基于無源綜合控制的獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真研究

【摘要】：日益嚴重的環(huán)境問題和能源危機,對于利用可再生清潔能源顯得尤為重要。其中,利用太陽能發(fā)電的光伏技術因其太陽能的普遍性、無限性和傳輸電能的方便性等優(yōu)勢受到廣泛應用。獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)對于偏遠地區(qū)戶用電源與無人照看設備的能源供給有重要的推廣應用價值。 為了光伏發(fā)電單元輸出功率的最大化,同時兼顧儲能單元充放電過程的約束,保持直流母線電壓的恒定,需要建立有效的總體控制策略。對于含有DC/DC變換器的獨立光伏發(fā)電系統(tǒng),總體控制策略最終通過底層的DC/DC控制器調節(jié)DC/DC變換器完成電力變換來實現。針對DC/DC變換器屬于本質的非線性系統(tǒng),同時克服參數敏感性,對DC/DC變換器使用無源控制—非線性控制,結合PI控制的無源綜合控制。 本文的主要工作和成果如下： (1)在對常見結構的獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)具有的優(yōu)劣性分析的基礎上,確定了光伏發(fā)電單元和儲能單元分別帶有電力變換接口的獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)結構。在對光伏電池、光伏組件電路建?；A上,對光伏陣列利用牛頓迭代法編寫進行仿真的M-file文件。隨后選取免維護鉛酸蓄電池作為儲能單元,分別選取單向Boost和雙向Buck-Boost直流變換器作為光伏發(fā)電單元與儲能單元的電力變換接口。最后根據負載類型的選擇,確定了獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的具體結構。 (2)根據免維護鉛酸蓄電池充放電電流和電壓的約束,確定了其充放電策略,再結合獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的能流的分析,采用獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)6種工作模式,分別確定了單向Boost與雙向Buck-Boost直流變換器的控制模式。根據對單向Boost的控制模式,采用饋入直流母線電壓PI電壓外環(huán)的光伏陣列功率調節(jié)器,能使光伏陣列最大功率追蹤與限制功率輸出平滑過渡,再對光伏最大功率追蹤—短路電流法,進行了改進。最后形成了獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)總體控制策略。 (3)對Buck變換器的仿射非線性方程形式相對階進行了分析,得出Buck變換器不存在內動態(tài),直接對Buck變換器進行無源電壓控制律設計。同樣,根據Boost變換器的仿射非線性方程形式相對階,得出Boost變換器存在內動態(tài),并以狀態(tài)變量—電感電流作為輸出時,驗證了內動態(tài)的穩(wěn)定性。以電感電流作為狀態(tài)反饋變量,設計Boost變換器的靜態(tài)無源電流控制律和動態(tài)無源電流控制律,并選擇有較優(yōu)異控制性能的靜態(tài)無源電流控制律作為Boost變換器的無源控制律,再在靜態(tài)無源電流控制律的基礎上串聯PI電壓外環(huán),通過PI電壓外環(huán)自動配置期望值,解決參數變動的問題。 (4)對獨立光伏發(fā)電系統(tǒng),在Matlab/Simulink仿真軟件環(huán)境下,搭建主電路和控制電路模型。接著,引入傳統(tǒng)的PI控制,同無源綜合控制作比較。根據獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)典型的工作模式,分別驗證所提總體控制策略對能量管理的有效性與基于無源綜合控制的獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)有較好的動靜態(tài)特性與較強的魯棒性。 【關鍵詞】：獨立光伏發(fā)電系統(tǒng) DC/DC變換器 無源綜合控制 動靜態(tài)特性 魯棒性
【學位授予單位】：浙江工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TM615
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第1章 緒論11-15
• 1.1 選題背景及意義11
• 1.2 DC/DC非線性控制策略研究現狀11-14
• 1.3 本文的主要研究工作14-15
• 第2章 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)結構組成15-28
• 2.1 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)構成15-16
• 2.2 光伏發(fā)電單元16-24
• 2.2.1 光伏電池工作原理16-17
• 2.2.2 光伏電路建模17-20
• 2.2.3 編程求解V_a-I_a特性方程20-24
• 2.3 蓄電池儲能單元24
• 2.4 電力變換接口24-26
• 2.4.1 單向Boost變換器24-25
• 2.4.2 雙向Buck-Boost直流變換器25-26
• 2.5 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)具體結構26
• 2.6 本章小結26-28
• 第3章 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)總體控制策略28-45
• 3.1 蓄電池充放電約束及策略28-29
• 3.1.1 蓄電池充放電約束28-29
• 3.1.2 蓄電池充放電策略29
• 3.2 系統(tǒng)的能流分析29-31
• 3.3 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)工作模式31-35
• 3.3.1 正常工作模式32
• 3.3.2 直流限壓工作模式32-33
• 3.3.3 恒壓充電工作模式33
• 3.3.4 蓄電池供能工作模式33-34
• 3.3.5 蓄電池充電工作模式34
• 3.3.6 系統(tǒng)停止工作模式34-35
• 3.4 光伏陣列輸出功率控制35-41
• 3.4.1 典型MPPT算法37-38
• 3.4.2 改進的短路電流法38-41
• 3.5 系統(tǒng)總體控制策略41-43
• 3.6 本章小結43-45
• 第4章 DC/DC變換器無源綜合控制律設計45-60
• 4.1 Buck變換器內動態(tài)分析45-47
• 4.2 Buck變換器無源電壓控制設計47-49
• 4.3 Boost變換器內動態(tài)分析49-51
• 4.3.1 電容電壓作為輸出50
• 4.3.2 電感電流作為輸出50-51
• 4.4 Boost變換器無源電流控制設計51-59
• 4.4.1 控制方式選擇52-58
• 4.4.2 靜態(tài)無源電流控制的改進58-59
• 4.5 本章小結59-60
• 第5章 系統(tǒng)仿真實驗與分析60-81
• 5.1 仿真模型的搭建60-71
• 5.1.1 主電路搭建60-64
• 5.1.2 控制電路搭建64-71
• 5.2 對比仿真實驗結果分析71-80
• 5.2.1 正常工作模式72-74
• 5.2.2 直流限壓工作模式74-77
• 5.2.3 恒壓充電工作模式77-80
• 5.2.4 其它工作模式80
• 5.3 本章小結80-81
• 第6章 總結與展望81-83
• 6.1 總結81-82
• 6.2 展望82-83
• 參考文獻83-87
• 致謝87-88
• 攻讀學位期間參加的科研項目和成果88

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