采用开关磁阻电机的小型风光互补发电系统控制研究

摘要

环境的恶化、能源危机的加剧以及不可再生能源的枯竭等因素，促进了绿色新能源的发展。其中，风能发电和太阳能发电已经成为国内外新能源领域的研究热点。而风能和太阳能在时间上又有良好的互补性，因此开发风光互补发电系统相比于单独的风力发电系统或光伏发电系统具有更高的能源利用率，对解决偏远贫困地区用电具有非常重要的意义。最大功率跟踪（MPPT）技术旨在最大程度地提高风电机组与光伏发电系统的发电效率及系统的响应速度。对于进一步促进新能源电力系统的发展，高效的MPPT的控制策略的研究十分有必要的。
　　本文选用开关磁阻电机(SRM)作为风力发电机，对开关磁阻电机发电运行的基本原理和太阳能发电原理进行了深入的研究，提出一款开关磁阻发电机(SRG)的双输入端口的变换器拓扑结构，即用太阳能代替开关磁阻电机运行时所需要的虚功，为电机运行提供励磁，太阳能通过电磁转换实现能量变换过程。分别对光伏发电子系统和风能发电子系统进行了理论分析，从光伏阵列与风机的输出特性出发，针对光伏阵列以及风机本身具的非线性、时变性和无法建立精确的数学模型的特征，提出了一种基于模糊PI控制的最大功率跟踪控制策略。建立了的仿真模型，验证了所设计控制策略的有效性。主要内容包括以下几个方面：
　　首先对SRG和不对称功率变换器的基本工作原理进行了分析，将不对称功率变换器进行了改进，在此基础上提出采用SRM作为风光互补发电系统的发电机的方案，并且对该系统的框图进行了详细描述。
　　其次对SRM、光伏电池和风机的数学模型进行了推导，并且建立了他们的仿真模型，分析研究了光伏电池和风力机的特性。提出了基于模糊PI控制的风能和光能最大功率跟踪控制策略，提出在风光互补发电时光伏励磁角度和关断角用迭代法控制的策略。
　　最后对所提出的方法进行了仿真论证，并且搭建了采用SRG的风光互补发电系统的实验平台，对控制系统进行了硬件和软件的设计，在搭建的平台上进行了光伏发电和风能发电实验，验证了所设计的控制系统的可行性。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景与意义

1.2 国内外风光互补研究现状

1.3 光能和风能的分布特点

1.4 SRG应用于风电光电互补系统的优势

1.5 本文研究的主要内容

第2章 开关磁阻发电机工作原理

2.1 开关磁阻发电机的工作原理

2.2 开关磁阻电机的基本方程

2.3 SRG的功率拓扑结构

2.4 SRG发电运行分析

2.5 SRG控制方法

2.6 本章小结

第3章 风光互补系统的架构与建模

3.1 风光互补发电系统框图和主电路拓扑结构

3.2 光伏仿真模型的建立

3.3 风力机仿真模型的建立

3.4 本章小结

第4章 风光互补系统的最大功率控制策略

4.1 风电光电互补系统的控制策略

4.2 太阳能发电最大功率控制原理

4.3 基于开关磁阻电机太阳能发电MPPT仿真设计

4.4 风力发电最大功率控制原理

4.5 风力发电最大功率控制仿真

4.6 风光互补发电最大功率控制策略

4.7 本章小结

第5章 控制系统的设计与实现

5.1 控制系统的硬件结构设计

5.2 系统主程序设计

5.3 控制系统实验

5.4 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录 攻读学位期间所取得的知识产权