风光互补供电系统特性分析及控制策略

摘要

在全球能源短缺和环境污染日益严重的双重压力下，各国都在积极探索开发新能源的使用。其中各种分布式能源的利用，比如太阳能发电技术和风力发电技术已经较为成熟且被广泛应用。各种基于风力发电和太阳能发电的分布式联合发电装置得到了不同程度的发展，比如风光储、风光柴储、光储分布式发电系统。本文建立的离网型风光互补联合供电系统，等同于孤岛运行的直流微电网。直流形式的风光互补联合供电系统发出的是直流电，与交流系统相比因不存在频率和相位控制的问题，系统的控制方法复杂度低，更易于实现。并且与交流系统相比，发出的电能质量更高且损耗低，因此直流系统更具有优势。由于太阳能和风能的随机性较大，产生的电能不稳定，为了充分发挥风光互补联合供电系统的优势，必须制定合适的控制策略。
　　本文首先分析了风力机、光伏电池和蓄电池的工作原理和等效数学模型，并根据各部分的等效数学模型，用Matlab/Simulink搭建了永磁同步机风力发电模型、光伏阵列发电模型和蓄电池储能系统模型。仿真分析了风力机和光伏电池在不同工作条件下的输出特性，验证了仿真模型的正确性。
　　其次，进一步完善了各部分的控制策略。通过机侧变流器控制实现了风力发电的最大功率跟踪。利用扰动观察法和恒压控制法分别实现了光伏阵列发电的最大功率跟踪和功率的按需输出。并分别建立仿真模型，验证最大功率跟踪效果。对于系统储能单元，首先介绍了双向Buck/Boost变换器充放电控制电路的相关理论，确定了储能系统的充放电控制策略，即恒压充电（放电）控制，并仿真了放电过程。同时，因为蓄电池成本较高，为了保护蓄电池，设定了蓄电池充放电的上下限。
　　最后，在以上分模块建模的基础上，建立风光互补供电系统整体仿真模型，分析了系统的运行模式，进一步完善了控制策略，详细分析了系统处于相应能量管理运行模式下的具体工作状态。并设计了相应的仿真算例，验证系统模型的正确性和控制策略的可行性。

目录

声明

摘要

1．1 引言

1．1．1 能源的现状和发展趋势

1．1．2 课题的研究背景及意义

1．2 风力资源评估及风力发电现状

1．2．1 我国的风力资源分布

1．2．2 风力发电现状

1．3 太阳能资源分布及光伏发电现状

1．3．1 我国的光能资源分布

1．3．2 光伏发电现状

1．4 风光互补发电现状

1．4．1 风光互补发电的研究意义

1．4．2 风光互补发电系统结构及现状

1．5 论文主要工作及组织结构

第2章 风光互补供电系统数学建模及分析

2．1 风力机建模及特性分析

2．1．1 风力机风轮的风能利用系数

2．1．2 风力机的基本特性及数学模型

2．1．3 风力机的仿真特性分析

2．2 永磁同步发电机数学模型

2．2．1 永磁同步发电机在三相静止坐标下的数学模型

2．2．2 永磁同步发电机在两相静止坐标下的数学模型

2．2．3 永磁同步发电机在两相旋转坐标下的数学模型

2．3 光伏电池建模及特性分析

2．3．1 光伏电池的等效电路及数学模型

2．3．2 光伏电池的建模及仿真性能分析

2．4 蓄电池的工作原理及等效电路模型

2．4．1 蓄电池工作原理

2．4．2 蓄电池等效电路模型

2．5 本章小结

第3章 风光互补供电系统发电单元功率控制

3．1 风力发电系统输出功率控制策略

3．1．1 风力发电系统功率控制策略

3．1．2 风力发电输出功率控制实现

3．1．3 风力发电最大功率跟踪控制仿真

3．2 光伏电池输出功率控制策略

3．2．1 光伏电池最大功率跟踪原理

3．2．2 光伏电池最大功率跟踪控制电路

3．2．3 光伏电池最大功率跟踪算法及仿真

3．2．4 光伏阵列恒定电压(Constant Voltage，CV)控制

3．3 本章小结

第4章 风光互补供电系统储能单元控制策略

4．1 双向Buck／Boost变换器

4．2 蓄电池常用充电方法

4．3 蓄电池充放电控制策略

4．4 蓄电池放电仿真

4．5 本章小结

第5章 风光互补供电系统能量控制策略及分析

5．1 风光互补供电系统整体结构

5．2 风光互补供电系统运行模式分析及控制策略

5．2．1 系统运行状态及能量管理模式分析

5．2．2 风光互补供电系统控制策略

5．3 风光互补供电系统的控制策略仿真验证

5．3．1 控制策略仿真算例1

5．3．2 控制策略仿真算例2

5．4 本章小结

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文和参加科研情况