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    摘要：針對新形勢下對新能源發電的迫切需要，為了探討智能電網中風光互補發電系統的建模問題與控制策略，文中分別分析了風力發電理論及其控制策略、光伏發電理論及其控制策略。依據Betz提出的葉片捕獲風能理論建立了風力發電系統模型。以光伏電池為核心部件建立了光伏發電系統模型。采用擾動觀察法控制Boost升壓電路實現風能與太陽能的最大功率跟蹤。文中建立了風光互補發電并網仿真模型，利用電磁仿真軟件對該系統的動態性能進性仿真分析。結果表明，該系統能夠實現風能與太陽能的最大功率跟蹤，能夠迅速的跟蹤電網電壓，實現風光互補發電系統的并網運行。

引言

    隨著傳統化石能源逐漸枯竭和環境問題持續惡化，為了應對能源危機與伴生的環境危機，世界各國積極開展太陽能、風能等可再生新能源技術研究，基于可再生能源的分布式發電(DistributedGeneration，DG)正受到世界各國的高度重視。除水力發電以外，利用風能與太陽能發電是目前開發最快、技術最成熟、最具規?；_發條件與商業化前景的新技術。二者在時間和地域上有一定的互補性，同時在儲能、逆變環節均可共用，適合聯合發電，實現資源互補，很好的解決了受季節、地理、氣候等多種因素制約引起的風力發電和太陽能發電的不確定性[1]。

    風光互補發電系統可以將風能、太陽能有效的結合，具有并網運行、孤島運行兩種運行模式。目前，國內外學者對離網型風光互補發電系統的研究較多，主要集中在系統結構設計、數學建模與仿真、儲能設備的配置、系統電源容量優化配置等方面，而對風光互補發電系統的并網研究較少。

    本文建立了一種并網型風光互補發電系統，光伏陣列和風力發電機并聯運行，采用共直流母線結構，通過并網逆變器實現DC/AC變換，經LC低通濾波器濾除諧波后并入電網。最后，對所搭建風光互補發電系統進行仿真研究，仿真結果驗證了該系統模型的正確性和可行性。

小型風光互補發電系統

    并網型風光互補發電系統主要由光伏陣列、風力發電機、并網逆變器及相應的控制部分組成。對于小容量風光互補系統，廣泛采用共直流母線式結構，該結構具有控制簡單、便于擴充容量、提高逆變器使用效率、節約系統成本等優點[2]。系統結構如圖1所示。

圖1小型并網風光互補發電系統結構

    該結構將光伏（PV）與風電（WP）系統并入直流母線，通過并網逆變器接入220V/50Hz市電實現并網。同時，由于并網運行，若PV和WP系統輸出功率之和大于用戶負載功率，將多余電能輸入電網。反之，不足的部分將由電網補給，因此系統不需要使用蓄電池儲能。系統結構如圖1所示。

    按照控制方式分類，并網逆變器可分為電壓源電壓控制、電壓源電流控制、電流源電壓控制和電流源電流控制四種方式。電流源控制的特點是直流側串聯大電感，由于大電感往往會導致系統動態響應差，因此并網逆變器均多采用以電壓源輸入為主的方式。并網電流與電網電壓保持同步是實現并網的前提。在風光互補發電系統中，風速與光照強度均為隨時間變化的變量，直流母線電壓也隨之發生變化。因此，逆變器在并網過程中需要考慮電網電壓與直流母線電壓的變化[3-4]。本文中采用雙環控制，對并網電流進行控制的同時保證母線電壓的穩定，并網控制系統如圖2所示。

圖2風光互補并網控制系統示意圖

風光互補發電系統建模

0.1風力發電系統

    目前世界上主要的風電技術大體分為恒速恒頻（ConstantSpeedContantFrequency，CSCF）與變速恒頻（VariableSpeedContantFrequency，VSCF）兩種。隨著電力電子技術的發展，VSCF已逐漸取代CSCF成為風力發電系統的主流，主要為雙饋型風力發電機、直驅型風力發電機兩種[5]。本文搭建的風力發電系統由風輪與直驅永磁同步發電機組成。

