—16—風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u869風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)案例 1242121.1太陽能發(fā)電最大功率跟蹤研究 1199731.2風(fēng)力發(fā)電最大功率跟蹤研究 6212201.3蓄電池充放電控制研究 720851.1.1蓄電池充電控制 893361.1.2蓄電池放電控制 11.1太陽能發(fā)電最大功率跟蹤研究在圖2.4當(dāng)中光伏電池的伏安特性曲線可以看出其輸出功率是非線性的，受到諸如光照、溫度等諸多因素的影響，而在不同條件下，總會(huì)存在一個(gè)最大功率點(diǎn)MPP，因此，可以通過人為的干預(yù)使得系統(tǒng)始終處在最大功率輸出狀態(tài)，這種方法就稱之為最大功率跟蹤MPPT（MaximumPowerPointTracking）。由電路知識(shí)可以知道，當(dāng)外部阻抗與內(nèi)阻相等時(shí)，輸出功率最大。因此太陽能發(fā)電部分最大功率跟蹤就是在DC/DC變換電路中，調(diào)節(jié)開關(guān)管的占空比來改變外接負(fù)載阻抗值，從而實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。最大功率跟蹤的原理如圖3-1所示：CADB曲線2曲線1輸出電壓U（V）輸出電流I（A）CADB曲線2曲線1輸出電壓U（V）輸出電流I（A）圖3-1不同光照與負(fù)載下MPPT原理示意圖曲線1為高光照時(shí)太陽能電池伏安特性曲線，曲線2為低光照時(shí)太陽能電池伏安特性曲線。當(dāng)光照突然由低轉(zhuǎn)強(qiáng)時(shí)，原本負(fù)載工作在A點(diǎn)（也即曲線2光照條件下的MPP點(diǎn)），在曲線1光照條件下，負(fù)載工作在B點(diǎn)，而B點(diǎn)不是曲線1條件下的最大功率點(diǎn)，因此需要人為干預(yù)，調(diào)節(jié)負(fù)載等效阻抗的大小使其轉(zhuǎn)至C點(diǎn)（也即曲線1光照條件下的MPP點(diǎn)）工作。同理，當(dāng)光照突然由強(qiáng)轉(zhuǎn)低時(shí)，原本負(fù)載工作在C點(diǎn)（也即曲線1光照條件下的MPP點(diǎn)），在曲線2光照條件下，負(fù)載工作在D點(diǎn)，而D點(diǎn)不是曲線2條件下的最大功率點(diǎn)，因此需要人為干預(yù)，調(diào)節(jié)負(fù)載等效阻抗的大小使其轉(zhuǎn)至A點(diǎn)（也即曲線2光照條件下的MPP點(diǎn)）工作。通過這樣的方式，確保無論外界條件如何變化，系統(tǒng)始終工作在最大功率點(diǎn)，以獲得最佳的工作效率，提升系統(tǒng)性能。目前常用的最大功率跟蹤算法有很多種，比較常用的有恒定電壓法（CVT）、擾動(dòng)觀察法（P&O）、增量電導(dǎo)法（INC）等。（1）恒定電壓法恒定電壓法是最容易實(shí)現(xiàn)的最大功率跟蹤方法，其算法簡(jiǎn)單易懂，并忽略了溫度對(duì)0.1kW/m20.2kW/m20.4kW/0.1kW/0.2kW/0.4kW/0.7kW/1kW/Power(W)Voltage(V)圖3-2恒定電壓法示意圖如圖3-2所示，繪制了1000W/m2、700W/m2、400W/m2、200W/m2（2）擾動(dòng)觀察法PMBB1A1APower(W)Voltage(V)擾動(dòng)觀察法是MPPT算法中使用最為廣泛的算法，其原理較為簡(jiǎn)單。PBB1A1APower(W)Voltage(V)圖3-3擾動(dòng)觀察法示意圖—17—擾動(dòng)觀察法即是每隔一段時(shí)間對(duì)電壓進(jìn)行擾動(dòng)，增加或減少一定量的電壓ΔU，對(duì)比輸出功率前后變化情況，直至電壓達(dá)到最大功率點(diǎn)電壓。如圖上所示，在A點(diǎn)工作時(shí)，對(duì)系統(tǒng)輸入一個(gè)電壓擾動(dòng)，電壓被擾動(dòng)至A1點(diǎn)，若PA1>PA，則繼續(xù)添加擾動(dòng)，直至PM，若通過這個(gè)過程我們可以看出，使用擾動(dòng)觀察法的系統(tǒng)會(huì)因?yàn)闀r(shí)刻受到擾動(dòng)而使輸出也有小幅波動(dòng)，另外，擾動(dòng)步長(zhǎng)ΔU（3）增量電導(dǎo)法增量電導(dǎo)法是直接分析太陽能輸出特性曲線而得到的最大功率跟蹤方法，其過程與擾動(dòng)觀察法有類似之處，但因?yàn)樵黾恿朔€(wěn)態(tài)判定而使得輸出穩(wěn)定性有一定的提升。