小型风光互补发电系统的优化设计

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 2.29MB 54 页 15积分

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摘要

能源作为几乎在各种生活和生产活动中都会出现的基本性关键投入要素之一，

它的供应短缺会对经济社会造成具有扩散性和持续性的强烈打击。随着不可再生

能源的逐步消耗，大力开发替代能源的脚步刻不容缓。本文利用风力发电和光伏

发电二者在风能和太阳能资源上的互补性以及发电系统功率变换部分的结构相似

的特点，构建了一种离网功能的小功率风光互补发电系统，对风力发电和光伏发

电的最大功率点跟踪方法、风光互补发电系统的逆变控制技术以及系统逆变器的

软硬件设计等问题进行了深入研究。本文主要研究内容如下：

首先，根据风力发电、光伏发电的系统结构和风光互补发电系统的功能特点，

提出一种具有储能的小功率离网风光互补发电系统的拓扑结构，对系统的组成部

分进行分析，并建立了相应的数学模型；搭建了各组成部分的 Matlab/Simulink 仿

真模型，为系统的理论分析和控制方法的实现提供了仿真基础。

其次，在常规设计风光互补发电系统容量配置的原则基础上，并在保证发电

系统可靠性的前提下，对蓄电池的充放电次数、深度、充放电电流大小和充放电

功率进行约束，并充分利用风光互补特性，对传统方法进行了改进，提出了一种

改进型独立运行风光互补发电系统容量匹配优化算法；最后用实际地区的数据，

以HOMER 软件进行了容量设计，用实例计算验证了这种方法更加合理和优越，

只需配置较小容量的蓄电池，即可保证高供电可靠性，且蓄电池的充放电次数和

放电深度也减小，有利于延长蓄电池的使用寿命。

再次，在分析离网逆变器常规控制方式的基础上提出了双闭环控制的控制策

略，以电压型控制为基础，逆变器采用本地负载电压外环和逆变器桥侧电感电流

内环控制的双环 PI 控制，同时考虑到环境条件变化，把直流侧母线电压引入到闭

环控制系统中。利用 MATLAB/Simulink 仿真平台建立了逆变控制模型，通过仿真

结果的分析显示，该控制算法能够使系统很好的实现负载电压的稳定性。

最后，对系统中各个电路模块的典型电路进行了分析，对各个电路模块进行

了原理图的绘制和 PCB 制板。系统中逆变器侧的滤波元件的参数，通过建立数学

模型，分析设计了滤波器的参数。同时对系统使用的控制软件进行了详细的研究，

主要分析了系统中典型的应用程序，包括主程序，SPWM 程序，PI 控制子程序。

然后对系统软硬件综合调试，得到系统输出波形，对输出的波形进行分析，试验

结果符合系统设计，验证了系统的控制策略。

关键词：风光互补容量匹配离网逆变控制 MPPT

ABSTRACT

Energy as almost always occur in a variety of life and production activities into one

of the key fundamental elements of its supply shortage on the economy and society has

a strong combat proliferation continuous. With the gradual depletion of non-renewable

energy sources, and vigorously develop alternative energy pace delay. Scenery build

cogeneration system as a new distributed generation technology, with flexible power

generation, power supply, reliable, clean and environmentally friendly features, has

been the rapid development of new energy technologies.

Firstly, The topology of a small-scale wind-PV hybrid power generation system is

proposed. According to the characteristics of wind power and PV power systems, a kind

of topology for a low power wind-PV hybrid power generation system is built, and the

system has off-grid and grid-connected operation modes and battery energy storage. The

components of the system are analyzed and modeled, respectively. The Matlab/Simulink

simulation models for the components are established for the sake of the realization of

the theoretical analysis and the simulation of system control methods.

Secondly, based on the principles of conventional design, wind and solar power

generation system based on the number of charge and discharge the battery, depth,

charge and discharge current size constraints, the traditional method is improved to

HOMER software design capacity. In ensuring the reliability of power systems under

the premise of the battery charge and discharge times, depth and discharge power limit,

and take advantage of the complementary nature of the scenery, we propose a modified

run independently Wind power generation capacity matching system optimization; final

with example calculation to verify this method is more reasonable and location, simply

configure a smaller capacity battery, you can ensure high reliability of power supply and

battery charge and discharge times and also reduced the depth of discharge, help extend

battery life .

