1前言
由于传统能源的快速消耗，对于新能源的探索也变得刻不容缓[1]。和常规能源相比，新能源作为一种可再生资源的清洁能源，不仅保护了环境，而且有着丰富的蕴藏量。进入二十一世纪后，社会的快速发展，人类越来越重视环境的安全及保护，但能源却是人类发展必不可少的基本条件，所以世界各国都开始调整自己的能源架构以缓解能源危机。各国都开始研究新能源以寻求可持续发展。在各种风能、太阳能、潮汐能、地热能等新型能源中，太阳能和风能是应用最广泛、最具有代表性的新能源和可再生能源，太阳能发电和风力发电也日渐得到世界各国的重视。在越来越多的的新能源中，太阳能和风力是应用最广的两种新型能源技术，并且蕴藏量十分巨大，风能的蕴量巨大，约是可利用水能的十倍，其可利用的风能约2×MW。
这两种能源单独使用时的稳定性都不高，容易受其他因素的影响，如：环境、地理位置、季节和天气等。但是，二者却有着基本互补的特点，因此可以综合两者的特点，取长补短以使各自都能发挥出各自最大的作用。在一些或风能和太阳能便于利用的地区，风光互补不仅保护了环境，也可以推动经济的发展。而在一些偏远的、交通不发达的地区，电力作为基本要求，风光互补发电成为了解决这一问题的最佳方案。
2基本构成及运行原理
2.1系统的总体结构
如图2.1所示为风光互补发电系统的总体结构，主要由风力发电和太阳能发电两大部分组成，可以分为风力发电机组、整流器、变换器、太阳能光伏阵列、控制器、蓄电池、直流母线等几个模块。
图2.1 风光互补发电系统结构示意图
风光互补系统是一种复合的新能源发电系统，发电部分主要由风力发电机组和太阳能光伏阵列组成。风力发电主要是利用风力机将风能转化为机械能，再转化为电能，通过控制器储存进蓄电池，若要对负载供电，须通过逆变器将直流电转化标准的交流电；太阳能光伏发电主要是利用电池板的光伏效应，将太阳能转化为电能，且产生的为直流电。两者都通过改变脉冲占空比实现输出功率的最大化。
光伏组件我们采用转化效率最高的单晶硅电池，但该电池的工作电流与电压不高，所以需要将多个单晶硅连接起来使用，来实现光电的的有效转化。并且其具有抗风、防潮、工作稳定、无需维护等特点。风力发电部分中，风机采用一套小型风力发电机组。为了保证供电的稳定，使用蓄电池来储能和对负载供电，选择要求根据所使用负载的大小决定，本文采用12V的蓄电池。为了减少外界环境因素的影响，保证供电的连续，通过直流母线将风力和太阳能发电并联，可以单独或一起向负载供电。控制器是为了根据发电部分或负载、蓄电池的变化，对最大输出功率或蓄电池的充放电进行控制的装置。
2.2蓄电池
蓄电池是一种通过化学反应方式可以进行循环使用的电池，目前应用最为广的三种电池分别是锂离子蓄电池、镍氢蓄电池和铅酸蓄电池。镍氢、锂离子蓄电池因为其性价比不高、建设投入过大导致不能大范围推广和使用。铅酸蓄电池之所以能够被广泛应用,是因为它具有价格低廉、原材料容易获得、优异的运行特性、使用上具有高可靠性，可以大电流放电而且电性平稳等优点。
目前市面上基本的电池均由正极、负极、电解质、隔膜和容器5个主要部分组成，并且均是通过氧化还原反应进行的能量转换。铅酸蓄电池的电解液一律采用硫酸电解质，是电化学反应产生的必要条件。
铅酸蓄电池充放电过程是可逆的，放电状态时其正极为二氧化铅，负极为海绵状铅，反应产物为PbSO4和H2O；充电时其正、负极上的PbSO4均同电解液发生反应，分别形成PbO2和海绵状Pb，这一过程中将电能转化为化学能并储存起来[2]。
蓄电池是一种可以多次循环使用的电池，它的工作状态主要分为充电、放电和浮充三种状态[3]。由蓄电池的工作原理可知，充电和放电状态就是电能和化学能之间的转化；浮充状态就是在充电完成后继续对蓄电池。当蓄电池开始放电以后，电压在短时间内快速下降，然后快速回升，但由于放电的持续，电压又逐渐下降，放电结束后电压瞬间增大；放电时电流恒定不变且温度变化较为平稳。当充电开始后，电压瞬间增大，当达到额定电压时就进入浮充状态；充电时，电流仍恒定不变，但方向改变，能量的增加加剧了温度的变化。进入浮充状态后，电流慢慢减小，温度也降低。温度的变化与自身的材料特性及散热速度有关。