dPdU<0dPdU>0PdPdPPower(W)Voltage(V)圖3-4增量電導(dǎo)法示意圖系統(tǒng)輸出功率表達(dá)式為： P=UI （1.1）兩邊同時(shí)對(duì)U求導(dǎo)得： dPdU=I+U當(dāng)系統(tǒng)工作在最大功率點(diǎn)時(shí)有： dPdU=0也即，系統(tǒng)工作在最大功率點(diǎn)時(shí) dIdU=?由此易得，系統(tǒng)工作在最大功率點(diǎn)左邊時(shí)—18— dIdU>?系統(tǒng)工作在最大功率點(diǎn)右邊時(shí) dIdU<?該種方法通過對(duì)比瞬時(shí)電導(dǎo)的負(fù)值?IU與電導(dǎo)變化量1.2風(fēng)力發(fā)電最大功率跟蹤研究對(duì)風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤最常用的方法是葉尖速比法。由圖2-5風(fēng)能利用曲線知，總存在一個(gè)最佳葉尖速比λ，使風(fēng)能利用系數(shù)Cp λ=ωRv其中，ω為風(fēng)輪角速度（rad/s），v為風(fēng)速，n為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速（r/min）當(dāng)風(fēng)速改變時(shí)，可以通過改變風(fēng)輪轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)葉尖速比，進(jìn)而獲得最大風(fēng)能利用系數(shù)，使系統(tǒng)工作在最大功率點(diǎn)，這就是葉尖速比法的控制思路。如圖3-5為葉尖速比法原理圖。λ=ωR/v風(fēng)力機(jī)角速度ω風(fēng)速v風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制器-+λ=ωR/v風(fēng)力機(jī)角速度ω風(fēng)速v風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制器-+最佳葉尖速比λm圖3-5葉尖速比法原理圖在原理圖中可以看到，算法使用傳感器測(cè)得的風(fēng)速v與風(fēng)力機(jī)角速度ω計(jì)算出當(dāng)前的葉尖速比λ，再與計(jì)算獲得的λm相比較，所得差值傳給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速從而保證系統(tǒng)始終工作在最大功率點(diǎn)。因此該種控制方法需要設(shè)置風(fēng)速計(jì)，并采集風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，雖然增加了一定的硬件成本，但方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，在數(shù)據(jù)測(cè)量精確的情況下，能夠得到較好的控制精度與追蹤速度。1.3蓄電池充放電控制研究系統(tǒng)的儲(chǔ)能部分選擇使用由多塊鋰離子電池串并聯(lián)組成的鋰離子電池組。風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)的供電質(zhì)量與電池組的運(yùn)行狀態(tài)直接相關(guān)，且過充和過放都會(huì)對(duì)蓄電池造成不可逆的傷害，增加維護(hù)成本。因此，對(duì)蓄電池的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)充放電進(jìn)行控制，是十分必要的?！?9—1.1.1蓄電池充電控制鋰離子電池常用的充電控制方法主要有三種，恒壓充電、恒流充電還有將兩者結(jié)合使用的兩階段充電。恒壓充電即是保持充電電壓不變的充電方式，這樣的充電方式在充電剛開始的初期，充電電流會(huì)很大，充電速度快，但是會(huì)導(dǎo)致電池發(fā)熱情況明顯，若電池散熱不好或者是在炎熱的夏季，電池散發(fā)的熱量不能被及時(shí)排除，會(huì)極大影響電池壽命。