0 引言

    南极地区气温低下，环境恶劣，许多安放在南极地区的监测设备采用蓄电池供电。然而由于很多设备布放位置离工作站很远，蓄电池电量耗尽且无法及时更换致使设备无法继续工作，而丢失很多科考数据。鉴于太阳能与风能互补性强，风光互补发电系统在资源上弥补了风电和光电独立系统的缺陷。通过风光互补发电技术给蓄电池供电既提高了蓄电池的续航能力又不会污染极地地区的环境，非常适合应用在极地地区[1]。本文结合极地地区的气候环境，分析了小型风机、光伏电池以及蓄电池在低温环境下受到的影响，对光伏板、小型风机进行了极地环境下的最大功率点跟踪控制策略的仿真实验，验证了控制策略的可行性，最后进行了极地环境下风光互补系统容量匹配的计算。

1 独立小型风光互补系统结构组成

    目前常用的风光互补发电系统主要由光伏电池、风力发电机、控制器、蓄电池等组成，用于给负载供电。若系统中有交流负载则需要通过逆变器给交流负载供电。本次研究的小型风光互补系统，主要用于给直流负载供电，无需考虑交流负载。其系统结构图如图1所示。

    独立小型风光互补系统的工作原理是：光伏电池和小型风机作为产生电能的装置，把风能和光能转换为电能，产生的电能通过控制器中的电能变换电路供给蓄电池。蓄电池是风光互补系统的储能装置，当光伏电池和小型风机产生的电能有盈余时，富余的电能会存储在蓄电池中。当产生的电能不足时，蓄电池直接给负载供电，保证负载的正常运行。对于小型的风光互补系统而言，由于使用的是小型风机，当遇到大风天气时，需使用卸载电路对小型风机进行保护。应用在南极环境时，可以使用加热丝进行卸荷，这样，在卸荷的同时还能对控制设备进行加热提高设备的性能。

2 极地低温环境对风光互补系统的影响

    南极昆仑站位于海拔4 000多米的南极内陆，现场夏季平均温度在-30 ℃左右。全年晴天的天数要比长城站多，存在极昼和极夜现象。正因为南极环境的特殊性，在极地低温环境下会对由小型风机、光伏电池还有蓄电池组成的小型风光互补发电系统的性能造成一定的影响。

2.1 对风机的影响

    在极地低温环境下容易出现雾凇现象，使风机的叶片表面结晶，粗糙度增加，叶片翼型受到表面粗糙度影响，会降低翼型的气动性能。低温对风力发电机的各个部件的影响是不一样的^[2]，风机传动系统中的零部件承受冲击载荷，可能会发生低温脆性断裂，因此在风速过大以及温度过低时，要避免频繁紧急制动以及其他会产生较大冲击载荷的操作。昆仑站位于海拔4 000多米的南极内陆，海拔的升高对于空气密度有一定的影响，海拔越高空气越稀薄，空气密度减小，从而降低了风能的利用率，间接影响了风机的效率。

2.2 对光伏电池的影响 

    光伏电池的输出功率大小主要受到光照强度和温度的影响，当光照强度一定时，光伏电池组件的开路电压，短路电流与环境温度都有一定的关系。使用文献[3]中的方法对光伏电池进行建模，其封装图如图2所示。

    图3为对光伏电池在光照强度为1 000 W/m2，温度分别为0 ℃、-10 ℃、-20 ℃、-30 ℃时进行MATLAB仿真的电压-电流曲线图，从图3中可以看出开路电压与温度成负系数关系，即温度越低，开路电压越高。短路电流与温度成正系数关系，即温度越低，短路电流越小^[3]。

