風光儲直流微電網的雙輸入MPPT控制策略分析

金葉 邢凱淞 張哲 張巖

摘 要：針對以輸出功率為判斷標準的傳統的單輸入擾動觀察法（下文簡稱為“傳統擾動觀察法”）存在的弊端，提出一種可用于風光儲直流微電網的雙輸入變步長擾動觀察法（下文簡稱為“雙輸入MPPT控制策略”），并對風電機組和光伏發電系統分別采用兩種控制策略時的占空比、發電效率等進行了對比分析。分析結果顯示：相較于傳統擾動觀察法，風電機組采用雙輸入MPPT控制策略追蹤最大功率點后，擾動步長減小90%的同時追蹤時間減少了72.3%；光伏發電系統采用雙輸入MPPT控制策略追蹤最大功率點后，擾動步長減小90%的同時追蹤時間減少了39%。仿真結果驗證了雙輸入MPPT控制策略的有效性，該策略適用于電感參與調壓的多種場景。

關鍵詞：光伏發電；風電；蓄電池；風電機組；微電網；最大功率點跟蹤；擾動觀察法

中圖分類號：TM615/TM614 文獻標志碼：A

0? 引言

中國已建成很多大型的風電場及光伏電站，通過采用集中式控制策略保證其整體的輸出功率可控，且此種控制策略已較為成熟，應用也很廣泛[1]。然而對于一些小型風電機組和小型光伏發電系統而言，更多的是需要采用針對小型設備的控制策略，因為這些系統只有成本較低才具有應用價值[2]。而采用風電、光伏發電和蓄電池綜合輸出的新能源發電系統（即“風光儲直流微電網”）常用的控制策略為最大功率點跟蹤（MPPT）策略。

文獻[3]建立了光伏組件仿真模型及MPPT模型用于分析溫度和光照強度對光伏組件輸出特性的影響，并將Boost升壓斬波電路用于光伏組件硬件電路，但此方式未能保證光伏組件輸出電壓恒定。文獻[4]介紹了光伏發電系統常用的光伏MPPT方法，例如：恒定電壓法、擾動觀察法、電導增量法等，并提出了基于模糊控制器的MPPT方法，但該方法使用時模糊控制器的模糊參數需要根據實際情況調試，在不同條件下參數差異較大，不易在工程實踐中推廣。文獻[5]介紹了小型風電機組常用的硬件電路方案，但由于負載的阻值恒定，導致該電路僅能跟蹤穩定功率而無法跟蹤最大功率點。文獻[6]介紹了風電機組常用的MPPT方法，例如：爬山搜索法、最佳葉尖速比法等，并提出了基于模糊比例-積分-微分（PID）控制算法的MPPT方法，但該方法同樣存在模糊參數需調試的問題。文獻[7]介紹了常用的雙向DC-DC變換器的硬件結構，但未對該變換器的電路結構進行深入分析。文獻[8]介紹了混合儲能系統的控制策略，通過電壓外環控制、電流內環控制的雙閉環比例-積分（PI）控制策略維持了直流母線電壓的穩定，但未涉及風電機組轉速穩定性及MPPT策略。

考慮到上述文獻的不足，本文在改進以輸出功率為判斷標準的傳統單輸入擾動觀察法（下文簡稱為“傳統擾動觀察法”）的基礎上，提出一種可用于風光儲直流微電網的雙輸入變步長擾動觀察法（下文簡稱為“雙輸入MPPT控制策略”），即該策略通過控制直流母線電壓維持在恒定值來調整風電機組和光伏發電系統的輸出電壓，并進行對比驗證。

1? 基于雙輸入MPPT控制策略的風光儲直流微電網介紹

本文利用Matlab/Simulink軟件建立了基于雙輸入MPPT控制策略的風光儲直流微電網仿真模型，其中，儲能系統采用蓄電池。該控制策略通過調整直流母線電壓可控制儲能系統在充電模式和放電模式之間切換，從而形成直流微電網?；陔p輸入MPPT控制策略的風光儲直流微電網結構圖如圖1所示。圖中：C1為電容；U1為電壓采集模塊；u為模塊內通過的電壓；Udc為直流母線電壓。采用與電容并聯的電阻來模擬用電負荷，通過電壓采集模塊對直流母線電壓進行實時監測，觀察各子系統的工作情況。

