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分布式风光互补系统控制与最大功率跟踪策略研究

作　者: 刘立群
导　师: 王志新
学　校: 上海交通大学
专　业: 电机与电器
关键词: 光伏风电机组最大功率跟踪部分遮蔽模糊逻辑人工免疫模糊免疫同步发电机
分类号: TM61
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

风能、太阳能的最大能量捕获已经成为国内外新能源领域的研究热点,采用最大功率跟踪(MPPT)方法旨在最大限度地提高风电机组和光伏发电系统的电能输出效率和系统的响应速度。MPPT控制方法的优劣直接关系着风能和太阳能的有效利用效率和系统的安全运行性能。目前,扰动观察法、增量电导法和智能控制法等MPPT方法已经被应用到实际产品中。但是由于太阳辐射变化迅速,导致光伏输出变化迅速,而现有的光伏MPPT方法跟踪速度慢、抗干扰能力差和输出效率低等缺点阻碍了光伏发电的进一步推广。而时变非线性的风速导致风电机组的输出不稳定,输出效率低和响应速度慢,因此一种高效的MPPT方法对于风电机组和光伏发电系统而言都是非常重要的。同时太阳能和风能具有很好的互补性,风光互补系统与独立式光伏或风电机组相比可以有效降低天气变化对系统的影响,使系统具有更好的输出特性。本文通过对理想状况和部分遮蔽情况下光伏的不同输出特性的分析与仿真,分别找到了适于小型和大型光伏发电系统的MPPT控制方法;通过对选用同步发电机的小型风电机组的分析,找到了适于小型风电机组的MPPT控制方法,并实现了风光互补系统的MPPT;为了减小系统的输出振动,文中将人工免疫理论应用到风光互补系统中,增强了系统的响应速度和抗干扰能力。同时设计了改进模糊的风光互补系统MPPT控制器,并对控制电路进行了实验验证,实现了风光互补系统的互补和最大功率跟踪。此外对风光互补系统的优化匹配进行了分析。本文对分布式风光互补系统的最大能量捕获控制策略进行了探讨。针对小型风电机组和光伏发电系统分别实现了高效的最大功率跟踪控制方法,仿真和实验结果表明所采用的方法是有效的,提高了系统的抗干扰能力并增加了响应的速度。主要的研究内容和创新成果包括:(1)在理想情况下,针对小型光伏发电系统的太阳照射强度相同的特点,对光伏输出特性进行了分析和仿真,通过对直线近似法的改进,得到了求取二极管品质因子和反向饱和电流的新方法,实现了控制优化输出电流的最大功率跟踪算法;通过对传统恒定电压法的改进,实现了控制优化电压的变电压最大功率跟踪算法;所实现的算法具有响应速度快、效率高、易于实现等特点。(2)为了预测光伏阵列的实际峰值点,精确建模了有部分遮蔽的大型光伏阵列的输出特性,并通过Matlab软件构建了大型光伏阵列输出特性分析模型,它可以作为预测不同结构和尺寸的光伏阵列全局峰值分布的工具。(3)在实际情况下,针对大型光伏发电系统有可能被部分遮蔽的情况,实现了基于模糊逻辑的模糊扰动和基于扰动观察法的扰动PWM控制方法,由于扰动PWM在跟踪过程中并不是一直被调用,所实现的方法具有较高的输出效率,且易于实现。(4)针对小型风电机组实现了将模糊逻辑和扰动观察相结合的MPPT控制方法,仿真结果表明该MPPT控制方法在各种风速情况下都具有较高的输出效率。(5)针对传统风光互补系统输出振动较大的情况,利用人工免疫理论改进了模糊控制器,所采用的模糊免疫MPPT控制方法,不但改善了风光互补系统的输出特性,而且响应速度快、抗干扰能力强。本文得到国家自然科学基金重点项目(60934005);上海市科技发展基金(09195802900);上海市教育发展基金(09LM37,10LM26);中国博士后基金(20080440088) ;上海市博士后基金(08R214134) ;上海市科委技术标准专项(10dz0502200);上海市白玉兰科技人才基金(2007B073,2009B075)的资助。