2.3 对铅酸蓄电池的影响

    在所有的极地气候条件中，温度的高低会大幅度影响铅酸蓄电池的充放电性能。因为铅酸蓄电池的核心是电极和电解液界面，而电极和电解液界面上的电化学反应与环境温度密切相关。如表1所示，随着温度的降低，铅酸蓄电池容量会减少。因为在低温状态下，电解液电导率下降，极性材料表面的离子传输能力也下降，这些因素导致电池的内阻增大，充电效率和电池容量都会降低。温度降低，电极的反应速率也会随之降低。若蓄电池电压保持不变，当放电电流降低时，蓄电池的输出功率也会降低。

3 跟踪控制策略仿真

3.1 光伏电池的MPPT策略仿真

    光伏电池最大功率跟踪技术已成熟应用的方法有恒压法、扰动观察法和电导增量法等。文献[4]对比了三种方法的优缺点。本文采用电导增量法进行MATLAB仿真。光伏电池的参数为U_OC=22.41 V，I_SC=0.61 A，V_M=17.9 V，I_M=0.56 A，额定功率为10 W。以上参数都是标准条件(T=25 ℃，S=1 000 W/m²，AM=1.5)下测量的参数。选取昆仑站附近的温度，约为-30 ℃。电导增量法步长的选取比较特殊，步长选取过大，跟踪的误差会变大，选取过小则跟踪速度会变慢^[5-8]。本文选取的步长为0.001 V。仿真图如图4所示。

    如图5所示，初始阶段光照强度为1 000 W/m²，在标准条件下该光伏电池的功率为10 W，可以看出温度变为-30 ℃时，功率由标准条件下的10 W降低到8.47 W，输出电压也由标准条件下的17.9 V变为 16.1 V，因此，温度降低光伏电池的输出功率和输出电压都相对降低了。

    由图5知，虽然启动阶段光伏电池的输出电压和输出功率变化比较大，但其响应速度相对比较理想，在0.06 s附近进入到了稳定阶段。在t=0.4 s时光照强度变为800 W/m²，t=0.7 s时光照强度变为600 W/m²。此外，光照强度在t=0.4 s、0.7 s这两个时间点变化时，输出功率在光照强度的影响下发生了跳变，可以看出跟踪算法在不到0.05 s时已经跟踪到了最大功率点并且稳定在了新的工作点上，并以最大功率进行输出。进而得出即使在-30 ℃的极地低温环境下，该控制策略也可以迅速地追踪到最大功率点，并且在新的工作点上有稳定的功率输出，从而保证光伏电池能够以最大输出功率稳定地为设备供电。

3.2 小型风机的MPPT策略仿真

    风机常用的MPPT控制方法有叶尖速比控制法、功率反馈法、扰动观察法等。叶尖速比控制法需要提前知道风力发电机功率特性及电机的相关参数，还需不间断采集风速信息，成本较大。功率反馈控制法就是查表，要提前确定最大功率曲线。扰动观察法控制简单，便于实现，不需知道风机和发电机参数，也不需测算风速，成本较低。对于跟踪精度和跟踪速度要求不高的小型风力发电机而言，扰动观察法容易实现^[9-10]。

    本文采用的就是扰动观察法。10 W小风机的参数为：定子电阻为0.05 Ω，直轴电感、交轴电感均为0.835 mH。额定风速为10 m/s，最大风速不超过40 m/s。考虑到南极昆仑站的海拔高度为4 000多米，而海拔高度对空气密度有所影响，进而影响到风能的利用率。海拔高度与大气压力和空气密度相对应的关系如表2所示。

    在0 ℃、绝对标准指标下，空气密度为1.297 kg/m³。由此可以计算出南极昆仑站的空气密度约为0.847 kg/m³。将这个值代入到风机仿真模型中进行仿真。仿真模型如图6所示。

    已知在标准条件下，当风速为额定风速10 m/s时风机达到额定功率10 W，从图7中可以看出当海拔变为4 000 m时，空气密度的降低影响了风能的利用率，当风速为10 m/s时其功率下降到了8.4 W。