本微電網采用永磁直驅型風電機組，通過不控整流電路將風電機組發出的交流電轉換為直流電，再通過Boost升壓斬波電路將直流電壓轉換成標準電壓為儲能系統充電。該風電機組采用雙輸入MPPT控制策略，可維持功率系數為最大值。光伏發電系統同樣采用雙輸入MPPT控制策略，可使其輸出電壓和輸出電流保持在最大功率點下的理論最佳輸出電壓和理論最佳輸出電流。根據Matlab/Simulink 軟件的多次仿真結果顯示，該微電網中風電機組的發電效率達到98%以上，光伏發電系統的發電效率達到99%以上才符合設計要求；雙輸入MPPT控制策略可使本微電網具有更快的追蹤速度、更好的控制精度及更高的發電效率。本微電網的工作流程圖如圖2所示。圖中：?d為擾動步長；v為風速；?Pm、?P分

別為風電機組和光伏發電系統的輸出功率變化量；P為輸出功率；?U為輸出電壓變化量；U為輸出電壓；Cp為風能利用系數，代表風電機組能夠從風能中吸收的能量比例，風能利用系數是一個有關葉尖速比和槳距角的非線性函數，根據貝茨極限理論，其理論最大值為0.593；?Cp為風能利用系數變化量；λ為葉尖速比；?λ為葉尖速比變化量；D為占空比；U*為目標電壓值。

2? 各子系統的控制策略分析

2.1 儲能系統充放電控制

儲能系統需具有提供電能和儲存電能的功能，也意味著其必須具備電能雙向變換的能力，因此本微電網的儲能系統采用雙向DC-DC變換裝置。本儲能系統的主電路仿真圖如圖3所示。圖中：S1、S2分別為IGBT1和IGBT2的控制開關；g、E、C分別為柵極、發射極、集電極；VM為電壓測量模塊；IL6為電流測量模塊；i為模塊內通過的電流；Isc為蓄電池的電流；L為電感；Usc為蓄電池的電壓。

圖3所示主電路為雙向半橋DC-DC變換電路，其橋臂上有兩個同向的IGBT模塊且這兩個IGBT模塊的控制開關狀態互補（即不能同時導通或關斷）。電壓測量模塊負責監測蓄電池電壓，電流測量模塊負責監測蓄電池電流。

本儲能系統的主電路存在兩種工作模式：

1） Boost升壓斬波模式。此模式下若S1導通、S2關斷，則蓄電池將能量轉移到電感上；若S1關斷、S2導通，則蓄電池和電感共同向直流母線充電，可保持直流母線電壓穩定。

2）Buck降壓斬波模式。此模式下若S1關斷、S2導通，直流母線向電感和蓄電池同時充電；若S1導通、S2關斷，電感將存儲的能量轉移至蓄電池。

對儲能系統仿真時采用Matlab/Simulink軟件自帶的蓄電池模塊，設置直流母線電壓為400 V，由電壓外環電流內環的雙閉環PI控制策略決定主電路IGBT模塊的占空比。仿真結果顯示，雙閉環PI控制策略可使直流母線電壓穩定在400 V不變，具體如圖4所示。

根據電感電流的流動方向可以確定主電路的工作模式：

1）當接入負載時，直流母線電壓降低，需要蓄電池提供能量維持直流母線電壓穩定，電感電流由蓄電池流向直流母線，此時主電路工作在Boost升壓斬波模式。風電機組、光伏發電系統與蓄電池的總輸出功率與負載消耗的總功率相當。當接入負載時蓄電池的輸出功率曲線、荷電狀態（SOC）曲線分別如圖5、圖6所示。

2）當不接入負載或負載功率較低時，可將蓄電池看作負載，直流母線電壓較高，需向蓄電池輸出能量保持電壓穩定，電感電流由直流母線流向蓄電池電路，此時主電路工作在Buck降壓斬波模式。風電機組、光伏發電系統的輸出功率與蓄電池接收的功率相等。當不接入負載時蓄電池的輸出功率曲線、SOC曲線分別如圖7、圖8所示。