根據德國學者Betz提出的葉片捕獲風能理論，實際中半徑為R的葉片可捕獲的機械功率Pm可以用方程表示為：

    式中：CP為風能利用系數，是λ、β的函數，可近似表達為：

    式中：λ為葉尖速比；β為槳距角；ρ為空氣密度；R為葉片半徑；V為進入風速；c1~c6為與風機型號相關的系數。

    直驅型永磁發電機系統在不可控制整流與電壓型逆變器中間加入DC/DC變換后，系統經過DC/DC升壓后可以滿足逆變器的輸入要求。這種拓撲結構是目前小型風力發電系統中的主流形式，也是本文搭建的風力發電系統采用的拓撲結構。本文搭建的風力發電系統如圖2所示。

    風力發電控制系統中控制算法采用擾動觀察法（PerturbationandObservationmethod，P&O）控制Boost升壓電路以實現風能的最大功率點跟蹤（MaximumPowerPointTracking，MPPT）。對不控整流后的輸出電壓與輸出電流進行采樣，電壓與電流采樣值作為風力發電控制系統的輸入，通過P&O算法找到風力發電機的最大功率點，與三角載波比較后，輸出PWM信號來控制變換器的開關管占空比來調節WP系統的工作點[6]。

0.2光伏發電系統

    光電池板作為PV系統中的核心部件，其輸出電流的工程用數學模型為：

    當光強、溫度變化時，需要重新估算電池板參數，估算公式為：

    式中：         分別為光伏電池短路電流、光伏電池最大功率點電流、光伏電池開路電壓、光伏電池最大功率點電壓在非標況下的估算值；Im為光伏電池最大功率點電流；Voc為光伏電池開路電壓；Vm為光伏電池最大功率點電壓；T為環境溫度；系數a、b、c的典型取值分別為0.005、0.5、0.00288；Tb、Sb分別為標況下環境溫度、光照強度，分別取值為25℃、1000W/m3。

    PV系統通過Boost升壓斬波電路提高光電池輸出的電壓等級，以便于接入逆變器，本文搭建的光伏發電系統如圖3所示。PV系統中的控制環節同樣采用擾動觀察法，通過控制前級Boost電路以實現光伏陣列的最大功率點跟蹤。當前太陽能電池陣列的輸出電壓和電流的采樣值作為光伏發電控制系統的輸入，通過P&O算法找到太陽能電池陣列的最佳工作點電壓，與三角波比較后輸出PWM波，通過控制變換器的開關管占空比來調節PV系統的工作點[7-10]。

圖3風光互補發電并網仿真模型

Simulink仿真與實驗結果

    根據圖1所示風光互補發電并網模型結構，經上文分析，在MATLAB/Simulink中搭建風光互補發電系統仿真模型，WPHGS仿真模型如圖3所示。本文搭建的風光互補發電系統仿真模型中，光伏板在日照強度Sref=1000W/m2，Tref=25℃條件下的輸出功率2200W。風力發電機在額定風速為10m/s，風力機組輸出功率2000W。為了模擬自然條件下的工作環境，以光照強度、風速為變量，在仿真初始時刻光照強度800W/m2，風速為6m/s，在0.3s時加入擾動，光照強度突變為1000W/m2，風速保持不變。在0.6s時加入擾動，風速突變為10m/s，光照強度保持不變。在0.9s時加入擾動，光照強度突變為800W/m2，風速突變為8m/s?？偡抡鏁r間1.2s。

圖4光照強度和風速變化時電網電壓與并網電流

圖5光照強度和風速變化時直流母線電壓

圖6光照強度和風速變化時并網電流諧波分析

    仿真過程中母線電壓參考值設定為300V，電網電壓為220V/50Hz，系統仿真結果如圖4-圖6所示。由圖4可知，并網電流與電網電壓動態過程中可以保持同步，滿足單位功率因素要求；由圖5可知，當光照和風速變化時系統直流母線電壓可以迅速達到并保持穩定狀態，風力發電系統和光伏發電系統均能快速實現最大功率輸出；由圖6可知，并網電流總諧波失真THD小于5％，滿足并網要求。

結語

    本文對風力發電理論及其控制策略、光伏發電理論及其控制策略進行了深入的研究，對風光互補發電系統并網控制策略進行了探討，文中依據Betz理論與光伏電池工程模型，建立了風力發電系統模型與光伏發電系統模型，采用擾動觀察法控制Boost升壓電路實現風能與太陽能的最大功率跟蹤。建立了風光互補發電并網仿真模型，利用電磁仿真軟件MATLAB/Simulink對該系統的動態性能進性仿真分析。仿真結果表明，該系統能夠實現風能與太陽能的最大功率跟蹤，能夠迅速跟蹤電網電壓，實現風光互補發電系統的并網運行。