《電子技術(shù)應(yīng)用》
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南極低溫環(huán)境下小型風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)仿真研究
2016年電子技術(shù)應(yīng)用第7期
裴玉晶1,,竇銀科1,,劉 磊1,常曉敏2
1.太原理工大學(xué) 電氣與動力工程學(xué)院,,山西 太原030024,;2.太原理工大學(xué) 水利工程學(xué)院,山西 太原030024
摘要: 分析了南極低溫環(huán)境條件對小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的影響,,模擬南極昆侖站氣候條件,,搭建了光伏電池和小型風(fēng)機(jī)模型,進(jìn)行了最大功率跟蹤(MPPT)策略仿真,,仿真結(jié)果證明極地環(huán)境對小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)有一定影響,,驗(yàn)證了風(fēng)光互補(bǔ)最大功率點(diǎn)跟蹤控制策略的正確性。針對南極昆侖站的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行了風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)容量匹配計(jì)算,,結(jié)果表明小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)能夠滿足負(fù)載需求,。
中圖分類號: TM61
文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2016.07.034
中文引用格式: 裴玉晶,竇銀科,,劉磊,等. 南極低溫環(huán)境下小型風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)仿真研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2016,,42(7):134-137.
英文引用格式: Pei Yujing,Dou Yinke,,Liu Lei,,et al. The simulation research on small wind-light complementary system at low temperature in Antarctica[J].Application of Electronic Technique,2016,,42(7):134-137.
The simulation research on small wind-light complementary system at low temperature in Antarctica
Pei Yujing1,,Dou Yinke1,Liu Lei1,,Chang Xiaomin2
1.Institute of Electrical and Power Engineering,,Taiyuan University of Technologyb,Taiyuan 030024,,China,; 2.Water Conservancy Engineering College Taiyuan,Taiyuan University of Technologyb,,Taiyuan 030024,,China
Abstract: This paper analyses the influence of the small wind-light complementary system at low temperature in the polar region. And then build model of photovoltaic cells and small fan for the maximum power point tracking(MPPT) simulation by imitating Antarctic Kunlun station environments. The simulation results prove that the polar environment have an impact on small wind-light complementary system and verify the validity of the strategy. At last, the paper calculates the capacity of the small wind-light complementary system based on the meteorological data of Antarctic Kunlun station. Results show that small wind-light complementary system can satisfy the load demand.
Key words : wind-light complementary;Antarctica,;maximum power tracking,;the calculation of the capacity of the small wind-light complementary system

0 引言

    南極地區(qū)氣溫低下,,環(huán)境惡劣,許多安放在南極地區(qū)的監(jiān)測設(shè)備采用蓄電池供電,。然而由于很多設(shè)備布放位置離工作站很遠(yuǎn),,蓄電池電量耗盡且無法及時(shí)更換致使設(shè)備無法繼續(xù)工作,而丟失很多科考數(shù)據(jù),。鑒于太陽能與風(fēng)能互補(bǔ)性強(qiáng),,風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在資源上彌補(bǔ)了風(fēng)電和光電獨(dú)立系統(tǒng)的缺陷。通過風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)給蓄電池供電既提高了蓄電池的續(xù)航能力又不會污染極地地區(qū)的環(huán)境,,非常適合應(yīng)用在極地地區(qū)[1],。本文結(jié)合極地地區(qū)的氣候環(huán)境,分析了小型風(fēng)機(jī),、光伏電池以及蓄電池在低溫環(huán)境下受到的影響,,對光伏板、小型風(fēng)機(jī)進(jìn)行了極地環(huán)境下的最大功率點(diǎn)跟蹤控制策略的仿真實(shí)驗(yàn),,驗(yàn)證了控制策略的可行性,,最后進(jìn)行了極地環(huán)境下風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)容量匹配的計(jì)算。

1 獨(dú)立小型風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

    目前常用的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏電池,、風(fēng)力發(fā)電機(jī),、控制器、蓄電池等組成,,用于給負(fù)載供電,。若系統(tǒng)中有交流負(fù)載則需要通過逆變器給交流負(fù)載供電。本次研究的小型風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng),,主要用于給直流負(fù)載供電,,無需考慮交流負(fù)載。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,。

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    獨(dú)立小型風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的工作原理是:光伏電池和小型風(fēng)機(jī)作為產(chǎn)生電能的裝置,,把風(fēng)能和光能轉(zhuǎn)換為電能,產(chǎn)生的電能通過控制器中的電能變換電路供給蓄電池,。蓄電池是風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的儲能裝置,,當(dāng)光伏電池和小型風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的電能有盈余時(shí),富余的電能會存儲在蓄電池中,。當(dāng)產(chǎn)生的電能不足時(shí),,蓄電池直接給負(fù)載供電,保證負(fù)載的正常運(yùn)行,。對于小型的風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)而言,,由于使用的是小型風(fēng)機(jī),當(dāng)遇到大風(fēng)天氣時(shí),需使用卸載電路對小型風(fēng)機(jī)進(jìn)行保護(hù),。應(yīng)用在南極環(huán)境時(shí),,可以使用加熱絲進(jìn)行卸荷,這樣,,在卸荷的同時(shí)還能對控制設(shè)備進(jìn)行加熱提高設(shè)備的性能,。

