風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)的控制算法分析概述目錄TOC\o"1-3"\h\u26152風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)的控制算法分析概述 1304471.1太陽(yáng)能供電系統(tǒng)的最大功率跟蹤 1199531.1.1光伏發(fā)電MPPT原理 259721.2風(fēng)能供電系統(tǒng)的最大功率跟蹤 58773（1）葉尖速比控制法 515080觀察風(fēng)速和旋轉(zhuǎn)速度的風(fēng)速對(duì)風(fēng)電渦輪機(jī)來說至關(guān)重要。 530154（2）功率信號(hào)反饋法 628276(3)爬山搜索法 7在充分考慮風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在實(shí)際生活環(huán)境中的正常工作，以及在不同環(huán)境中工作的實(shí)際情況，根據(jù)不同的環(huán)境條件劃分了八種情況。REF_Ref22869\r\h[15]表3-1不同環(huán)境下工作情況狀態(tài)表狀態(tài)風(fēng)能太陽(yáng)能負(fù)載狀態(tài)1000狀態(tài)2001狀態(tài)3010狀態(tài)4011狀態(tài)5100狀態(tài)6101狀態(tài)7110狀態(tài)8111注:0表示風(fēng)能、太陽(yáng)能、功耗;1表示風(fēng)能、太陽(yáng)能、功耗。狀態(tài)1:表示在初始狀態(tài)下,沒有風(fēng),沒有陽(yáng)光,與環(huán)境沒有聯(lián)系。狀態(tài)2:表示初始環(huán)境中無(wú)風(fēng)無(wú)太陽(yáng),設(shè)備與負(fù)載同步。狀態(tài)3:表示初始環(huán)境中沒有風(fēng),但有陽(yáng)光,設(shè)備沒有連接到負(fù)載。狀態(tài)4:表示從一開始環(huán)境中就沒有風(fēng),但有陽(yáng)光和與負(fù)載連接的設(shè)備。狀態(tài)5:表示從一開始環(huán)境中就有風(fēng),但沒有陽(yáng)光,此時(shí)沒有與負(fù)載連接。狀態(tài)6:表示環(huán)境中有大風(fēng),但初始狀態(tài)下沒有陽(yáng)光,設(shè)備與負(fù)載連接。狀態(tài)7:表示初始環(huán)境中有風(fēng)和陽(yáng)光,但是設(shè)備沒有連接到負(fù)載。狀態(tài)8:表示初始環(huán)境中有風(fēng)和陽(yáng)光,設(shè)備與負(fù)載連接。太陽(yáng)能和風(fēng)能電源系統(tǒng)無(wú)法響應(yīng)由于外部環(huán)境或負(fù)載的變化而引起的變化，需要人工干預(yù)才能使電源系統(tǒng)以最大輸出狀態(tài)（稱為最大功率點(diǎn)）工作(MPP,MaximumPowerPoint)。MaximumPowerPointTracking，最大功率跟蹤。REF_Ref23002\r\h[16]1.1太陽(yáng)能供電系統(tǒng)的最大功率跟蹤在論文的第二部分，我將介紹太陽(yáng)能電池系統(tǒng)的工作原理，它的輸出電流是非線性的，因?yàn)樘?yáng)能電池的弱特性,并受外部因素(如溫度、環(huán)境和陽(yáng)光)的影響,其強(qiáng)度和使用尺寸等因素的影響。盡管輸出電壓和電流都有非線性變化,但總有最佳電壓值,所以太陽(yáng)能就是最大功率。電路分析根據(jù)太陽(yáng)能電池第二部分的輸出功率,當(dāng)電阻與內(nèi)側(cè)電阻時(shí)輸出功率最大,此時(shí)太陽(yáng)能電池板的輸出功率最大。圖3-1不同負(fù)載下的太陽(yáng)能電池的特性曲線通過對(duì)上圖的分析,可以充分利用太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電能。在那里,為了提高光伏系統(tǒng)的能量利用率[17],如上圖3-2所示,光伏電池運(yùn)行時(shí)光伏系統(tǒng)的能量利用率隨著外部光伏強(qiáng)度的突然變化而變化,但當(dāng)外部光伏強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí),IU的特性曲線從1點(diǎn)變?yōu)?點(diǎn),但b點(diǎn)不是特性曲線的最大能量利用率點(diǎn),這就需要我們調(diào)整光伏系統(tǒng)的能量利用率大小。能量點(diǎn)為曲線2,另一方面,如果太陽(yáng)強(qiáng)度突然下降,曲線2為特征點(diǎn)1,同時(shí)應(yīng)將負(fù)載均衡調(diào)整為曲線1上的特征點(diǎn)1,以確保風(fēng)能和太陽(yáng)能系統(tǒng)的最大運(yùn)行時(shí)間。