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，蓄電池電量耗盡且無法及時更換致使設(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)能互補性強，風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)在資源上彌補了風(fēng)電和光電獨立系統(tǒng)的缺陷。通過風(fēng)光互補發(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、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)機進行了極地環(huán)境下的最大功率點跟蹤控制策略的仿真實驗，驗證了控制策略的可行性，最后進行了極地環(huán)境下風(fēng)光互補系統(tǒng)容量匹配的計算。

1 獨立小型風(fēng)光互補系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

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

    獨立小型風(fēng)光互補系統(tǒng)的工作原理是：光伏電池和小型風(fēng)機作為產(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)光互補系統(tǒng)的儲能裝置，當光伏電池和小型風(fēng)機產(chǎn)生的電能有盈余時，富余的電能會存儲在蓄電池中。當產(chǎn)生的電能不足時，蓄電池直接給負載供電，保證負載的正常運行。對于小型的風(fēng)光互補系統(tǒng)而言，由于使用的是小型風(fēng)機，當遇到大風(fēng)天氣時，需使用卸載電路對小型風(fēng)機進行保護。應(yīng)用在南極環(huán)境時，可以使用加熱絲進行卸荷，這樣，在卸荷的同時還能對控制設(shè)備進行加熱提高設(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。正因為南極環(huán)境的特殊性，在極地低溫環(huán)境下會對由小型風(fēng)機、光伏電池還有蓄電池組成的小型風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的性能造成一定的影響。

2.1 對風(fēng)機的影響

    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)電機的各個部件的影響是不一樣的^[2]，風(fēng)機傳動系統(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，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。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度和溫度的影響，當光照強度一定時，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[3]中的方法對光伏電池進行建模，其封裝圖如圖2所示。

    圖3為對光伏電池在光照強度為1 000 W/m2，溫度分別為0 ℃、-10 ℃、-20 ℃、-30 ℃時進行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]。

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。因為鉛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。因為在低溫狀態(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，當放電電流降低時，蓄電池的輸出功率也會降低。

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[4]對比了三種方法的優(yōu)缺點。本文采用電導(dǎo)增量法進行MATLAB仿真。光伏電池的參數(shù)為U_OC=22.41 V，I_SC=0.61 A，V_M=17.9 V，I_M=0.56 A，額定功率為10 W。以上參數(shù)都是標準條件(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。

    如圖5所示，初始階段光照強度為1 000 W/m²，在標準條件下該光伏電池的功率為10 W，可以看出溫度變?yōu)?30 ℃時，功率由標準條件下的10 W降低到8.47 W，輸出電壓也由標準條件下的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。

    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附近進入到了穩(wěn)定階段。在t=0.4 s時光照強度變?yōu)?00 W/m²，t=0.7 s時光照強度變?yōu)?00 W/m²。此外，光照強度在t=0.4 s、0.7 s這兩個時間點變化時，輸出功率在光照強度的影響下發(fā)生了跳變，可以看出跟蹤算法在不到0.05 s時已經(jīng)跟蹤到了最大功率點并且穩(wěn)定在了新的工作點上，并以最大功率進行輸出。進而得出即使在-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，并且在新的工作點上有穩(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)機的MPPT策略仿真

    風(fēng)機常用的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)電機功率特性及電機的相關(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，便于實現(xiàn)，不需知道風(fēng)機和發(fā)電機參數(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)電機而言，擾動觀察法容易實現(xiàn)^[9-10]。

    本文采用的就是擾動觀察法。10 W小風(fēng)機的參數(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。

    在0 ℃、絕對標準指標下，空氣密度為1.297 kg/m³。由此可以計算出南極昆侖站的空氣密度約為0.847 kg/m³。將這個值代入到風(fēng)機仿真模型中進行仿真。仿真模型如圖6所示。

    已知在標準條件下，當風(fēng)速為額定風(fēng)速10 m/s時風(fēng)機達到額定功率10 W，從圖7中可以看出當海拔變?yōu)? 000 m時，空氣密度的降低影響了風(fēng)能的利用率，當風(fēng)速為10 m/s時其功率下降到了8.4 W。

    如圖7所示，在啟動階段風(fēng)機的功率變化比較大，但是其響應(yīng)速度較理想，在0.12 s左右進入到了穩(wěn)定階段。在t=1 s、2 s這兩個時間點風(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的時間內(nèi)就已經(jīng)跟蹤到了最大功率點，跟蹤速度很快，并且能夠迅速穩(wěn)定在新的工作點上，并以最大功率進行輸出。由以上分析可知，小型風(fēng)機在海拔高的地區(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準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)光互補系統(tǒng)容量計算

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

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

其中E_w表示當月發(fā)電量，v_s表示啟動風(fēng)速，v_i表示實時風(fēng)速，v_n表示額定風(fēng)速，v_o表示停機風(fēng)速，P_n表示額定功率，H_i表示小時數(shù)。

    本文選用的10 W小風(fēng)機，啟動風(fēng)速為3 m/s，額定風(fēng)速為10 m/s，停機風(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)機的標稱額定功率乘以系數(shù)0.653，P為風(fēng)機的標稱額定功率。如式(4)所示。

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

式中F_i表示某月光伏電池單位面積輻射量，單位為MJ/m²，η_m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)進行分析，風(fēng)速數(shù)據(jù)如表3所示。

    根據(jù)表3數(shù)據(jù)，代入風(fēng)機每月發(fā)電量式(1)、式(2)、式(3)中，求得E_w=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E_v=4 220.2 WH。

    負載為冰物質(zhì)平衡監(jiān)測設(shè)備，此設(shè)備一個月的耗電量為1 728 WH，風(fēng)光互補系統(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、光伏電池和蓄電池在極地低溫環(huán)境下受到的影響進行了分析，闡述了風(fēng)光互補發(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)機建立模型，進行了各自的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)光互補發(fā)電系統(tǒng)的性能降低，同時驗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)進行分析，計算出風(fēng)機和光伏電池的當月發(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行了研究，還需要設(shè)計出應(yīng)用于實際的小型風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)，進一步驗證所提策略的實用性與正確性。

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