恒壓充電過程中電壓電流變化示意圖如圖所示。充電電壓時(shí)間t充電電流充電電壓充電電壓時(shí)間t充電電流充電電壓U充電電流I圖3-6恒壓充電電壓電流變化若減小充電電壓便可使該問題得以改善，但是會(huì)導(dǎo)致電池充不滿電，因此這種方法更適用于電壓低，容量小的電池充電。恒流充電即是保持充電電流不變的充電方式，這樣的充電方式在充電快結(jié)束的末期，充電電壓會(huì)很大，對(duì)電池壽命也很不利。恒流充電過程中電壓電流變化示意圖如圖所示。充電電壓U充電電流I時(shí)間充電電壓U充電電流I時(shí)間t充電電壓充電電流圖3-7恒流充電電壓電流變化—20—若減小充電電流便可使該問題得以改善，但是會(huì)導(dǎo)致充電時(shí)間過長(zhǎng)，同樣會(huì)對(duì)電池壽命產(chǎn)生影響。在風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)中也很難保證其輸出電流長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定，因此該種方法也存在局限性。綜上所述，若將兩種充電模式結(jié)合起來，對(duì)電池進(jìn)行“兩階段充電”即可使兩種充電方法優(yōu)劣互補(bǔ)，延長(zhǎng)蓄電池壽命。在第一階段開始充電時(shí)，為了避免恒壓充電起始電流過高的問題，可以采用恒流充電的方式，同時(shí)為了延長(zhǎng)電池壽命，可以適當(dāng)降低電壓，充至一定程度時(shí)，記此時(shí)電池電壓為V2，進(jìn)入第二階段充電。第二階段充電時(shí)，采用恒壓充電方式以避免恒流充電末期電壓過高的問題。兩階段充電程序流程圖如圖3-8所示。開始開始是否是否過放電壓<電池電壓<過放電壓<電池電壓<V2?否恒流充電是否恒流充電是V2<電池電壓<過充電壓?V2<電池電壓<過充電壓?恒壓充電停止充電恒壓充電停止充電返回返回圖3-8兩階段充電程序流程圖充電電壓U充電電流I充電電壓U充電電流I時(shí)間t第二階段恒壓充電第一階段恒流充電充電電壓時(shí)間t第二階段恒壓充電第一階段恒流充電充電電壓充電電流圖3-9兩階段充電過程中電壓電流變化PAGE2通過觀察兩階段充電過程中電壓電流變化示意圖可以得出，該種充電方法可保證電壓電流全程都穩(wěn)定在合理范圍之內(nèi)，因此能夠保證電池壽命不受影響，同時(shí)又能夠保證一定的充電速度。這樣的充電控制方式對(duì)于防止過充，延長(zhǎng)蓄電池壽命十分有利。為進(jìn)一步優(yōu)化蓄電池工作情況，一些文獻(xiàn)提出可以設(shè)置蓄電池浮充階段，在蓄電池充電程度接近100%時(shí)，可以通過浮充階段來保持蓄電池的端電壓，彌補(bǔ)其自放電。浮充階段的電壓低于恒壓充電過程的電壓，而略高于蓄電池電壓。其充電過程中的電壓電流變化情況如圖3-10所示。充電電流充電電壓充電電壓充電電流時(shí)間t浮充階段第二階段恒壓充電第一階段恒流充電充電電流充電電壓充電電壓充電電流時(shí)間t浮充階段第二階段恒壓充電第一階段恒流充電充電電壓U充電電流I圖3-10帶有浮充的電壓電流變化本文設(shè)計(jì)的蓄電池儲(chǔ)能模塊使用兩階段充電方案，因本系統(tǒng)采用鋰離子電池做儲(chǔ)能模塊，鋰離子電池的保養(yǎng)講究“少食多餐”，在文獻(xiàn)[14][15]中提出將鋰離子電池充電至80%時(shí)，循環(huán)損耗實(shí)際上很低，與充電到100%相比可以大大延長(zhǎng)電池壽命，提高可循環(huán)次數(shù)，理論上可延長(zhǎng)5倍以上。這是一種使用較淺的充、放電深度來延長(zhǎng)蓄電池壽命的方法?；诖死碚摚稍诳刂葡到y(tǒng)中，設(shè)置充電停止電壓（也即過充電壓）為80%容量時(shí)的電池電壓。1.1.2蓄電池放電控制在弱光、無風(fēng)等條件下，系統(tǒng)發(fā)出的電能不抵蓄電池放出的電能時(shí)，蓄電池電量不斷減少，端電壓也不斷降低。若因一系列的問題導(dǎo)致蓄電池過放、端電壓U低于過放電壓Ul開始開始系統(tǒng)初始化系統(tǒng)初始化采集發(fā)電系統(tǒng)電壓與電池電壓采集發(fā)電系統(tǒng)電壓與電池電壓是是電