圖3-2不同負(fù)載下的MPPT原理示意圖1.1.1光伏發(fā)電MPPT原理在線性電路中,必須滿足一個(gè)條件才能獲得最大功率:電阻等于外置電阻,如圖3-3所示。然后通過外部回路產(chǎn)生電阻力來跟蹤最高虛線的位置[18]。在給定的時(shí)間內(nèi),微處理器會(huì)對(duì)PVM進(jìn)行比例調(diào)節(jié),改變太陽(yáng)能電池的電流并且確定其電流的變化。然后根據(jù)優(yōu)化跟蹤策略找出最大能量點(diǎn)的位置。針對(duì)太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)最大功率的跟蹤方法有多種,經(jīng)常采用干擾觀測(cè)法、電能增量法等方法。圖3-3等效電路圖恒定電壓法恒定電壓是最簡(jiǎn)單的跟蹤控制方法,最大輸出功率為,單個(gè)太陽(yáng)能電池忽略溫度的影響,在圖像的PU曲線中,最大輸出功率的PU與電壓的值一致,從而使系統(tǒng)更容易控制,更穩(wěn)定[19]。然而,盡管氣壓穩(wěn)定良好,但它忽略了溫度對(duì)垂直開放電壓的影響,這使得控制精度相對(duì)較低,適應(yīng)性不夠強(qiáng)。特別是在溫度較低的地區(qū),需要手動(dòng)干預(yù),這種方法能實(shí)現(xiàn)最大限度的能量跟蹤。但是,只要系統(tǒng)環(huán)境保持穩(wěn)定,如下圖3-5所示。圖3-4太陽(yáng)能電池的PU特性曲線圖3-5恒定電壓法原理框圖(2)擾動(dòng)觀察法目前最廣泛使用的太陽(yáng)能光伏發(fā)電的最大功率控制方法是干擾觀察,原理是光伏電池電壓在給定時(shí)間內(nèi),有兩種干擾方式:增加和降低電壓,在A點(diǎn)進(jìn)行干擾,并使該光伏電壓移動(dòng)到B點(diǎn),如果PA>PB,則繼續(xù)向上移動(dòng),然后到達(dá)相反方向,采用相同的方法,當(dāng)電壓為c點(diǎn)時(shí),在加入干擾后,再進(jìn)行干擾。再次搜索,直到干擾接近P點(diǎn)[20]。圖3-6擾動(dòng)觀察法原理圖擾動(dòng)觀察法的控制算法如下所示：（3-1）（3-2）表3-2符號(hào)定義表符號(hào)表示當(dāng)前電壓的采樣值前一次電壓值擾動(dòng)方向電壓擾動(dòng)步長(zhǎng)功率變化量當(dāng)前功率前一次功率當(dāng)前電流采樣值從算法可以看出,擾動(dòng)觀測(cè)方法可以分為兩個(gè)方面,一個(gè)是擾動(dòng)觀測(cè),另一個(gè)是擾動(dòng)觀測(cè),首先系統(tǒng)在輸出電壓值的一定范圍內(nèi)進(jìn)行步進(jìn),然后通過觀測(cè)進(jìn)行搜索,有兩種情況。如果你在正確的方向上搜索,你很快就能找到最大能量點(diǎn),否則你得先修改S的大小[21]。再進(jìn)行反方向搜索,利用此方法可以使太陽(yáng)能光伏陣列的工作點(diǎn)接近最大能量點(diǎn),并在該點(diǎn)附近產(chǎn)生微振動(dòng)。擾動(dòng)觀測(cè)法明確規(guī)定了該陣列的功率如圖3-7。圖3-7擾動(dòng)觀察法控制框圖紅外觀測(cè)是基于可測(cè)量的電壓和電流對(duì)組件進(jìn)行控制,并對(duì)前期所獲得的能量進(jìn)行比較,因此算法相對(duì)簡(jiǎn)單。然而,盡管算法簡(jiǎn)單,但仍不能解決跟蹤長(zhǎng)度和跟蹤精度之間的矛盾。由于這一矛盾,系統(tǒng)需要持續(xù)不斷的變化來跟蹤負(fù)載的電壓,由于需要持續(xù)的干擾,系統(tǒng)運(yùn)行非常不穩(wěn)定,所以在最大功耗點(diǎn)運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)的性能非常低。REF_Ref23339\r\h[22]另外，當(dāng)外部環(huán)境溫度變化很大時(shí)，系統(tǒng)將判斷錯(cuò)誤。因此，干擾觀測(cè)法的使用環(huán)境需要溫度不時(shí)變化，并且對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求不高，因此該方法仍然適用。（3）增量電導(dǎo)法電能增益方法基于圖1-3中所示的電池特性曲線,當(dāng)電能曲線斜率為零時(shí),功率最大。該方法是對(duì)導(dǎo)體尺寸進(jìn)行比較,確定設(shè)備是否在最大功率點(diǎn)運(yùn)行,如果不是最大功率點(diǎn),可以確定應(yīng)調(diào)整控制算法的方向,控制精度高,響應(yīng)快。