2 極地低溫環(huán)境對風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的影響

    南極昆侖站位于海拔4 000多米的南極內(nèi)陸,現(xiàn)場夏季平均溫度在-30 ℃左右,。全年晴天的天數(shù)要比長城站多,,存在極晝和極夜現(xiàn)象。正因?yàn)槟蠘O環(huán)境的特殊性,,在極地低溫環(huán)境下會對由小型風(fēng)機(jī),、光伏電池還有蓄電池組成的小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的性能造成一定的影響。

2.1 對風(fēng)機(jī)的影響

    在極地低溫環(huán)境下容易出現(xiàn)霧凇現(xiàn)象,,使風(fēng)機(jī)的葉片表面結(jié)晶,,粗糙度增加,葉片翼型受到表面粗糙度影響,,會降低翼型的氣動性能,。低溫對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的各個(gè)部件的影響是不一樣的[2],風(fēng)機(jī)傳動系統(tǒng)中的零部件承受沖擊載荷,,可能會發(fā)生低溫脆性斷裂,,因此在風(fēng)速過大以及溫度過低時(shí),要避免頻繁緊急制動以及其他會產(chǎn)生較大沖擊載荷的操作,。dy-t2.gif昆侖站位于海拔4 000多米的南極內(nèi)陸,,海拔的升高對于空氣密度有一定的影響,海拔越高空氣越稀薄,,空氣密度減小,從而降低了風(fēng)能的利用率,,間接影響了風(fēng)機(jī)的效率,。

2.2 對光伏電池的影響 

    光伏電池的輸出功率大小主要受到光照強(qiáng)度和溫度的影響,當(dāng)光照強(qiáng)度一定時(shí),,光伏電池組件的開路電壓,,短路電流與環(huán)境溫度都有一定的關(guān)系。使用文獻(xiàn)[3]中的方法對光伏電池進(jìn)行建模,,其封裝圖如圖2所示,。

    圖3為對光伏電池在光照強(qiáng)度為1 000 W/m2,溫度分別為0 ℃,、-10 ℃,、-20 ℃、-30 ℃時(shí)進(jìn)行MATLAB仿真的電壓-電流曲線圖,,從圖3中可以看出開路電壓與溫度成負(fù)系數(shù)關(guān)系,,即溫度越低,,開路電壓越高。短路電流與溫度成正系數(shù)關(guān)系,,即溫度越低,,短路電流越小[3]

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2.3 對鉛酸蓄電池的影響

    在所有的極地氣候條件中,,溫度的高低會大幅度影響鉛酸蓄電池的充放電性能,。因?yàn)殂U酸蓄電池的核心是電極和電解液界面,而電極和電解液界面上的電化學(xué)反應(yīng)與環(huán)境溫度密切相關(guān),。如表1所示,,隨著溫度的降低,鉛酸蓄電池容量會減少,。因?yàn)樵诘蜏貭顟B(tài)下,,電解液電導(dǎo)率下降,極性材料表面的離子傳輸能力也下降,,這些因素導(dǎo)致電池的內(nèi)阻增大,,充電效率和電池容量都會降低。溫度降低,,電極的反應(yīng)速率也會隨之降低,。若蓄電池電壓保持不變,當(dāng)放電電流降低時(shí),,蓄電池的輸出功率也會降低,。

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3 跟蹤控制策略仿真

3.1 光伏電池的MPPT策略仿真

    光伏電池最大功率跟蹤技術(shù)已成熟應(yīng)用的方法有恒壓法、擾動觀察法和電導(dǎo)增量法等,。文獻(xiàn)[4]對比了三種方法的優(yōu)缺點(diǎn),。本文采用電導(dǎo)增量法進(jìn)行MATLAB仿真。光伏電池的參數(shù)為UOC=22.41 V,,ISC=0.61 A,,VM=17.9 V,IM=0.56 A,,額定功率為10 W,。以上參數(shù)都是標(biāo)準(zhǔn)條件(T=25 ℃,S=1 000 W/m2,,AM=1.5)下測量的參數(shù),。選取昆侖站附近的溫度,約為-30 ℃,。電導(dǎo)增量法步長的選取比較特殊,,步長選取過大,跟蹤的誤差會變大,選取過小則跟蹤速度會變慢[5-8],。本文選取的步長為0.001 V,。仿真圖如圖4所示。