2.3风力发电部分
风力发电机组将风能转化及机械能再变为电能的系统。它可以分为风力机、发电系统和控制系统等几个部分。风力机将风的动能转换为旋转机械的动能；发电系统是将旋转的机械能转换为电能；控制系统是对整机进行监控[4]。目前市场上水平轴风力发电机占主流位置，功率最大5MW左右。在风力发电机组中，存在能量流和信息流两种物质流，两者的相互作用，是机组完成发电的功能。当风吹过叶片时，在叶片的正反面形成压力差，使叶片转动产生机械能。贝茨理论是一种在理想状态下建立的气动理论，该理论是一种不受外部、内部环境影响的理想风轮模型。
2.4光伏板发电部分
随着现代工业技术越来越快的发展，电池种类越来越多，按照不同标准可以有不同的分类，其中硅电池因为其性价比好的原因被大面积使用。光伏电池板是由内部有PN结的半导体材料制成，电池板接收的光小部分会被吸收，不产生能量，其余的部分会激发PN结产生空穴和自由电子，且因浓度的不同，两者会发生移动从而在电池内部形成静电场。在静电场的作用下，N区的空穴到达P区产生自由电子，P区的自由电子到N区成为空穴，于是在PN结的两端形成正负电势差，通过外接负载，产生电流。电池板内部的PN结非常多，所以只要电池板表面面积大，就会产生一个理想的电压。光伏电池的发电效率主要由光照的温度及强度决定。其他的参数主要有：开路电压Voc、短路电流Isc、峰值电流Im、峰值电压Vm、峰值功率Pm、转换效率η、填充因子等，这些参数都会影响光伏电池的发电效率。
2.5整流器和控制器
将交流电变换为直流电的过程叫做整流，实现这一过程的就是整流器。本文为小型风光互补发电系统，采用三相不可控整流桥结构整流器，采用大功率的二极管，使结构简单，功耗小，降低成本。控制器是为了维持风光互补发电系统的稳定性，控制器可以根据变化情况来调整系统保持最佳的工作状态。
2.6DC/DC变换器
DC／DC变换是将发电机产生的直流电变换为所需要直流电的装置。变换器可分为隔离型和非隔离型。隔离型变换器将直流变为交流在变换为直流电，不能直接转化；非隔离型可直接转换电压。本文选用Buck型DC／DC变换器。
3 最大功率跟踪控制
3.1风力机最大功率控制
由风力发电机的输出特性可知，在风速变化的情况下，控制风轮的的转速，得到最佳的叶尖速比和风能利用系数，使风力机恒定在在最佳输出功率曲线上，这就是风力机的最大控制原理。为了能提高风力机的能量利用效率，所以需要研究最大功率跟踪控制算法。常见的控制算法主要有三种：扰动观察法，功率信号控制法，最佳叶尖速比法。
3.2太阳能光伏的最大功率控制
根据光伏电池特性可知，系统输出的功率与光照强度和外界温度的变化有着密不可分的关系。但有一个固定的电压值，使太阳能电池达到最大功率输出。通过等效电路图和戴维南定理综合可知，在温度和日照强度恒定时，电路图可等效为一个电流源与一个电阻相串联的电路。当负载电阻等于电池内阻时，由电路图可知，输出的功率达到最大值。光伏发电的控制方法有三种：恒定电压法、电导增量法、扰动观察法。
4 基于Matlab/Simulink的建模与仿真
结合实验仿真得到总体仿真图如4.1。
图4.1 风光互补系统仿真图
观察结果图，发电过程处于变化状态，在开始受风力的影响，变化基本与在风力发电系统的变化一致，随着温度的慢慢升高，输出功率明显增加，然后开始趋于平稳，满足风光发电系统的互补性。
5 结 论
本文通过阐述研究本课题的现实意义与迫切性，对小型的风光互补发电系统进行了研究。在可预期的未来，新能源的发展将会越来越快。在人工智能的现在，新能源的发展仍存在着巨大的发展潜力，并且慢慢会解决现阶段存在的能源损耗等利用率问题，慢慢提高能源的利用率。
参考文献
［1］崔杏杏.风光互补发电系统最佳功率点跟踪的研究[D].河北大学,2011:1-3.
［2］刘开彬.浅谈铅酸蓄电池的维护与保养[J].企业技术开发,2015,34(30):168+170
［3］张建飞.独立小型风光互补发电系统的仿真研究[D].河北大学,2017.
［4］姚兴佳.宋俊等.风力发电机组原理与应用，机械工业出版社，2012.9.