該方法也可以以平穩(wěn)的方式進(jìn)行跟蹤,而外部環(huán)境的變化和接近最大功率點(diǎn)的振動(dòng)相對(duì)較小。然而,該方法要求高精度集成電壓和電流,這在一定程度上增加了用戶的成本REF_Ref23391\r\h[23]。1.2風(fēng)能供電系統(tǒng)的最大功率跟蹤在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中,風(fēng)速的大小總是變化的,不是固定的。因此,為了更好地利用風(fēng)力資源,對(duì)風(fēng)力發(fā)電量進(jìn)行最大限度的跟蹤控制,需要對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的最大負(fù)荷進(jìn)行控制。REF_Ref23443\r\h[24]目前生活中普遍使用的小型風(fēng)力渦輪機(jī),因此,針對(duì)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)所采用的最主要的功率跟蹤策略1、功率反饋信號(hào)2、爬升方法。葉尖速比控制法觀察風(fēng)速和旋轉(zhuǎn)速度的風(fēng)速對(duì)風(fēng)電渦輪機(jī)來說至關(guān)重要。圖3-9風(fēng)力機(jī)的功率特性從圖3-9可以看出,風(fēng)速對(duì)應(yīng)的輸出風(fēng)速與輸出風(fēng)速的變化密切相關(guān),每個(gè)風(fēng)速對(duì)應(yīng)最大風(fēng)速點(diǎn),最大風(fēng)速點(diǎn)對(duì)應(yīng)最大風(fēng)能點(diǎn),最大風(fēng)能點(diǎn)對(duì)應(yīng)最大風(fēng)能點(diǎn)。將每個(gè)風(fēng)速的最大功率點(diǎn)連接起來,得出風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最佳風(fēng)速曲線。風(fēng)力發(fā)電機(jī)在這條曲線上運(yùn)行的前提是保持最佳的尖端速度。因此,當(dāng)風(fēng)速發(fā)生變化時(shí),要及時(shí)調(diào)整風(fēng)速,只有這樣,風(fēng)力發(fā)電機(jī)才能獲得最大的風(fēng)能,并輸出最大的機(jī)械能量。，其中，（3-3）關(guān)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的氣動(dòng)特性，根據(jù)貝茨理論可知，當(dāng)風(fēng)速小于額定風(fēng)速時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械功率如下,其中表3-3符號(hào)定義表符號(hào)內(nèi)容空氣密度風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪半徑風(fēng)能轉(zhuǎn)換系數(shù)V風(fēng)速實(shí)際上,Cp是,風(fēng)力渦輪機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的效率。是比分配葉片更快的功能,如圖3-9所示,假設(shè)風(fēng)力渦輪機(jī)正在運(yùn)行。在b點(diǎn),最佳風(fēng)速為2時(shí)的風(fēng)速,此時(shí)風(fēng)速為2時(shí)的風(fēng)速,風(fēng)力渦輪機(jī)的輸入功率等于風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的輸出功率,如果在某點(diǎn),風(fēng)力渦輪機(jī)的輸出功率為2時(shí),風(fēng)力渦輪機(jī)的輸出功率為1時(shí),風(fēng)力渦輪機(jī)的輸出功率為2時(shí),風(fēng)力渦輪機(jī)的輸出功率為2時(shí)。在風(fēng)速增加到v3時(shí),風(fēng)能立刻從能量曲線上的b點(diǎn)躍起。REF_Ref23443\r\h[24]此時(shí)，因?yàn)閮蓚€(gè)原因，發(fā)電機(jī)仍在B點(diǎn)運(yùn)行，一個(gè)是由于機(jī)械慣性的影響，另一個(gè)是在控制系統(tǒng)的調(diào)整過程之后。電源的輸出比系統(tǒng)的輸出還要大這個(gè)電的失衡讓我們?cè)赩3上發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)。一個(gè)在最佳速度下可以匹配的氣勢(shì)曲線和另一個(gè)BC曲線。此外,還可以分析從高到低的風(fēng)速,最大風(fēng)速的捕獲過程和調(diào)節(jié)過程,控制的尖端風(fēng)速的概念是使系統(tǒng)保持最佳風(fēng)速,從而獲得最大功率。