Again, based on the analysis of conventional off-grid inverter control mode control

strategy is proposed dual-loop control, the use of MATLAB/Simulink simulation

platform for inverter control model established by analysis and simulation results show

that the control algorithm enables the system achieve a good stability of the load

voltage.

Finally, the system typical circuit of each circuit block is analyzed, each module is

a schematic circuit drawing and PCB plate. System parameters filter element inverter

side, through a mathematical model to analyze the design parameters of the filter. While

the system control software uses a detailed study, including the main program, SPWM

program, phase-locked loop programs. The main analysis of the system in a typical

application. Finally, an integrated hardware and software debugging, get the system

output waveform of the output waveform analysis, test results meet the system design,

verification of the control strategy of the system.

Key Word: Hybrid wind-photovoltaic, Capacity matching, Inverter

control for off-grid mode, MPPT

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ................................................................................................................... 1

1.1 课题研究的背景及意义 ....................................................................................... 1

1.2 太阳能和风能发电发展现状及趋势 ................................................................... 1

1.2.1 光伏发电发展现状 ........................................................................................ 1

1.2.2 风能发展现状 ................................................................................................ 2

1.3 系统容量匹配现状 ............................................................................................... 2

1.4 本文主要研究内容 ................................................................................................ 3

第二章风光互补发电系统组成及工作原理 ................................................................. 4

2.1 风光互补发电拓扑结构及工作模态分析 ........................................................... 4

2.1.1 拓扑结构 ........................................................................................................ 4

2.1.2 模态分析 ........................................................................................................ 4

2.2 光伏发电系统 ....................................................................................................... 6

2.1.1 太阳能电池的工作原理 ................................................................................. 6

2.1.2 太阳能电池的基本特性 ................................................................................. 7

2.1.3 光伏电池特性仿真 ........................................................................................ 8

2.1.4 太阳能电池组件及封装 ............................................................................... 10

2.3 风力发电系统 ..................................................................................................... 10

2.3.1 风机数学模型 .............................................................................................. 10

2.4 储能蓄电池 ......................................................................................................... 12

2.5 本章小结 ............................................................................................................. 13

第三章系统部件的常规选型设计 ............................................................................... 14

3.1 光伏电池的选型设计 .......................................................................................... 14

3.2 风机选型设计 ...................................................................................................... 18

3.2.1 不同地点不同高度的风速的计算 .............................................................. 18

3.2.2 风的气候资料的处理 .................................................................................. 18

3.2.3 风力机发电量的计算公式 .......................................................................... 18

3.3 蓄电池容量设计 .................................................................................................. 19

3.4 本章小结 .............................................................................................................. 20

第四章系统容量匹配优化设计和能量管理策略 ....................................................... 21

4.1 容量配比原则 ..................................................................................................... 21

4.2 关键性能指标（KPI）计算模型 ....................................................................... 22

4.3 约束条件 ............................................................................................................. 23

4.4 优化策略 ............................................................................................................. 23

4.5 方案比较与选择 ................................................................................................. 24

4.5.1 案例及分析方法 .......................................................................................... 24

4.5.2 结果分析 ...................................................................................................... 27

4.6 最大功率跟踪控制（MPPT） ........................................................................... 27

4.6.1 扰动法 .......................................................................................................... 28

4.6.2 电导增量法（INC) ...................................................................................... 29

4.7 充放电控制 .......................................................................................................... 31

4.7.1 三段充电法 .................................................................................................. 31

4.7.2 过充、过放保护 .......................................................................................... 32

4.8 本章小结 ............................................................................................................. 32

第五章离网逆变器的控制技术及软、硬件设计 ....................................................... 33

5.1 逆变器的控制方式 ............................................................................................. 33