2.2? 風電機組MPPT控制策略

對于永磁直驅型風電機組，其輸出功率Pm、

風輪吸收的風能支撐風電機組葉片旋轉，穩態時風輪輸出功率和風電機組輸出功率數值相等，即風電機組輸出功率可表示：

式中：ρ為空氣密度；R為風輪半徑。

建立風電機組的主電路仿真模型，如圖9所示。圖中：A、B、C分別代表A相線、B相線、C相線；p為風電機組的輸入功率；K為目標輸出功率的系數；Cw為風電機組的發電效率；m為風電機組內部測量信息的輸出端。

圖9中的風電機組整流及升壓模塊采用三相不控整流電路和Boost升壓斬波電路，占空比由風電機組MPPT模塊控制。該方法是對占空比施加一定步長的擾動，當占空比增大時觀察風電機組輸出功率是否增大，若增大，則繼續增大占空比；反之，則減小占空比。

當占空比設置為0.5和0.6時，可測得在兩種風速下風電機組的輸出參數，具體如表1所示。

由表1可知：增加占空比能降低風電機組輸出的整流電壓，進而降低風電機組的角速度；角速度降低會使葉尖速比向最佳葉尖速比靠近，進而增大風能利用系數，風電機組輸出功率也隨之增大，并向最大輸出功率移動。

不同槳距角時風電機組的風能利用系數曲線如圖10所示。圖中：β為槳距角；Cp，max為風能利用系數最高值。

由圖10可知：在槳距角為零的情況下，當葉尖速比降低至8.1時，風能利用系數可達到最高值0.48。

設置占空比為0.5、擾動步長為0.005時，運行風電機組MPPT模塊后，觀測到風電機組輸出功率持續上升至理論最大值1940 W；風能利用系數持續升高至0.48，具體如圖11所示；此時風電機組轉矩升高至178 N·m、角速度降低至10.9 rad/s。不同運行時間時，風電機組占空比Dm曲線如圖12所示。由圖12可知：在較短時間內，風電機組占空比就達到了相對穩定。當風電機組占空比穩定在0.7左右時，風電機組發電效率可達98%以上。

綜上可知，大擾動步長的設置可以提高風電機組發電效率，加快最大功率點的追蹤速度。但是傳統擾動觀察法存在缺陷，其無法兼顧減小振幅和提高追蹤速度這兩個目標。通過分析風電機組的硬件電路可以發現，Boost升壓斬波電路存在電感，使風電機組輸出電流產生與電力電子開關同頻率的震蕩，這種震蕩也會影響風電機組輸出功率曲線，使其出現波動。由于傳統擾動觀察法只有輸出功率這一個輸入參數，無法正確區分輸出功率的傳遞方向。在擾動步長較小的情況下，當出現通過調整占空比造成的輸出功率變化小于或等于輸出電流波動引起的輸出功率變化的情況時，則說明傳統擾動觀察法是失效的，因此必須增大擾動步長。該傳統擾動觀察法中占空比的擾動步長調整為0.005時最大功率點追蹤效果較好，但造成占空比具有較大波動，影響風電機組發電效率繼續提升。較大的擾動步長也會造成風電機組轉速、轉矩、輸出的整流電壓都有較大波動。

為避免風電機組輸出電流波動對追蹤速度造成的影響，參考風電機組極值搜索法[9]和變步長控制策略，設計了雙輸入MPPT控制策略，以替代傳統擾動觀察法。風電機組雙輸入MPPT控制策略仿真模型如圖13所示。圖中：n為當前采樣時刻。