    如图7所示，在启动阶段风机的功率变化比较大，但是其响应速度较理想，在0.12 s左右进入到了稳定阶段。在t=1 s、2 s这两个时间点风速分别跳变为9 m/s、10 m/s，输出功率随之发生跳变。但是可以看出跟踪算法在0.06 s的时间内就已经跟踪到了最大功率点，跟踪速度很快，并且能够迅速稳定在新的工作点上，并以最大功率进行输出。由以上分析可知，小型风机在海拔高的地区，其风能利用率由于空气密度的降低而降低。从而其输出功率比在标准空气密度的条件下会有所降低，但是其跟踪速度较快，跟踪精度相对而言比较理想。其功率波动在0.1 W以内。考虑到风能的随机性与波动性，该策略在极地地区是可行的。

4 极地环境下风光互补系统容量计算

    在极地环境下，选择合适的小型风机和光伏板，使它们产生的电能大于负载消耗的电能，否则会影响风光互补系统的可靠性。选取南极昆仑站一个月的风速数据和光辐射强度数据，对这个月的光伏发电量和风机发电量进行计算，确保所选择的风机和光伏电池在极地条件下能够满足负载需求。

    风力发电机每个月发电量是由该区域的风能资源和风机输出功率曲线决定的，对于本文选取的小型发电机，给出每月发电量计算公式，如式(1)～式(3)所示。

其中E_w表示当月发电量，v_s表示启动风速，v_i表示实时风速，v_n表示额定风速，v_o表示停机风速，P_n表示额定功率，H_i表示小时数。

    本文选用的10 W小风机，启动风速为3 m/s，额定风速为10 m/s，停机风速为40 m/s。昆仑站位于海拔4 000 m左右，由表2可知相对空气密度为0.653，所以其额定功率Pn是风机的标称额定功率乘以系数0.653，P为风机的标称额定功率。如式(4)所示。

    光伏电池的发电量与辐射量密切相关，现选取一个便于应用到实际中的光伏电池的计算公式来计算光伏电池每月的发电量。如式(5)所示。

式中F_i表示某月光伏电池单位面积辐射量，单位为MJ/m²，η_m表示光伏电池转换效率取值为15%，F_v表示光伏电池的封装因子，取值0.9，F_s表示积尘因子，取值0.96，S为光伏电池的面积，此次使用的10 W光伏电池面积为355 mm×245 mm。

    根据中国南极测绘研究中心官方网站提供的南极昆仑站数据，选取2015年11月的风速和辐射量数据进行分析，风速数据如表3所示。

    根据表3数据，代入风机每月发电量式(1)、式(2)、式(3)中，求得E_w=630.72 WH。

    南极昆仑站2015年11月光伏电池单位面积辐射量约为1 347.84 MJ，代入光伏电池每月发电量式(5)中求得E_v=4 220.2 WH。

    负载为冰物质平衡监测设备，此设备一个月的耗电量为1 728 WH，风光互补系统在2015年11月产生的总电量为4 850.92 WH，由此可知该月发电量完全可以满足负载所需，甚至还可以为蓄电池提供3 122.92 WH的电量。富余的电量可以通过加热丝给设备加热以提高设备的性能。

5 结束语

    本文对风机、光伏电池和蓄电池在极地低温环境下受到的影响进行了分析，阐述了风光互补发电系统在极地低温环境下性能的变化。以此为基础模拟昆仑站的气候条件，分别对光伏电池和小型风机建立模型，进行了各自的MPPT策略仿真，分析其仿真结果。仿真结果证明南极环境条件使风光互补发电系统的性能降低，同时验证了最大功率跟踪策略的正确性。最后对南极昆仑站2015年11月的数据进行分析，计算出风机和光伏电池的当月发电量，完全满足冰物质平衡监测设备的需求。由于极地环境恶劣多变，本文仅在理论方面进行了研究，还需要设计出应用于实际的小型风光互补发电系统，进一步验证所提策略的实用性与正确性。

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