海水养殖区风光互补发电系统
董法强，隋江华，韩瑞斌
（大连海洋大学航海与船舶工程学院，辽宁大连116023）
视和快速的发展，其中风能和太阳能是最具潜力的清洁能源.近年来，我国海水养殖业发晨远 摘要：由于常规化石能源的短缺及其使用过程中造成的环境问题，新能源得到了高度重速，规模居世界首位，而沿海地区拥有较好的风能和太阳能资源，文中设计将风光互补发电系统应用沿海地区，为海水养殖区提供电力解决方案.
关键词：海水养殖；发电；新能源
中图分类号：SU4.TM614文献标志码：B文章编号：1009-3230（2016)11-0001-03
Wind-SolarHybridIonSystemofSeaWaterBreedingArea
DONG Fa qiang SUI Jiang hua HAN Rui bin( DaLian Ocean University College of Navigation and Ship Engineering Dalian 116023 Liaoning Province China)
Abstract: The new energy has been highly valued and rspid development due to the shortage ofconventional fossil energy and environmental problems in which wind and solar energy is the mostpotential clean energy. In recent years the scale of sea water breeding area is the most rapidly developing in the world and the coastal areas have better wind and solar energy resources The wind- solar hybrid power generation system is designed to provide power solutions for the sea waterbreeding area.
Key words: Sea water breeding area; Generate power; New energy
可靠性.
1风光互补发电系统结构
风力机从风中捕获到的功率由下式来定义：
文中研究的是离网型系统，是由风力发电机、光伏电池、控制器、整流器（AC-DC）、逆变器（DC-AC）、蓄电池、负载构成.
其中，P是风力机捕获到的功率；p是空气密度；A是指风力机叶片扫略过面积：V是指风速；C，指功率系数，即捕获风能的能力.
1.1风力发电机
目前，小功率风力发电机应用最广泛的是三叶片升力型水平轴风力机，常采用永磁同步发电机，发电机采用永磁体励磁，无励磁损耗，风机对发电机采用直驱模式，减少了传动装置，提高了
由式可知，风力机的功率在风速、空气密度、风机尺寸确定的情况下，影响功率大小的因素是功率因数C，，功率系数可以通过理论计算得出，限1-2]. 其最大值为16/27（约为0.593），称为贝兹极
功率因数C，是变化的，可以通过调节功率因数C，来进行最大功率跟踪控制.
1.2光伏电池
率，如果输出功率变化增大，则继续保持此方向的扰动，直到功率变化为零或者减小，这时改变扰动方向.如此循环，风力机的输出功率将会围绕在最大功率点附近.
光伏电池利用光生伏特效应将太阳能直接转变为电能并得已使用.电路模型中，为光生电流，其大小与光伏电池的面积和太阳光辐射强度呈正比关系，平均每平方厘米的光生电流为16-30mA.I为流过二极管的电流，称为暗电流，指在没有光照情况下，外电压施加在光伏电池产生的电流.R，为串联电阻，其值一般小于1，由光伏电池的表面电阻、接触电阻等组成，R，越大，工作效率越低.R称为旁路电阻，是由光伏电池的漏电流I所引起.1是光伏电池流过负载R，的负载电流.U为开路电压，指R为无穷大即负载处开路情况下所测得的电压值，其大小与环境温度成反比，与光照强度成正比.
扰动的大小称为步长，步长越大，调节速度越快，调节精度下降，步长越小，调节缓慢，调节精度较高.因此，扰动观察法常来用变步长调节方式，即当风力机输出功率与最大功率差距较大时，采用大步长调节，当接近最大功率时，采用小步长扰动.由于扰动步长的存在，风力机输出功率不会停留在最大输出功率上，而是在最大功率点附件震荡，因此需要设置一个区间，当功率到达这个区间时，即认为已达到最大功率.
光伏电池的MPPT过程实际是一个自寻优的过程，即通过调整系统内阻与负载相等，来获取最大功率的输出.目前，其控制算法有恒压法、扰动观察法、电导增量法、实际测量法、滞环比较法、模期控制、人工神经网络法等.由于扰动观察法的诸多优点，实际工程中，变步长的扰动观察法应用较多.本系统的光伏部分的MPPT让采用扰动观察法来进行MPPT，同时也使得程序具有一致性，简化了程序设计.
光伏电池的伏安特性关系可以看出，输出电压和输出电流与光照强度都呈现出正比关系，随着光照强度的增强而增大，从面输出功率随着光照强度的增强而变大.在一定的光照强度下，输出电流随着输出电压的增大基本保持不变，但是当输出电压达到某一值时，输出电流急剧减小，最终变为零.
在光伏电池伏安特性曲线上必定存在一点MPP，使得其输出功率达到最大值，点MPP称为最大功率点.
