太阳能-超级电容一体化组件并网模型预测控制

摘要

太阳能光伏发电是一项重要的国家战略，是解决化石能源枯竭、空气污染和二氧化碳排放的重要手段。国务院办公厅印发的《能源发展战略行动计划》提出:2020年非化石能源占一次能源消费比重应达到15％以上。太阳能是一种可再生的清洁能源，光伏发电作为主要利用形式，具有可持续性、环保性、和经济性等优点。近年来，随着光伏技术逐渐发展成熟，光伏系统成本降低，其发电规模不断增大。随着光伏发电在电网电源中比例不断增大，其功率的扰动对电网稳定性的影响逐渐增大，光伏发电系统在向电网提供能量的同时，也为电网带来安全性问题。随着光伏并网系统的迅速发展，这一问题将会越来越严重，光伏发电量和外部环境条件直接相关，造成了其发电不稳定和难以预测的缺点。当光伏发电快速发展，迅速成为电网供电的重要构成时，这个缺点会严重影响整个电网的稳定性。这在技术上对光伏发电系统的效率、成本和可靠性都提出了重大挑战。为了有效解决光伏发电的间歇性和随机性问题，学界提出了光伏发电-储能一体化组件的概念。当阳光充足时，光伏单元对外发电的同时为储能单元充电;当阳光不足时，储能单元对外放电作为光伏单元的补充。本文针对一种新颖的晶体硅太阳能电池-超级电容一体化组件构架，基于该架构对一体化组件进行了理论分析，对一体化组件特性及其并网控制技术作了详细的研究。
　　首先建立太阳能电池-超级电容一体化组件模型，分别介绍了太阳能电池和超级电容工作原理及特性，并完成MATLAB仿真模型的搭建，分析太阳能电池分别在不同光照强度和不同环境温度下输出特性曲线及工作状态，研究太阳能电池-超级电容一体化组件特性。为了提高太阳电池的利用率并降低系统成本，需要采用最大功率跟踪(MPPT)控制策略使光伏阵列获得最大功率输出。介绍了常用的三种光伏最大功率跟踪算法原理，并在扰动观察算法的基础上采用模型预测算法(MPC)应用于最大功率点追踪算法改进。光伏电池的最大功率点通过使用扰动观察算法来确定，通过建立功率变换器的时间离散模型，定义成本函数构建模型预测控制器，实现最大功率点的快速、稳定跟踪。
　　采用下垂控制方法对太阳能电池-超级电容一体化组件并网控制进行了研究。电流下垂控制方案在仿真中。工作条件和最大功率点跟踪(MPPT)可能会因直流母线电压而变化，需要使用DC/DC转换器来解耦源电压。本文基于一种改进的电流下垂控制方法，并采用模型预测控制提高控制精度，通过下垂控制算法确定模型预测控制器参考电流，然后应用最优控制函数对控制器进行优化以决定DC/DC转换器工作状态，通过仿真结果可知超级电容在直流母线电压开始增加时，开始充电以吸收多余的功率。在母线电压下降的情况下，超级电容释放能量来补偿功率差额。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 光伏发电系统发展现状

1．2．2 电力系统中超级电容应用现状

1．2．3 光伏并网技术研究现状

1．3 论文的主要工作

第二章 太阳能-超级电容一体化组件系统及建模

2．1 引言

2．2．1 太阳能-超级电容一体化组件模型

2．2．2 光伏电池特性

2．2．3 光伏电池数学模型

2．2．4 超级电容模型

2．2．5 光伏一体化组件特性仿真

2．3 本章小结

第三章 太阳能-超级电容一体化组件最大功率点追踪算法

3．1 引言

3．2 太阳能-超级电容一体化组件并网运行拓扑结构

3．3 最大功率点追踪算法原理

3．4 模型预测算法

3．5 基于模型预测的最大功率点跟踪算法设计

3．6 仿真搭建与结果

3．7 本章小结

第四章 基于模型预测的太阳能-超级电容一体化组件并网控制

4．1 引言

4．2 下垂控制原理

4．2．1 线路阻抗对下垂控制影响分析

4．2．2 下垂算法设计

4．4 基于模型预测的下垂控制算法设计

4．5 算例分析

4．6 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录