結合式（1）、式（2）、圖10可知：當槳距角為零時，風電機組的每1個葉尖速比都有1個風能利用系數與其相對應，且兩者之間為非線性關系[10]。

根據電磁感應定律：

式中：Um為風電機組的輸出電壓；B為磁感應強度；l為導線長度。

根據式（2），可將檢測得到的風電機組輸出功率與固定倍數的風速三次方的比值作為風能利用系數；結合式（1）～式（3）可知，風電機組輸出電壓與風電機組角速度線性相關。因此可將風電機組輸出電壓與固定倍數的風速的比值作為葉尖速比。這就避免了對小型風電機組進行復雜的有關風能利用系數的函數擬合。對于風能利用系數變化量和葉尖速比的變化量而言，若二者都為正，代表擾動為負且方向正確，應繼續增大風電機組的輸出電壓，減小占空比；若二者都為負，代表擾動為正但方向錯誤，應增大風電機組的輸出電壓，減小占空比。二者為一正一負時，若風能利用系數變化量為正、葉尖速比的變化量為負，代表擾動為正且方向正確；若風能利用系數變化量為負、葉尖速比的變化量為正，代表擾動為負且方向錯誤，這兩種情況都應減小風電機組的輸出電壓，增大占空比。

在風電機組發電效率低于98%時采用雙輸入MPPT控制策略，在風電機組發電效率高于98%后切換至固定占空比狀態，這樣可使風電機組在快速跟蹤到最佳占空比后保持占空比恒定，提高其工作效率。

2.3? 光伏發電系統MPPT控制策略

本光伏發電系統采用Boost升壓斬波電路升高光伏陣列輸出電壓，占空比是由輸出功率經擾動觀察模塊比較后輸出。光伏發電系統的主電路仿真模型如圖14所示。圖中：PV為光伏陣列模塊；T為環境溫度；S為太陽輻照度；Upv為光伏陣列輸出電壓；Ppv為光伏陣列輸出功率；Ipv為光伏陣列輸出電流；Dpv為光伏陣列占空比。

光伏發電系統以環境溫度、太陽輻照度及光伏陣列輸出電壓作為輸入參數，經電壓測量模塊和電流測量模塊測量后將數值傳至控制系統。

將占空比保持在0.5，可觀測到光伏陣列輸出電壓保持在200 V，輸出電流較大，輸出功率無法追蹤最大功率點，發電效率偏低。固定占空比時光伏陣列的輸出功率曲線如圖15所示。圖中：紅線是經計算得出的光伏陣列理論最大輸出功率曲線；藍線是在固定占空比情況下得到的光伏陣列輸出功率曲線。

設置占空比為0.5，擾動步長為0.01，則光伏陣列輸出電壓和輸出電流跟隨最大功率點電壓和最大功率點電流，此時，輸出功率始終跟蹤最大功率點。采用傳統擾動觀察法時光伏陣列的輸出功率曲線如圖16所示。圖中：紅線是經計算得出的光伏陣列理論最大輸出功率曲線；藍線是在固定占空比情況下得到的光伏陣列輸出功率曲線。

由圖17可知：盡管傳統擾動觀察法下得到的光伏陣列占空比曲線可以追蹤并保持在最佳占空比（0.4）附近，但無法兼顧追蹤速度與精度，而提高追蹤速度必然要付出精度降低導致占空比劇烈波動的代價。

光伏發電系統的輸出電流波動會造成其輸出功率的波動，為避免輸出電流波動對追蹤速度的影響，參考電導增量法[4]和變步長控制策略設計了雙輸入MPPT控制策略替代傳統擾動觀察法。該控制策略的工作原理可概括為：

1）檢測光伏發電系統的輸出功率變化量和輸出電壓變化量，若二者都為正，代表擾動為負且方向正確，應繼續增大光伏發電系統的輸出電壓，減小占空比。若二者都為負，代表擾動為正且方向錯誤，應增大光伏發電系統的輸出電壓，減小占空比。當二者為一正一負時，若輸出功率變化量為正、輸出電壓變化量為負，則代表擾動為正且方向正確；若輸出功率變化量為負、輸出電壓變化量正，則代表擾動為負且方向錯誤，兩種情況都應減小光伏發電系統的輸出電壓，增大占空比。

2） 光伏發電系統將在輸出效率達到99%后切換至固定占空比狀態。

光伏發電系統雙輸入MPPT控制策略仿真模型如圖18所示。圖中：Cpv為光伏發電系統的發電效率。

3? 雙輸入MPPT控制策略效果及結果分析

利用Matlab/Simulink軟件對采用雙輸入MPPT控制策略的風光儲直流微電網各子系統進行仿真，仿真參數如表2所示，仿真結果如表3所示。

分析表3數據可以發現：風電機組和光伏發電系統的實際輸出電壓比理論值高，這是因為雙輸入MPPT控制策略采用的是先升壓再降壓的功率追蹤方法，能更快追蹤到最大功率點。光伏發電系統在電感的幫助下甚至能有比理論最大值更大的瞬時輸出功率。

