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小型风光互补发电系统控制和能量预测技术研究

作　者: 姚传安
导　师: 余泳昌
学　校: 河南农业大学
专　业: 农业生物环境与能源工程
关键词: 风光互补发电拓扑结构最大功率跟踪离并网逆变控制光伏发电量预测风速预测
分类号: TM614
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

由于化石能源具有不可再生性以及人类的过度开采，使得化石能源逐渐枯竭。同时，化石能源的过度消耗造成了严重的环境污染和气候变化问题。可再生能源具有资源丰富、环境友好等特点，在许多国家已经引起越来越多的重视。在可再生能源利用中，风能和太阳能发电被认为是目前技术成熟、最具商业化的可再生能源。利用风力发电和光伏发电二者在风能和太阳能资源上的互补性以及发电系统功率变换部分的结构相似的特点，本文构建了一种具有离并网功能的小功率风光互补发电系统，对风力发电和光伏发电的最大功率点跟踪方法、风光互补发电系统的逆变器控制策略、风光互补发电系统的软硬件设计以及风光互补发电系统的功率预测技术等问题进行了深入研究。本文主要研究内容如下：1.提出了一种小型离并网风光互补发电系统的拓扑结构。根据风力发电、光伏发电的系统结构和风光互补发电系统的功能特点，提出一种具有储能的小功率离/并网风光互补发电系统的拓扑结构，对系统的组成部分进行分析，并建立了相应的数学模型；搭建了各组成部分的Matlab/Simulink仿真模型，为系统的理论分析和控制方法的实现提供了仿真基础。2.研究了风光互补发电系统中最大功率跟踪技术。根据提出的风光互补发电系统的拓扑结构特点，分析了风力发电和光伏发电功率输出的特性。对于风力发电，提出了基于模糊控制占空比扰动的风力发电最大功率跟踪方法；对于光伏发电，提出了一种模糊滑模控制的最大光伏功率跟踪技术；分别对风电和光伏发电的最大功率跟踪技术进行仿真验证。3.研究了风光互补发电系统的逆变控制技术。在离网运行状态下，以电压型控制为基础，逆变器采用本地负载电压外环和逆变器桥侧电感电流内环控制的双环PI控制，同时考虑到环境条件变化，把直流侧母线电压引入到闭环控制系统中；在并网运行状态下，以并网电流控制为基础，考虑到与电网电压的同步，引入了锁相环控制，同时考虑到由环境条件变化引起逆变器输入功率的波动而使并网电流大小相应变化，引入了功率前馈控制；并对离并网控制进行了仿真分析。4.对风光互补发电系统的硬件和软件系统进行设计。以DSP TMS320F2812为核心，设计了风光互补发电系统的信号检测电路、DC-DC变换电路、全桥逆变电路、驱动控制电路和CAN通信接口等硬件电路，并对系统的软件进行设计；分别进行了最大功率跟踪实验和离并网控制实验。5.研究了风光互补系统中风能和光伏发电功率的预测方法。针对光伏发电输出功率预测，分析了影响光伏发电输出功率的影响因素，选择光伏发电量、温度、日照时间等参数作为光伏发电预测模型的最优输入，提出基于小波变换和神经网络的混合预测模型。对于风力发电输出功率预测，由于风速的随机性特点对风电输出的影响，采用预测风速的方法间接预测风电输出功率。通过比较小波与几种预测方法组合的预测模型的性能，建立一种基于小波为预处理工具的多模型融合的短期风速组合预测模型。

全文目录

致谢  4-8
摘要  8-10
ABSTRACT  10-12
第1章绪论  12-35
  1.1 研究背景  12-14
  1.2 国内外研究现状  14-33
    1.2.1 风光互补发电利用现状  14-18
    1.2.2 风光互补发电系统最大功率跟踪技术现状  18-26
    1.2.3 逆变器控制技术现状  26-28
    1.2.4 风光互补发电系统能量预测技术现状  28-33
  1.3 本文研究的主要内容  33-35
第2章小型风光互补发电系统的拓扑结构  35-51
  2.1 风光互补发电系统的拓扑结构  35-40
    2.1.1 风力发电系统结构  35-37
    2.1.2 光伏发电系统结构  37-38
    2.1.3 风光互补发电系统拓扑结构  38-40
  2.2 风光互补发电系统建模  40-49
    2.2.1 风力机的数学模型  40-41
    2.2.2 永磁同步风力发电机模型  41-43
    2.2.3 光伏电池模型  43-46
    2.2.4 DC/DC 电路模型  46-47
    2.2.5 逆变器电路模型  47-49
  2.3 小结  49-51
第3章风光互补发电系统最大功率跟踪技术  51-68
  3.1 风力发电最大功率跟踪技术  51-58
    3.1.1 占空比与转速的关系  51-54
    3.1.2 基于模糊控制的风电最大功率跟踪技术  54-57
    3.1.3 风力发电子系统最大功率跟踪的仿真实验  57-58
  3.2 光伏发电最大功率跟踪技术  58-67
    3.2.1 滑模变结构控制  58-59
    3.2.2 Boost 电路的滑模控制  59-64
    3.2.3 模糊滑模控制器  64-65
    3.2.4 光伏发电子系统的最大功率跟踪的仿真实验  65-67
  3.3 小结  67-68
第4章风光互补发电系统逆变控制技术  68-76
  4.1 逆变器的控制模式  68-70
    4.1.1 电压型控制  68-69
    4.1.2 电流型控制  69-70
  4.2 逆变器的离并网控制  70-74
    4.2.1 逆变器的离网控制  70-72
    4.2.2 逆变器的并网控制  72-74
  4.3 逆变器离并网控制仿真  74-75
  4.4 小结  75-76
第5章风光互补发电系统设计  76-97
  5.1 系统硬件电路设计  76-90
    5.1.1 系统总体结构设计  76-77
    5.1.2 微处理器 TMS320F2812  77-78
    5.1.3 信号检测电路设计  78-84
    5.1.4 控制系统电源电路  84-85
    5.1.5 DC-DC 电路及开关驱动电路  85-87
    5.1.6 DC-AC 逆变及 SPWM 驱动电路  87-89
    5.1.7 CAN 通信接口电路设计  89-90
  5.2 系统软件设计  90-94
    5.2.1 电压和电流的 A/D 转换  91-92
    5.2.2 数字 PI 算法实现  92-93
    5.2.3 PWM 算法实现  93-94
  5.3 实验结果  94-96
  5.4 小结  96-97
第6章风光互补发电系统能量预测技术  97-123
  6.1 风光互补发电系统输出功率特性  97-98
  6.2 预测技术  98-104
    6.2.1 小波变换理论  98-100
    6.2.2 神经网络预测技术  100-103
    6.2.3 支持向量机技术  103-104
  6.3 光伏发电功率预测模型  104-109
    6.3.1 预测模型输入参数  105
    6.3.2 小波神经网络预测模型  105-107
    6.3.3 光伏发电输出功率预测  107-109
  6.4 多模型融合的短期风速组合预测模型  109-122
    6.4.1 多模型组合方法  110-111
    6.4.2 多模型组合预测模型  111-120
    6.4.3 风速的组合预测结果与分析  120-122
  6.5 小结  122-123
第7章总结与展望  123-125
  7.1 工作总结  123-124
  7.2 论文的创新点  124
  7.3 后续工作建议  124-125
参考文献  125-136
攻读博士学位期间公开发表的学术论文  136-137
攻读博士学位期间参与和完成的科研工作  137

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