5.1.1 双环控制方式 .............................................................................................. 33

5.1.2 逆变控制仿真 .............................................................................................. 34

5.2 硬件电路设计 ..................................................................................................... 35

5.2.1 控制系统电源设计 ...................................................................................... 36

5.2.2 DSP 核心电路 ............................................................................................... 37

5.2.3 SPWM 驱动电路 .......................................................................................... 38

5.2.4 直流侧滤波电容设计 .................................................................................. 39

5.2.5 逆变输出滤波器设计 .................................................................................. 40

5.2.6 信号采样电路设计 ...................................................................................... 41

5.4 系统软件设计 ..................................................................................................... 42

5.4.1 主程序流程 .................................................................................................. 42

5.4.2 PWM 算法实现 ............................................................................................. 43

5.5 系统调试与分析 ................................................................................................. 44

5.6 本章小结 ............................................................................................................. 45

第六章总结和展望 ....................................................................................................... 46

6.1 总结 ..................................................................................................................... 46

6.2 展望 ..................................................................................................................... 46

第一章绪论

1.1

课题研究的背景及意义

自从世界开始工业化发展阶段以来，能源逐渐与劳动和资本一样，成为对国

家经济产生主要影响的生产要素之一。20 世纪 70 年代以来的三次能源危机对世界

经济增长、通货膨胀、就业等造成了明显的冲击,国际舆论开始关注世界“能源危机”

问题。能源作为几乎在各种生活和生产活动中都会出现的基本性关键投入要素之

一，它的供应短缺会对经济社会造成具有扩散性和持续性的强烈打击。按照目前

国际上主流的对能源的展望，地球上的石油将在未来 40 年里耗尽，天然气也将在

60 年里用完，因此，从现在开始，探寻新的可替换能源是人类面临的迫切且重要

的工作之一。而中国作为一个发展中国家，经济实力比较薄弱，人均资源占有量

和世界占有量水平相比还很低，人均能源和资源的短缺，严重制约着我国经济以

及社会的可持续发展，大力开发替代能源的脚步刻不容缓[1]。

1.2

太阳能和风能发电发展现状及趋势

1.2.1

光伏发电发展现状

由于不需要消耗矿产燃料、使用安全方便、无使用污染等特点，太阳能光伏

发电技术已经日益成为太阳能应用的重要研究方向，受到世界各个国家及能源组

织的重视。近几年，光伏产业在全世界范围内发展异常迅速，逐年平均增长率达

到74%（从 2006 年的 2.34GW 增加到 2013 年的 80.20GW）[2]。太阳能电池的产

量增长迅速，说明了太阳能发电在能源利用中占据着重要的位置。

图1-1 世界各国太阳能电池产量对比图

根据欧洲 JRC 组织的预测，可再生能源到 2030 年在全部的能源结构中能够占

到35%以上，太阳能光伏发电在世界全部电力的供应中能够达到 15%以上[3]；可

再生能源到 2050 年占总能耗 50%以上，太阳能光伏发电将占全世界总共发电电力

的20%以上[4]；可再生能源到 21 世纪末在总共的能源结构中能够占到 80%以上，

太阳能光伏发电占到 60%以上[5]，足以显示出光伏发电在能源结构中的重要战略地

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摘要：

摘要能源作为几乎在各种生活和生产活动中都会出现的基本性关键投入要素之一，它的供应短缺会对经济社会造成具有扩散性和持续性的强烈打击。随着不可再生能源的逐步消耗，大力开发替代能源的脚步刻不容缓。本文利用风力发电和光伏发电二者在风能和太阳能资源上的互补性以及发电系统功率变换部分的结构相似的特点，构建了一种离网功能的小功率风光互补发电系统，对风力发电和光伏发电的最大功率点跟踪方法、风光互补发电系统的逆变控制技术以及系统逆变器的软硬件设计等问题进行了深入研究。本文主要研究内容如下：首先，根据风力发电、光伏发电的系统结构和风光互补发电系统的功能特点，提出一种具有储能的小功率离网风光互补发电系统的拓扑结构，...

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