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    如圖5所示,,初始階段光照強(qiáng)度為1 000 W/m2,,在標(biāo)準(zhǔn)條件下該光伏電池的功率為10 W,可以看出溫度變?yōu)?30 ℃時(shí),,功率由標(biāo)準(zhǔn)條件下的10 W降低到8.47 W,,輸出電壓也由標(biāo)準(zhǔn)條件下的17.9 V變?yōu)?16.1 V,因此,,溫度降低光伏電池的輸出功率和輸出電壓都相對降低了,。

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    由圖5知,雖然啟動階段光伏電池的輸出電壓和輸出功率變化比較大,,但其響應(yīng)速度相對比較理想,,在0.06 s附近進(jìn)入到了穩(wěn)定階段。在t=0.4 s時(shí)光照強(qiáng)度變?yōu)?00 W/m2,,t=0.7 s時(shí)光照強(qiáng)度變?yōu)?00 W/m2,。此外,光照強(qiáng)度在t=0.4 s,、0.7 s這兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)變化時(shí),,輸出功率在光照強(qiáng)度的影響下發(fā)生了跳變,可以看出跟蹤算法在不到0.05 s時(shí)已經(jīng)跟蹤到了最大功率點(diǎn)并且穩(wěn)定在了新的工作點(diǎn)上,,并以最大功率進(jìn)行輸出,。進(jìn)而得出即使在-30 ℃的極地低溫環(huán)境下,該控制策略也可以迅速地追蹤到最大功率點(diǎn),,并且在新的工作點(diǎn)上有穩(wěn)定的功率輸出,,從而保證光伏電池能夠以最大輸出功率穩(wěn)定地為設(shè)備供電。

3.2 小型風(fēng)機(jī)的MPPT策略仿真

    風(fēng)機(jī)常用的MPPT控制方法有葉尖速比控制法,、功率反饋法,、擾動觀察法等。葉尖速比控制法需要提前知道風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率特性及電機(jī)的相關(guān)參數(shù),,還需不間斷采集風(fēng)速信息,成本較大,。功率反饋控制法就是查表,,要提前確定最大功率曲線。擾動觀察法控制簡單,,便于實(shí)現(xiàn),,不需知道風(fēng)機(jī)和發(fā)電機(jī)參數(shù),也不需測算風(fēng)速,成本較低,。對于跟蹤精度和跟蹤速度要求不高的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)而言,,擾動觀察法容易實(shí)現(xiàn)[9-10]

    本文采用的就是擾動觀察法,。10 W小風(fēng)機(jī)的參數(shù)為:定子電阻為0.05 Ω,,直軸電感、交軸電感均為0.835 mH,。額定風(fēng)速為10 m/s,,最大風(fēng)速不超過40 m/s??紤]到南極昆侖站的海拔高度為4 000多米,,而海拔高度對空氣密度有所影響,進(jìn)而影響到風(fēng)能的利用率,。海拔高度與大氣壓力和空氣密度相對應(yīng)的關(guān)系如表2所示,。

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    在0 ℃、絕對標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)下,,空氣密度為1.297 kg/m3,。由此可以計(jì)算出南極昆侖站的空氣密度約為0.847 kg/m3。將這個(gè)值代入到風(fēng)機(jī)仿真模型中進(jìn)行仿真,。仿真模型如圖6所示,。

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    已知在標(biāo)準(zhǔn)條件下,當(dāng)風(fēng)速為額定風(fēng)速10 m/s時(shí)風(fēng)機(jī)達(dá)到額定功率10 W,,從圖7中可以看出當(dāng)海拔變?yōu)? 000 m時(shí),,空氣密度的降低影響了風(fēng)能的利用率,當(dāng)風(fēng)速為10 m/s時(shí)其功率下降到了8.4 W,。

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    如圖7所示,,在啟動階段風(fēng)機(jī)的功率變化比較大,但是其響應(yīng)速度較理想,,在0.12 s左右進(jìn)入到了穩(wěn)定階段,。在t=1 s、2 s這兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)風(fēng)速分別跳變?yōu)? m/s,、10 m/s,,輸出功率隨之發(fā)生跳變。但是可以看出跟蹤算法在0.06 s的時(shí)間內(nèi)就已經(jīng)跟蹤到了最大功率點(diǎn),,跟蹤速度很快,,并且能夠迅速穩(wěn)定在新的工作點(diǎn)上,并以最大功率進(jìn)行輸出,。由以上分析可知,,小型風(fēng)機(jī)在海拔高的地區(qū),,其風(fēng)能利用率由于空氣密度的降低而降低。從而其輸出功率比在標(biāo)準(zhǔn)空氣密度的條件下會有所降低,,但是其跟蹤速度較快,,跟蹤精度相對而言比較理想。其功率波動在0.1 W以內(nèi),??紤]到風(fēng)能的隨機(jī)性與波動性,該策略在極地地區(qū)是可行的,。