2.2蓄电池控制方式
蓄电池在系统中起到平衡负载和电能调节的作用.本系统使用的是24V铅酸蓄电池，使用三段式方法给蓄电池充电.对于单体蓄电池，充电电压在2.35~2.4V/单体以下时，几乎不发生析气现象；当超过此值时，将产生激烈的析气反应.设置2.35V/单体为蓄电池过充电压，2.35V×12=28.2V，因此以28V作为过充电压.蓄电池的放电终止电压随着放电电流的大小面不同，文中设计为1.8V/单体，即过放电压设定为1.8V×
2系统控制策略
2.1MPPT控制
由相关分析可以得出，风力机和光伏电池输出功率收到外界环境影响，并且具有一个工作点使得系统输出最大的功率.跟踪系统最大功率的输出具有较大的经济效益.
目前风力机MPPT算法有最佳叶尖速比控法与其他算法相比，具有易实现、结构简单、效果12=21.6V，取22V.蓄电池的最佳浮充电压为 制、功率控制、扰动观察法等，由于扰动观察好等特点，在小型风力机MPPT控制中较为常用.2.25-2.30V/单体，即27~27.6V，设定值为27V.
蓄电池充电过程中三个阶段的切换基于蓄电力机施加转速抗动，改变风力机的输出功率，然后池端电压来进行.由于蓄电池放电深度达到
扰动观察法的基本控制思想是，人为的给风比较扰动后的风力机输出功率与扰动前的输出功80%时，其开路电压为1.96-1.97V/单体，为了
定值为1.97V×12=23.64V，取24V.蓄电池在充足电时的稳态开路电压为2.14~2.15V/单体，即2.15V×12=25.8V，当蓄电池电压达到26V时，本系统认为蓄电池已充足电，此时进人采用恒压充电，取28V电压.
延长蓄电池使用寿命，此时对其进行恒流充电，设一致.光伏阵列的MPPT流程图不再赘述.风力机和光伏阵列MPPT方式的一致性也使得程序易于设计.根据前述对蓄电池的介绍，确定了其充放电过程中各个阶段的电压值，以此来进行蓄电池充故电程序设计.
到浮充阶段.蓄电池端电压在24~26V之间时，4系统仿真
在MATLAB/simulink仿真环境下，建立了光伏发电部分的仿真框图.本系统选择的光伏阵列的参数为，P=200W，V=36.3V，1=5.5A，V=43.5V，Isc=5.85A.在标准环境下，仿真结果与光伏阵列的参数基本一致.
3风光互补发电系统设计
系统选用单片机作为控制器，考虑到系统需要采集电压电流信号进行A/D转换，并输出PWM脉冲等模块，选用了AVR系列ATMega16单片机作为控制器，完全能够满足系统需求.系统中光伏发电MPPT控制、风力机发电MPPT控制和蓄电池的充电控制都利用到直流电压的调节，文中利用BUCK变换器对电压进行调节，即通过单片机输出不同占空比的PWM脉冲，控制BUCK变换器的开关管的通断，从面调节系统输出电压，以满足MPPT、蓄电池充电及负载的需求.
在光伏阵列的仿真模型的基础上，增加BUCK变换器，通过改变PWM脉冲的占空比来观察系统的功率变化情况.在标准环境下，占空比D=0.7的情况下，光伏阵列输出在V=36.3V附近，负载获得的电压为24.6V，基本满足Buck变换器的电压输人输出关系式：V.=DV.系统基本达到了所设计的最大输出功率P.=200W，说明了系统具有一定的可行性.
主程序主要完成系统工作状态的判定和整个程序的工作流程的控制.通过数据采集程序，得到风力机、光伏阵列和蓄电池的电压电流信息，对蓄电池端电压U和过充电压U、过放电压U作比较，如果蓄电池处在过充状态，则切断充电同路；如果蓄电池处在过放状态，则切断放电回路：否则进人蓄电池充放电子程序.由主程序流程图可以看出，系统的工作过程主要是依据蓄电池的工作状态来决定的.
下面针对上述条件，参考扰动观察法实现MPPT的控制原理，通过改变PWM占空比，观察系统的输出情况.设置不同的占空比，可以看出，随着占空比的增大，输出功率变大，当占空比为70%时，系统输出达到最大输出功率点附近，继续增加占空比，输出功率将下降.
Buck变换器通过改变占空比，对系统输出的功率进行调节，是系统控制策略的主要执行部分，具有MPPT和蓄电池充电控制等功能.本节的仿真实验充分说明了，在一定的外界环境条件下，通过调节占空比，能够跟踪系统的最大功率输出，实现MPPT功能.根据蓄电池的工作状态，能够完成恒流、恒压和浮充的三阶段充电控制策略.
风力机利用扰动观察法实现MPPT，通过控制BUCK变换器的PWM驱动的占空比，改变风力机输出的电压电流，从面改变发电机的转速，达到调节功率的目的.设置功率差值允许区间E0，如果功率差值小于EO，则认为风力机工作在最大功率输出点，这时不再施加扰动量，避免了功率在最大功率点处的震荡.通过设置Flag标志来决定扰动的方向.通过AP与E1的大小比较，决定采用大步长扰动或者小步长扰动.
参考文献
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光伏阵列的MPPT程序流程图与风力机基本