雙輸入MPPT控制策略下的風電機組占空比曲線、風電機組擾動方向、風電機組發電效率曲線及傳統擾動觀察法下的風電機組發電效率曲線分別如圖19～圖22所示。

結合圖10、圖19～圖22可知：在槳距角為零的情況下，葉尖速比達到最大值之前，風能利用系數逐漸升高，此時占空比先下降；風能利用系數到達最高點0.48后，隨著葉尖速比升高，風能利用系數開始降低，占空比逐漸升高。在葉尖速比達到最大值后，持續升高的占空比使葉尖速比開始下降，風能利用系數升高，直至風電機組發電效率達到98%以上，此時，風電機組切換擾動步長，運行在固定占空比狀態，使風電機組維持在最高輸出功率直至風速發生變化。

雙輸入MPPT控制策略下的光伏發電系統占空比曲線、光伏發電系統輸出電壓曲線、光伏發電系統發電效率曲線及傳統擾動觀察法下的光伏發電系統發電效率曲線分別如圖23～圖26所示。

結合圖23～圖26可知：在光伏發電系統輸出電壓升高至開路電壓之前，占空比短暫降低，接近開路電壓時，輸出電流為零，輸出功率為零，此時占空比開始升高，升高期間隨著輸出電壓降低和輸出功率的升高，占空比持續升高；由于輸出電流較小，其波動對輸出功率的影響未能使輸出功率降低，因此剔除了輸出電流波動的影響。光伏發電系統可以在較小擾動步長下以很短的時間達到目標占空比，到達目標占空比后切換擾動步長至固定占空比狀態。

雙輸入MPPT控制策略避免了Boost升壓斬波電路的固有缺陷，達到了剔除電感電流脈動對擾動方向檢測的干擾，對比傳統擾動觀察法，雙輸入MPPT控制策略反應迅速，無雜波干擾，且到達目標占空比后迅速穩定，因此可以做到追蹤精度和追蹤速度的同時控制，具有工程實用價值。

綜上可知，相較于傳統的擾動觀察法，采用雙輸入MPPT控制策略后，風光儲直流微電網各子系統的占空比曲線更平滑，追蹤時間更短且追蹤至目標占空比后能保持在目標值恒定，這使各系統的輸出功率更高，更具有優越性。仿真結果顯示，相較于傳統擾動觀察法，風電機組采用雙輸入MPPT控制策略追蹤最大功率點后，擾動步長減小90%的同時追蹤時間減少了72.3%；光伏發電系統采用雙輸入MPPT控制策略追蹤最大功率點后，擾動步長減小90%的同時追蹤時間減少了39%。

4? 結論

本文針對傳統擾動觀察法存在的弊端，提出了一種可用于風光儲直流微電網的雙輸入MPPT控制策略，并對風電機組和光伏發電系統分別采用兩種控制策略時的占空比、發電效率等進行了對比分析。分析結果顯示：相較于傳統擾動觀察法，風電機組采用雙輸入MPPT控制策略追蹤最大功率點后，擾動步長減小90%的同時追蹤時間減少了72.3%；光伏發電系統采用雙輸入MPPT控制策略追蹤最大功率點后，擾動步長減小90%的同時追蹤時間減少了39%。通過采用先升壓再降壓的方案，能夠很好避免Boost升壓斬波電路中電流波動引起的不良影響，能順利過濾雜波，快速準確追蹤最大功率點。

在實際工程應用中，可利用雙輸入MPPT控制策略的快速追蹤能力和高追蹤精度特性對風光儲直流微電網進行數據擬合，反推其功率系數函數。在直流微網電壓穩定的情況下，通過調整占空比可令接入的光伏發電系統和風電機組均處于MPPT模式。本文所提出的雙輸入MPPT控制策略適用于電感參與調壓的多種場景。

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