分布式直流型电能收集系统的研究与设计

摘要

随着不可再生的化石能源的大量消耗，其接近枯竭的储量无法满足人们日益增长的电能消费需求，于是可再生的清洁能源发电得到了广泛的重视和应用。分布式电能收集系统由于其可以很好地结合不同能源在时间和季节上的互补性，可以将多种形式能源同时进行收集（多输入、单输出）的特点，越来越成为专家学者研究探索的焦点。 由于交流发电要考虑频率控制和无功补偿等复杂的问题，相比之下，直流发电的可控性更好，所以，本文针对基于风光互补的分布式直流型电能收集系统进行研究与设计，主要完成以下几个方面的研究与设计： 1.本文首先对光伏发电和风力发电的原理进行研究，随后根据数学模型在Matlab/Simulink环境下搭建光伏电池模型和风力机的模型，并对两个子系统的输出特性曲线进行分析；再采用改进的（变步长、设阈值）扰动观察法（P&O）对光伏发电系统和风力发电系统的最大功率点追踪（MPPT）算法进行建模仿真。 2.本文设计的系统采用阶梯式的结构，将分布式直流型电能收集系统分为上下两级：上级为管理决策层、下级为电能分配层，协同控制输出电能的优化分配。再根据发电成本和输出功率波动情况构建目标函数，应用基于理想点法的分布式模型预测控制（DMPC）算法对分布式直流型电能收集系统的输出电能进行优化配置，使输出功率在满足负载需求的情况下，实现经济效益最大、功率平滑度最好。 3.本文通过设计双输入并联boost电路来模拟分布式直流型电能收集系统。选择TI公司的UC3842作为电路主控芯片，通过STM32单片机控制数字电位器MAX5483接入电路输出端的阻值，进而改变两个支路的占空比，实现电路的电流（功率）按照需求任意分配，从而证明分布式直流型电能收集系统的管理控制方案的可行性。 本文设计的双输入并联boost电路的输入电压满足18-30V可调，输出电压稳定在48V，开关频率为100KHz，两个模块的输出电流可以按照需求进行任意分配，系统效率达到90%以上。通过测试，系统满足上述性能指标，且工作状态良好。