全文目录

摘要  6-9
ABSTRACT  9-17
第一章绪论  17-31
  1.1 引言  17-18
  1.2 太阳能和风能发展现状及趋势  18-25
    1.2.1 太阳能发展现状  19-21
    1.2.2 风能发展现状  21-23
    1.2.3 太阳能风能发展趋势  23-25
  1.3 光伏发电、风能发电及风光互补技术研究现状  25-29
    1.3.1 光伏、风能发电简介  25-26
    1.3.2 常见的光伏、小型风电机组MPPT 技术  26-27
    1.3.3 风光互补技术  27-29
  1.4 本文的研究内容  29-31
第二章不同天气状况下光伏输出特性分析  31-47
  2.1 引言  31-32
  2.2 光伏建模  32-35
  2.3 光伏输出特性  35-39
  2.4 求取优化输出电流和优化输出电压  39-41
  2.5 求取二极管品质因子和反向饱和电流  41-45
  2.6 本章小结  45-47
第三章光伏在理想照度情况下的MPPT 算法  47-79
  3.1 引言  47-48
  3.2 常规的MPPT 控制方法  48-51
    3.2.1 恒定电压法  48
    3.2.2 扰动观察法  48-50
    3.2.3 增量电导法  50-51
    3.2.4 模糊逻辑法  51
  3.3 优化电流MPPT 算法  51-63
  3.4 快速优化电流MPPT 算法  63-67
  3.5 优化电压MPPT 算法  67-73
  3.6 优化电压MPPT 控制方法  73-77
  3.7 本章小结  77-79
第四章部分遮蔽光伏MPPT 控制方法  79-99
  4.1 引言  79-80
  4.2 部分遮蔽情况下的光伏输出特性  80-87
  4.3 实验和光伏阵列输出特性分析模型  87-90
  4.4 部分遮蔽情况下的模糊MPPT  90-96
    4.4.1 模糊逻辑  90-92
    4.4.2 模糊逻辑法和PO 法跟踪效果比较  92-94
    4.4.3 模糊扰动MPPT  94-96
  4.5 部分遮蔽情况下的PO 扰动MPPT  96-98
  4.6 本章小结  98-99
第五章小型风电机组MPPT 控制  99-114
  5.1 引言  99-100
  5.2 风电机组特性及其MPPT 控制策略  100-107
    5.2.1 风力机输出特性  100-103
    5.2.2 同步发电机建模与分析  103-104
    5.2.3 风速建模与分析  104-105
    5.2.4 传统的MPPT 控制方法  105-107
  5.3 风电机组模糊逻辑与扰动观察相结合的MPPT 控制策略  107-113
    5.3.1 模糊逻辑MPPT 控制方法  107-108
    5.3.2 模糊逻辑法和测风速法、PO 法跟踪效果比较  108-111
    5.3.3 改进模糊逻辑法和PO 法相结合的MPPT 控制方法  111-113
  5.4 本章小结  113-114
第六章分布式风光互补系统输出及技术经济性分析  114-139
  6.1 引言  114-115
  6.2 风光互补发电系统输出特性  115-117
  6.3 风光互补发电系统储能装置  117-122
    6.3.1 铅酸蓄电池建模  117-119
    6.3.2 储能装置改善风光互补系统输出特性  119-122
  6.4 风光互补系统优化分析  122-134
    6.4.1 移动通讯基站供电系统分析  123-124
    6.4.2 具体算例分析  124-132
    6.4.3 算例敏感性分析  132-134
  6.5 分布式风光互补系统控制策略  134-138
  6.6 本章小结  138-139
第七章风光互补系统的模糊免疫MPPT 控制  139-150
  7.1 引言  139-140
  7.2 免疫反馈响应理论和模糊免疫MPPT 控制  140-143
    7.2.1 免疫反馈响应理论  140-142
    7.2.2 模糊免疫MPPT 控制  142-143
  7.3 免疫理论在风光互补系统中的应用  143-149
    7.3.1 PV 系统中的应用  143-146
    7.3.2 风电机组中的应用  146-148
    7.3.3 独立式风光互补系统中的应用  148-149
  7.4 本章小结  149-150
第八章分布式风光互补系统MPPT 智能控制系统设计与实验研究  150-170
  8.1 引言  150
  8.2 风光互补智能控制系统  150-160
    8.2.1 系统结构  150-151
    8.2.2 系统充放电主电路  151-152
    8.2.3 系统控制电路  152-153
    8.2.4 系统硬件设计  153-158
    8.2.5 系统软件设计  158-160
  8.3 实验结果  160-169
  8.4 本章小结  169-170
第九章全文总结和展望  170-172
  9.1 全文总结  170-171
  9.2 未来工作展望  171-172
参考文献  172-184
附录1  184-185
附录2  185-193
攻读博士学位期间发表论文  193-195
致谢  195

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