當(dāng)風(fēng)速變化時(shí),這種方法的概念非常簡(jiǎn)單,可以通過提供最好的刀具速度來快速找到最大功率點(diǎn)。然而,由于其尺寸和方向的不確定性,調(diào)節(jié)葉尖比的方法更加復(fù)雜,且易于擺動(dòng),系統(tǒng)需要海上風(fēng)速計(jì),這不僅增加了成本,也增加了系統(tǒng)維護(hù)的難度。此外,最佳風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行速度因風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的不同而不同。（2）功率信號(hào)反饋法最大功率反饋是一種跟蹤控制方法,在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最大負(fù)荷曲線上當(dāng)風(fēng)機(jī)的操作點(diǎn)不是最大功率點(diǎn)時(shí)，通過系統(tǒng)控制器不斷調(diào)整，出現(xiàn)錯(cuò)誤，不跟蹤系統(tǒng)的最大功率。REF_Ref23692\r\h[25]圖3-10功率信號(hào)反饋法如圖所示，對(duì)于特定的風(fēng)力渦輪機(jī)，當(dāng)風(fēng)速和葉片槳距角恒定時(shí)，始終存在最佳的葉尖速比λopt，其對(duì)應(yīng)于最大風(fēng)能轉(zhuǎn)換系數(shù)Cpmax。這時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)達(dá)到最高能量轉(zhuǎn)換效率。葉尖速度比λ是葉片尖端的線速度與風(fēng)速之比的函數(shù)。根據(jù)此功能，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的能源利用率在風(fēng)速達(dá)到一定值時(shí)最高。REF_Ref23737\r\h[26]可以看出來，在任何風(fēng)速下，只要通過調(diào)節(jié)風(fēng)輪機(jī)的速度使葉尖速度與風(fēng)速之比保持不變，并且兩者都滿足λ=λopt，則風(fēng)輪機(jī)可以保持為以Cpmax運(yùn)行。功率信號(hào)反饋控制方法的優(yōu)點(diǎn)是控制相對(duì)簡(jiǎn)單。你不需要測(cè)量風(fēng)速，但是你要得到輸出風(fēng)速的曲線是很困難的，你需要通過實(shí)驗(yàn)和模擬來確認(rèn)不同風(fēng)車的曲線是不同的。另外，由于風(fēng)速曲線與風(fēng)輪的空氣動(dòng)力學(xué)特性密切相關(guān)，因此很難實(shí)現(xiàn)。(3)爬山搜索法登山搜索方法基于風(fēng)力發(fā)電的p-ω曲線。風(fēng)力渦輪機(jī)的速度加上一定的騷擾，騷擾點(diǎn)會(huì)增加或減少。根據(jù)功率的變化，確定干擾的方向和大小，直到搜索到最大功率點(diǎn)為止。步驟如下表3-5表3-5爬山搜索法步驟步驟序號(hào)內(nèi)容1選擇轉(zhuǎn)子的初始角度并同時(shí)測(cè)量風(fēng)力發(fā)電機(jī)的相應(yīng)輸出功率。2通過選擇步長(zhǎng)ωstep增大或減小轉(zhuǎn)子的角速度，并相應(yīng)地測(cè)量其輸出功率。3計(jì)算出sign（?P）和sign（?ω）4ωref=ωref（n-1）+sign（?P）sign（?ω）ωstep5從第三步開始，直到達(dá)到最大功率。6從第三步開始，直到達(dá)到最大功率。首先假設(shè)當(dāng)風(fēng)速為V1時(shí)，風(fēng)力渦輪機(jī)在點(diǎn)A處工作，曲線表示的坐標(biāo)為（ωA，PA）?，F(xiàn)在假設(shè)轉(zhuǎn)子角速度以步長(zhǎng)ωstep增大到ωB，并且新工作點(diǎn)的坐標(biāo)為（ωB，PB），從而有:?P=PB-PA>0?sign(?P)=1?ω=ωB-ωA>0?sign(?ω)=1從上面我們可以得到：ωref=ωA+ωstep，連續(xù)增加步長(zhǎng)以達(dá)到工作點(diǎn)（ωC，PC），使用相同的方法繼續(xù)增加直到跟蹤達(dá)到最大工作點(diǎn)（ω1，P1）及其對(duì)應(yīng)的風(fēng)速V1，如果風(fēng)速突然增加到V3，則新工作點(diǎn)的曲線坐標(biāo)為（ωD，PD）,從而有?P=PD-P1>0?sign(?P)=1?ω=ωD-ω1>0?sign(?ω)=1從上面可以得到：ωref=ω1+ωstep，還增加了步長(zhǎng)以達(dá)到（ωE，PE）點(diǎn)，依此類推，直到風(fēng)速為V3時(shí)最大功率點(diǎn)（ω3，P3）為成立。現(xiàn)在假設(shè)風(fēng)速變?yōu)閂2，操作