量的 时 对蓄电池进行浮充 且这一阶段的充电电 压要比恒压阶段的低 文献 采用上述的三段式方法控制充 电 同样保证了蓄电池组高效率 低损伤 安全可 靠运行 三段式控制 既可以充分利用能源 提高蓄电 池的充电效率 又不会损坏蓄电池 放电控制 对于蓄电池的放电控制 目前研究的较少 文献 采用电压控制法 即在蓄电池组进行放电 时 维持蓄电池输出电压稳定 保证当负载发生变 化时 能够及时提供足够的能量 运行保护控制 运行保护控制主要指蓄电池的过充过放保护 控制 过冲过放保护控制原则 当蓄电池组的电压 接近蓄电池组过放电压时 系统报警 达到蓄电池 过放电保护电压阈值时 切除负载供电回路 蓄电 池停止放电 当蓄电池端电压再次上升到蓄电池 启动电压时才允许重新放电 而当蓄电池处于过 充状态时 提前发出报警信号 并切断风力发电支 路与太阳能发电支路对蓄电池的充电 防止进一 步充电 文献 通过设定双重的蓄电池电压上下限 阈值 实现了更好的过冲过放保护控制 文献 采用的保护控制是建立在 级负载的基础上 将负载分为重要负载 次重要负载 一般负载 在 蓄电池电压降低的情况下 按优先级切断负载 并 不断检测电压 保证重要负载长时间供电 式进行补充充电 逐渐降低充电电流 至浮充电压 时电池基本充满 此时转入第 阶段 继续以小电 结论 流进行充电 即浮充 以弥补蓄电池的自放电 文献 中所研究系统对蓄 电 池的充电控制采用以上的三段式控制 提高了发 电系统的使用效率 文献 采用了同样 的 控制方式 基于模糊一 复合控制实现 通过仿 真证明了该控制方式的优越性 文献 在此基 础上提出了分只均充的新型控制方式 最大限度 万方数据 经济的不断发展促使可再生能源的利用成为 未来能源领域研究的重要内容 风光互补发电系 统以其特有的优势在新能源领域扮演着极其重要 的角色 要获得稳定 良好的功率输出 控制器的 设计尤为关键 智能化 集成化又是研究的重要内 容 电力电子技术的 渐成熟使其控制器实现的 功能日臻完善 系统各环节的多种控制技术能较 陈亚爱 等 风光互补发电系统控制技术综述电气传动 年第 卷第 期 好地匹配能量供需 提高了发电系统的能源利 用率 发展风能 太阳能等自然资源已是大势所趋 随着研究的不断深入 风光互补发电系统将向着 小型化 数字化 绿色化的目标不断迈进 也将成 为微电网研究中不可估量的重要内容 参考文献 郭成达 风光互补发电能量转换系统研究 大连 大连 理工大学 杨鹏 史旺旺 基于单片机的船用风光互补发电系统控制 器的设计口 工业控制计算机 施全富 独立运行风光互补发电系统的研究与设计 沈阳 沈阳工业大学 唐雁 方瑞明 独立式风光互补发电系统中最大功率控制 策略研究 电网与清洁能源 宋昭峥 丁宏霞 孙贵利 等 国外可再生能源发展与展望 现代化工 定世攀 独立运行风 光互补电站控制监测系统的 研究 北京 中国科学院研究生院 电工研究所 廖志