一種風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的容式儲(chǔ)能弱功率跟蹤控制充電方法

何建國+++傅定文+++趙宏波+++李林強(qiáng)+++敖選+++付文佳

摘 要：風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電由于其無污染、資源豐富等諸多優(yōu)點(diǎn)，對保護(hù)環(huán)境，改善能源結(jié)構(gòu)具有重要意義。控制器是風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的核心，目前采用常規(guī)的是風(fēng)力和太陽能發(fā)電輸出的電能經(jīng)整流濾波電路后變成直流電，這種方法在風(fēng)速相對較低或者弱光照的時(shí)候，有時(shí)產(chǎn)生電壓甚至低于蓄電池的電壓，發(fā)出的電能不能被充入蓄電池而損失。針對以上存在問題，該研究針對這種充電方式提出一種風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的容式儲(chǔ)能弱功率跟蹤控制充電方法，該方法使系統(tǒng)在低風(fēng)速或弱光照時(shí)利用這一部分能量并有效的對蓄電池充電，提高風(fēng)力和太陽能發(fā)電系統(tǒng)的能量利用率。

關(guān)鍵詞：風(fēng)光互補(bǔ)；容式儲(chǔ)能；弱功率跟蹤；充電

1 概述

風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電由于其無污染、資源豐富等諸多優(yōu)點(diǎn)，對保護(hù)環(huán)境，改善能源結(jié)構(gòu)具有重要意義。由于風(fēng)能和太陽能在資源條件和技術(shù)應(yīng)用上都有很好的互補(bǔ)性。隨著新能源發(fā)電的不斷推廣與風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)的不斷成熟[1]，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)作為一種靈活、較為穩(wěn)定的能源供給系統(tǒng)必將成為今后新能源發(fā)展的熱點(diǎn)，并將得到廣泛的發(fā)展與應(yīng)用。

風(fēng)能和光伏的天然波動(dòng)性是無法控制的[2]，風(fēng)力發(fā)電的實(shí)際風(fēng)能利用系數(shù)低于0.593，太陽能存在天陰、早晚弱光照等低功率無法利用的情況，因此充分利用發(fā)電輸出量是很重要的。目前風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電控制系統(tǒng)中風(fēng)力和太陽能發(fā)電輸出的電能經(jīng)整流濾波電路后變成直流電，采樣控制電路通過采集風(fēng)力發(fā)電機(jī)或太陽板發(fā)電數(shù)據(jù)、蓄電池充放電的電壓電流數(shù)據(jù)，確定是否閉合開關(guān)電路對蓄電池進(jìn)行充電。在風(fēng)速高或光照強(qiáng)的時(shí)候，這種控制方法效果不錯(cuò)，可是在風(fēng)速相對較低或者弱光照的時(shí)候，風(fēng)機(jī)或太陽能所產(chǎn)生的電壓電流都比較低，這樣的小電流對蓄電池充電效率很低，有時(shí)產(chǎn)生的電壓甚至低于蓄電池的電壓，過低的充電電壓，可能引起電池深度放電[3]。目前關(guān)于風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電的技術(shù)主要針對的是太陽能和風(fēng)能的充電控制，但未對弱功率充電有專門的研究。

2 容式儲(chǔ)能弱功率跟蹤控制原理

2.1 容式儲(chǔ)能弱功率跟蹤控制技術(shù)

電能的存儲(chǔ)環(huán)節(jié)主要圍繞蓄電池進(jìn)行，它在整個(gè)系統(tǒng)中能起到能量調(diào)節(jié)和平衡負(fù)載的作用[4]。在風(fēng)速相對較低或者弱光照的時(shí)候，風(fēng)機(jī)或太陽能光伏組件所產(chǎn)生的電壓電流都比較低，這樣的小電流對蓄電池充電效率很低，有時(shí)產(chǎn)生的電壓甚至低于蓄電池的電壓，發(fā)出的電能不能被充入蓄電池而損失。容式儲(chǔ)能弱功率跟蹤控制技術(shù)通過在蓄電池前加一個(gè)容量很大的電容儲(chǔ)能器件，將低風(fēng)速或弱光照時(shí)風(fēng)機(jī)和組件所發(fā)出的電能先對這個(gè)儲(chǔ)能器件充電，然后再通過“跟蹤控制系統(tǒng)”對蓄電池充電，從而使風(fēng)機(jī)和組件所產(chǎn)生的電能得到充分的利用，提高風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的能量利用率。

2.2 負(fù)載跟蹤控制技術(shù)

