0 引言

    南極地區氣溫低下，環境惡劣，許多安放在南極地區的監測設備采用蓄電池供電。然而由于很多設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備無法繼續工作，而丟失很多科考數據。鑒于太陽能與風能互補性強，風光互補發電系統在資源上彌補了風電和光電獨立系統的缺陷。通過風光互補發電技術給蓄電池供電既提高了蓄電池的續航能力又不會污染極地地區的環境，非常適合應用在極地地區[1]。本文結合極地地區的氣候環境，分析了小型風機、光伏電池以及蓄電池在低溫環境下受到的影響，對光伏板、小型風機進行了極地環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，最后進行了極地環境下風光互補系統容量匹配的計算。

1 獨立小型風光互補系統結構組成

    目前常用的風光互補發電系統主要由光伏電池、風力發電機、控制器、蓄電池等組成，用于給負載供電。若系統中有交流負載則需要通過逆變器給交流負載供電。本次研究的小型風光互補系統，主要用于給直流負載供電，無需考慮交流負載。其系統結構圖如圖1所示。

    獨立小型風光互補系統的工作原理是：光伏電池和小型風機作為產生電能的裝置，把風能和光能轉換為電能，產生的電能通過控制器中的電能變換電路供給蓄電池。蓄電池是風光互補系統的儲能裝置，當光伏電池和小型風機產生的電能有盈余時，富余的電能會存儲在蓄電池中。當產生的電能不足時，蓄電池直接給負載供電，保證負載的正常運行。對于小型的風光互補系統而言，由于使用的是小型風機，當遇到大風天氣時，需使用卸載電路對小型風機進行保護。應用在南極環境時，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備進行加熱提高設備的性能。

2 極地低溫環境對風光互補系統的影響

    南極昆侖站位于海拔4 000多米的南極內陸，現場夏季平均溫度在-30 ℃左右。全年晴天的天數要比長城站多，存在極晝和極夜現象。正因為南極環境的特殊性，在極地低溫環境下會對由小型風機、光伏電池還有蓄電池組成的小型風光互補發電系統的性能造成一定的影響。

2.1 對風機的影響

    在極地低溫環境下容易出現霧凇現象，使風機的葉片表面結晶，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。低溫對風力發電機的各個部件的影響是不一樣的^[2]，風機傳動系統中的零部件承受沖擊載荷，可能會發生低溫脆性斷裂，因此在風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，從而降低了風能的利用率，間接影響了風機的效率。

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，短路電流與環境溫度都有一定的關系。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關系，即溫度越低，開路電壓越高。短路電流與溫度成正系數關系，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反應與環境溫度密切相關。如表1所示，隨著溫度的降低，鉛酸蓄電池容量會減少。因為在低溫狀態下，電解液電導率下降，極性材料表面的離子傳輸能力也下降，這些因素導致電池的內阻增大，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已成熟應用的方法有恒壓法、擾動觀察法和電導增量法等。文獻[4]對比了三種方法的優缺點。本文采用電導增量法進行MATLAB仿真。光伏電池的參數為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。以上參數都是標準條件(T=25 ℃，S=1 000 W/m²，AM=1.5)下測量的參數。選取昆侖站附近的溫度，約為-30 ℃。電導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，可以看出溫度變為-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變為 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，但其響應速度相對比較理想，在0.06 s附近進入到了穩定階段。在t=0.4 s時光照強度變為800 W/m²，t=0.7 s時光照強度變為600 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生了跳變，可以看出跟蹤算法在不到0.05 s時已經跟蹤到了最大功率點并且穩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定的功率輸出，從而保證光伏電池能夠以最大輸出功率穩定地為設備供電。

3.2 小型風機的MPPT策略仿真

    風機常用的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力發電機功率特性及電機的相關參數，還需不間斷采集風速信息，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，不需知道風機和發電機參數，也不需測算風速，成本較低。對于跟蹤精度和跟蹤速度要求不高的小型風力發電機而言，擾動觀察法容易實現^[9-10]。

    本文采用的就是擾動觀察法。10 W小風機的參數為：定子電阻為0.05 Ω，直軸電感、交軸電感均為0.835 mH。額定風速為10 m/s，最大風速不超過40 m/s。考慮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，進而影響到風能的利用率。海拔高度與大氣壓力和空氣密度相對應的關系如表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，當風速為額定風速10 m/s時風機達到額定功率10 W，從圖7中可以看出當海拔變為4 000 m時，空氣密度的降低影響了風能的利用率，當風速為10 m/s時其功率下降到了8.4 W。

    如圖7所示，在啟動階段風機的功率變化比較大，但是其響應速度較理想，在0.12 s左右進入到了穩定階段。在t=1 s、2 s這兩個時間點風速分別跳變為9 m/s、10 m/s，輸出功率隨之發生跳變。但是可以看出跟蹤算法在0.06 s的時間內就已經跟蹤到了最大功率點，跟蹤速度很快，并且能夠迅速穩定在新的工作點上，并以最大功率進行輸出。由以上分析可知，小型風機在海拔高的地區，其風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。考慮到風能的隨機性與波動性，該策略在極地地區是可行的。

4 極地環境下風光互補系統容量計算

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

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

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

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

    光伏電池的發電量與輻射量密切相關，現選取一個便于應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表示光伏電池轉換效率取值為15%，F_v表示光伏電池的封裝因子，取值0.9，F_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。

    根據中國南極測繪研究中心官方網站提供的南極昆侖站數據，選取2015年11月的風速和輻射量數據進行分析，風速數據如表3所示。

    根據表3數據，代入風機每月發電量式(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電量式(5)中求得E_v=4 220.2 WH。

    負載為冰物質平衡監測設備，此設備一個月的耗電量為1 728 WH，風光互補系統在2015年11月產生的總電量為4 850.92 WH，由此可知該月發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備加熱以提高設備的性能。

5 結束語

    本文對風機、光伏電池和蓄電池在極地低溫環境下受到的影響進行了分析，闡述了風光互補發電系統在極地低溫環境下性能的變化。以此為基礎模擬昆侖站的氣候條件，分別對光伏電池和小型風機建立模型，進行了各自的MPPT策略仿真，分析其仿真結果。仿真結果證明南極環境條件使風光互補發電系統的性能降低，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月的數據進行分析，計算出風機和光伏電池的當月發電量，完全滿足冰物質平衡監測設備的需求。由于極地環境惡劣多變，本文僅在理論方面進行了研究，還需要設計出應用于實際的小型風光互補發電系統，進一步驗證所提策略的實用性與正確性。

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