离网型风光互补发电系统的研究与设计

摘要

随着能源问题的日益激化，能源成为了社会发展关注的焦点。风能和太阳能作为两种可再生能源越来越得到人们的重视。本课题研究了离网型风光互补发电系统，主要通过控制算法研究和系统仿真，确定了最大功率点跟踪方案。采用了双输入Boost电路进行了硬件电路设计，并进行了软件设计。目标是设计性能完善的独立发电系统，实现互补发电，可供直流负载和交流负载使用。
　　首先，综述了风光互补发电系统的国内外发展现状，对系统的基本结构进行了分析。根据风力发电机和光伏电池板的的工作原理，在Matlab/Simulink中搭建了它们的数学模型，模拟了它们的特性。并对双输入DC/DC电路在风光互补中的应用和蓄电池充放电原理进行了研究。其次，在Matlab/Simulink中搭建了风力发电和光伏发电模型并对最大功率跟踪进行了仿真。对于风力发电，在传统的爬山搜索法基础上提出了一种带阈值的分区变步长爬山搜索法。对于光伏发电，在扰动观察法的基础上设计了一种自适应扰动观察法，在固定步长电导增量法基础上设计了变步长电导增量法，根据扰动观察法的控制原理，设计了光伏最大功率跟踪模糊控制。同时基于双输入Boost电路，在Matlab/Simulink中搭建了风光互补发电系统，利用光伏自适应扰动观察法和风力分区变步长爬山搜索法进行了最大功率跟踪。最后，设计了基于TMS320F28335的风光互补控制器硬件系统，主要有功率主电路、驱动电路、检测电路、电源辅助电路、整流电路、逆变电路等电路组成。文中还设计了软件系统包括了主程序、A/D采样子程序、SPWM子程序、MPPT控制子程序和蓄电池充放电子程序等组成。
　　通过仿真对比可知风力分区变步长爬山搜索法和光伏模糊控制法的优越性，同时实现了双输入Boost互补发电系统最大功率跟踪和逆变。分别对各硬件模块进行了调试，并利用实验平台对设计的控制器进行了系统实验，从得到实验数据来看，该硬件系统实现了最大功率跟踪，能够随外界环境变化自动跟踪。同时实现了互补发电，可以单输入和双输入供电。

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Abstract

Contents

1绪 论

1.1 研究的背景及意义

1.2 风光互补发电系统发展现状

1.2.1 风力发电机的发展

1.2.2 光伏电池板的发展

1.2.3 离网型风光互补发电系统国内外发展现状

1.2.4 离网型风光互补发电系统的发展前景

1.3 主要研究内容

2风光互补发电系统的组成及原理

2.1 风光互补发电系统的组成部分

2.2 风力发电的原理

2.2.1 风力发电机的工作原理

2.2.2 风力发电机的数学模型

2.2.3 风力发电机的特性曲线

2.3 光伏发电的原理

2.3.1 光伏电池板的工作原理

2.3.2 光伏电池板的数学模型

2.3.3 光伏电池板的输出特性曲线

2.3.4 光伏电池板的转换率

2.4 DC/DC变换电路的选择

2.4.1 双输入DC/DC变换电路研究

2.4.2 双输入Boost电路的工作状态

2.5 储能系统

2.5.1 铅酸蓄电池的工作原理

2.5.2 常见的充电方式

2.6 本章小结

3风光互补发电系统及控制策略的研究

3.1 最大功率跟踪的基本原理

3.1.1 风力发电最大功率跟踪原理

3.1.2 光伏发电最大功率跟踪原理

3.2 风力发电MPPT研究

3.3 风力发电MPPT仿真

3.3.1 爬山搜索法

3.3.2 分区变步长爬山搜索法

3.4 光伏发电MPPT研究

3.5 光伏发电MPPT仿真

3.5.1 扰动观察法

3.5.2 电导增量法

3.5.3 模糊控制法

3.6 双输入Boost电路MPPT仿真

3.7 风光互补发电系统仿真

3.8 本章小结

4离网型风光互补控制器的设计

4.1 系统的整体结构设计

4.2 TMS320F28335最小系统

4.2.1 TMS320F28335控制器

4.2.2 供电电路

4.2.3 仿真接口

4.2.4 时钟电路

4.2.5 复位电路

4.3 功率主电路

4.3.1 功率主电路设计

4.3.2 功率主电路元器件选型

4.4 辅助电源设计

4.5 信号检测电路设计

4.5.1 电压检测电路

4.5.2 电流检测电路

4.5.3 蓄电池电流检测电路

4.5.4 温度检测电路

4.6 驱动电路设计

4.6.1 单管驱动电路

4.6.2 全桥驱动设计

4.7 整流电路设计

4.8 逆变电路和滤波电路设计

4.8.1 逆变电路

4.8.2 滤波电路

4.9 本章小结

5系统软件设计

5.1 主程序设计

5.2 系统子程序设计

5.2.1 A/D转换子程序

5.2.2 MPPT子程序

5.2.3 EPWM模块相关寄存器配置

5.2.4 SPWM算法的程序设计

5.2.5 蓄电池充放电控制

5.3 本章小结

6风光互补发电系统实验验证

6.1 风光互补发电系统实验平台

6.2 硬件系统的调试

6.2.1 辅助电源模块

6.2.2 驱动电路的调试

6.2.3 检测电路调试

6.3 风力发电整流测试

6.4 逆变电路测试

6.4.1 逆变调试

6.4.2 谐波总畸变率

6.5 最大功率跟踪模拟实验

6.5.1 光伏测试

6.5.2 风力发电测试

6.5.3 双输入测试

6.6 本章小结

7总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

附录I

TMS320F28335最小系统原理图

附录II

检测电路原理图

附录III

驱动电路原理图

附录IV

功率主电路原理图

附录V

逆变电路原理图

附录VI

PCB板电路图

致 谢

攻读硕士期间主要成果和获奖经历