4 極地環(huán)境下風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)容量計(jì)算

    在極地環(huán)境下,,選擇合適的小型風(fēng)機(jī)和光伏板,使它們產(chǎn)生的電能大于負(fù)載消耗的電能,,否則會影響風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的可靠性,。選取南極昆侖站一個(gè)月的風(fēng)速數(shù)據(jù)和光輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù),對這個(gè)月的光伏發(fā)電量和風(fēng)機(jī)發(fā)電量進(jìn)行計(jì)算,,確保所選擇的風(fēng)機(jī)和光伏電池在極地條件下能夠滿足負(fù)載需求,。

    風(fēng)力發(fā)電機(jī)每個(gè)月發(fā)電量是由該區(qū)域的風(fēng)能資源和風(fēng)機(jī)輸出功率曲線決定的,對于本文選取的小型發(fā)電機(jī),,給出每月發(fā)電量計(jì)算公式,,如式(1)~式(3)所示。

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其中Ew表示當(dāng)月發(fā)電量,,vs表示啟動風(fēng)速,,vi表示實(shí)時(shí)風(fēng)速,vn表示額定風(fēng)速,,vo表示停機(jī)風(fēng)速,,Pn表示額定功率,Hi表示小時(shí)數(shù),。

    本文選用的10 W小風(fēng)機(jī),,啟動風(fēng)速為3 m/s,額定風(fēng)速為10 m/s,,停機(jī)風(fēng)速為40 m/s,。昆侖站位于海拔4 000 m左右,由表2可知相對空氣密度為0.653,,所以其額定功率Pn是風(fēng)機(jī)的標(biāo)稱額定功率乘以系數(shù)0.653,,P為風(fēng)機(jī)的標(biāo)稱額定功率。如式(4)所示,。

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    光伏電池的發(fā)電量與輻射量密切相關(guān),,現(xiàn)選取一個(gè)便于應(yīng)用到實(shí)際中的光伏電池的計(jì)算公式來計(jì)算光伏電池每月的發(fā)電量。如式(5)所示,。

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式中Fi表示某月光伏電池單位面積輻射量,,單位為MJ/m2,ηm表示光伏電池轉(zhuǎn)換效率取值為15%,,F(xiàn)v表示光伏電池的封裝因子,,取值0.9,F(xiàn)s表示積塵因子,,取值0.96,,S為光伏電池的面積,此次使用的10 W光伏電池面積為355 mm×245 mm,。

    根據(jù)中國南極測繪研究中心官方網(wǎng)站提供的南極昆侖站數(shù)據(jù),,選取2015年11月的風(fēng)速和輻射量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,風(fēng)速數(shù)據(jù)如表3所示,。

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    根據(jù)表3數(shù)據(jù),,代入風(fēng)機(jī)每月發(fā)電量式(1)、式(2),、式(3)中,,求得Ew=630.72 WH。

    南極昆侖站2015年11月光伏電池單位面積輻射量約為1 347.84 MJ,,代入光伏電池每月發(fā)電量式(5)中求得Ev=4 220.2 WH,。

    負(fù)載為冰物質(zhì)平衡監(jiān)測設(shè)備,此設(shè)備一個(gè)月的耗電量為1 728 WH,,風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)在2015年11月產(chǎn)生的總電量為4 850.92 WH,,由此可知該月發(fā)電量完全可以滿足負(fù)載所需,甚至還可以為蓄電池提供3 122.92 WH的電量,。富余的電量可以通過加熱絲給設(shè)備加熱以提高設(shè)備的性能,。

5 結(jié)束語

    本文對風(fēng)機(jī)、光伏電池和蓄電池在極地低溫環(huán)境下受到的影響進(jìn)行了分析,,闡述了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在極地低溫環(huán)境下性能的變化,。以此為基礎(chǔ)模擬昆侖站的氣候條件,分別對光伏電池和小型風(fēng)機(jī)建立模型,,進(jìn)行了各自的MPPT策略仿真,,分析其仿真結(jié)果。仿真結(jié)果證明南極環(huán)境條件使風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的性能降低,,同時(shí)驗(yàn)證了最大功率跟蹤策略的正確性,。最后對南極昆侖站2015年11月的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,計(jì)算出風(fēng)機(jī)和光伏電池的當(dāng)月發(fā)電量,,完全滿足冰物質(zhì)平衡監(jiān)測設(shè)備的需求,。由于極地環(huán)境惡劣多變,本文僅在理論方面進(jìn)行了研究,,還需要設(shè)計(jì)出應(yīng)用于實(shí)際的小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng),,進(jìn)一步驗(yàn)證所提策略的實(shí)用性與正確性,。

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