與太陽能發(fā)電系統(tǒng)一樣，當(dāng)風(fēng)力機(jī)輸出能量多于負(fù)載和蓄電池吸收的能量時(shí)，可采用負(fù)載跟蹤控制來調(diào)節(jié)系統(tǒng)功率輸出。負(fù)載跟蹤控制使風(fēng)力機(jī)葉尖速比偏離最佳值，從而降低風(fēng)能利用系數(shù)，以保證風(fēng)機(jī)的輸出功率與負(fù)載消耗功率和充入蓄電池的功率相匹配?？刂破鲗⑿铍姵氐某潆婋娏髋c負(fù)載電流之和作為給定輸入與DC/DC變換器的輸出電流進(jìn)行比較，將其誤差經(jīng)過PID調(diào)節(jié)后產(chǎn)生PWM控制信號來調(diào)節(jié)DC/DC變換器的占空比[5]，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)載跟蹤控制。負(fù)載跟蹤控制可使變換器的輸出電流始終滿足蓄電池和負(fù)載的需要，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率始終與負(fù)載功率和充入蓄電池的功率之和相平衡。

3 容式儲(chǔ)能弱功率跟蹤控制充電裝置

圖1為控制方法工作原理圖，圖中1為風(fēng)力和太陽能發(fā)電、2為整流濾波電路、3為第一開關(guān)電路、4為第二開光電路、5儲(chǔ)能元件、6控制采樣電路、7蓄電池、8控制中心。

裝置工作流程：風(fēng)力和太陽能發(fā)電組件配置的風(fēng)機(jī)和太陽板額定電壓為蓄電池電壓的1.6倍，當(dāng)風(fēng)力比較強(qiáng)或者太陽光照比較強(qiáng)的時(shí)候，控制中心通過控制采樣電路。對整流濾波電路上輸出的電壓值實(shí)時(shí)采樣為高電位值，則控制中心發(fā)出指令同時(shí)閉合第一開關(guān)電路和第二開關(guān)電路，這時(shí)風(fēng)力和太陽能發(fā)電組件產(chǎn)生的電能經(jīng)整流濾波電路后直接對蓄電池進(jìn)行充電；當(dāng)風(fēng)力較弱或者陽光照射不足時(shí)，控制中心通過控制采樣電路對整流濾波電路上輸出的電壓值實(shí)時(shí)采樣為低電位值，這時(shí)由于蓄電池的拉低作用，使這個(gè)電壓值小于能夠繼續(xù)對蓄電池充電的電壓，控制中心發(fā)出指令將第一開關(guān)電路閉合，第二開關(guān)電路斷開，由風(fēng)力和太陽能發(fā)電組件先對儲(chǔ)能元件充電，當(dāng)儲(chǔ)能元件的電壓充電達(dá)到1.25倍蓄電池電壓時(shí)，控制中心發(fā)出指令斷開第一開關(guān)電路，對儲(chǔ)能元件的充電完成，緊接著控制中心發(fā)出指令閉合第二開關(guān)電路，這時(shí)儲(chǔ)能元件開始對蓄電池充電，完成一整個(gè)充電循環(huán)。這樣的充電循環(huán)通過控制中心的控制不斷進(jìn)行，直到蓄電池充滿為止。這樣在風(fēng)力較弱或者陽光照射不足時(shí)，風(fēng)力和太陽能發(fā)電組件產(chǎn)生的弱電能也能夠?qū)π铍姵赜行С潆姡瑥亩岣吡孙L(fēng)力和太陽能發(fā)電的能量利用率。

控制原理：包括高風(fēng)速或太陽光較強(qiáng)時(shí)充電控制、低風(fēng)速或太陽光較弱時(shí)充電控制。

4 結(jié)束語

容式儲(chǔ)能弱功率跟蹤控制系統(tǒng)，通過測量充電電壓，對比充電閾值，合理的控制充電回路，能夠充分利用低風(fēng)速或弱光照時(shí)產(chǎn)生的電能對電池充電，提高了系統(tǒng)的能量利用率，電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，控制穩(wěn)定實(shí)效，可用于中小功率的風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)，如風(fēng)光互補(bǔ)路燈。風(fēng)光互補(bǔ)容式儲(chǔ)能弱功率跟蹤控制充電系統(tǒng)，低風(fēng)速或弱光照時(shí)，風(fēng)力和太陽能發(fā)出的電流電壓較低，不能對蓄電池有效充電，在蓄電池前加一個(gè)容量較小的電容儲(chǔ)能元件，在低風(fēng)速或弱光照情況時(shí)風(fēng)力和太陽能發(fā)出的電能先對這個(gè)儲(chǔ)能元件充電，然后再通過這個(gè)儲(chǔ)能元件對蓄電池充電，從而使風(fēng)力和太陽能產(chǎn)生的電能得到充分的利用，實(shí)現(xiàn)風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)充電效益最大化，還能減小電池板或風(fēng)機(jī)配比，降低成本。

參考文獻(xiàn)

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