基于无源综合控制的独立光伏发电系统仿真研究

【摘要】：日益严重的环境问题和能源危机,对于利用可再生清洁能源显得尤为重要。其中,利用太阳能发电的光伏技术因其太阳能的普遍性、无限性和传输电能的方便性等优势受到广泛应用。独立光伏发电系统对于偏远地区户用电源与无人照看设备的能源供给有重要的推广应用价值。 为了光伏发电单元输出功率的最大化,同时兼顾储能单元充放电过程的约束,保持直流母线电压的恒定,需要建立有效的总体控制策略。对于含有DC/DC变换器的独立光伏发电系统,总体控制策略最终通过底层的DC/DC控制器调节DC/DC变换器完成电力变换来实现。针对DC/DC变换器属于本质的非线性系统,同时克服参数敏感性,对DC/DC变换器使用无源控制—非线性控制,结合PI控制的无源综合控制。 本文的主要工作和成果如下： (1)在对常见结构的独立光伏发电系统具有的优劣性分析的基础上,确定了光伏发电单元和储能单元分别带有电力变换接口的独立光伏发电系统结构。在对光伏电池、光伏组件电路建模基础上,对光伏阵列利用牛顿迭代法编写进行仿真的M-file文件。随后选取免维护铅酸蓄电池作为储能单元,分别选取单向Boost和双向Buck-Boost直流变换器作为光伏发电单元与储能单元的电力变换接口。最后根据负载类型的选择,确定了独立光伏发电系统的具体结构。 (2)根据免维护铅酸蓄电池充放电电流和电压的约束,确定了其充放电策略,再结合独立光伏发电系统的能流的分析,采用独立光伏发电系统6种工作模式,分别确定了单向Boost与双向Buck-Boost直流变换器的控制模式。根据对单向Boost的控制模式,采用馈入直流母线电压PI电压外环的光伏阵列功率调节器,能使光伏阵列最大功率追踪与限制功率输出平滑过渡,再对光伏最大功率追踪—短路电流法,进行了改进。最后形成了独立光伏发电系统总体控制策略。 (3)对Buck变换器的仿射非线性方程形式相对阶进行了分析,得出Buck变换器不存在内动态,直接对Buck变换器进行无源电压控制律设计。同样,根据Boost变换器的仿射非线性方程形式相对阶,得出Boost变换器存在内动态,并以状态变量—电感电流作为输出时,验证了内动态的稳定性。以电感电流作为状态反馈变量,设计Boost变换器的静态无源电流控制律和动态无源电流控制律,并选择有较优异控制性能的静态无源电流控制律作为Boost变换器的无源控制律,再在静态无源电流控制律的基础上串联PI电压外环,通过PI电压外环自动配置期望值,解决参数变动的问题。 (4)对独立光伏发电系统,在Matlab/Simulink仿真软件环境下,搭建主电路和控制电路模型。接着,引入传统的PI控制,同无源综合控制作比较。根据独立光伏发电系统典型的工作模式,分别验证所提总体控制策略对能量管理的有效性与基于无源综合控制的独立光伏发电系统有较好的动静态特性与较强的鲁棒性。 【关键词】：独立光伏发电系统 DC/DC变换器 无源综合控制 动静态特性 鲁棒性
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第1章 绪论11-15
• 1.1 选题背景及意义11
• 1.2 DC/DC非线性控制策略研究现状11-14
• 1.3 本文的主要研究工作14-15
• 第2章 独立光伏发电系统结构组成15-28
• 2.1 独立光伏发电系统构成15-16
• 2.2 光伏发电单元16-24
• 2.2.1 光伏电池工作原理16-17
• 2.2.2 光伏电路建模17-20
• 2.2.3 编程求解V_a-I_a特性方程20-24
• 2.3 蓄电池储能单元24
• 2.4 电力变换接口24-26
• 2.4.1 单向Boost变换器24-25
• 2.4.2 双向Buck-Boost直流变换器25-26
• 2.5 独立光伏发电系统具体结构26
• 2.6 本章小结26-28
• 第3章 独立光伏发电系统总体控制策略28-45
• 3.1 蓄电池充放电约束及策略28-29
• 3.1.1 蓄电池充放电约束28-29
• 3.1.2 蓄电池充放电策略29
• 3.2 系统的能流分析29-31
• 3.3 独立光伏发电系统工作模式31-35
• 3.3.1 正常工作模式32
• 3.3.2 直流限压工作模式32-33
• 3.3.3 恒压充电工作模式33
• 3.3.4 蓄电池供能工作模式33-34
• 3.3.5 蓄电池充电工作模式34
• 3.3.6 系统停止工作模式34-35
• 3.4 光伏阵列输出功率控制35-41
• 3.4.1 典型MPPT算法37-38
• 3.4.2 改进的短路电流法38-41
• 3.5 系统总体控制策略41-43
• 3.6 本章小结43-45
• 第4章 DC/DC变换器无源综合控制律设计45-60
• 4.1 Buck变换器内动态分析45-47
• 4.2 Buck变换器无源电压控制设计47-49
• 4.3 Boost变换器内动态分析49-51
• 4.3.1 电容电压作为输出50
• 4.3.2 电感电流作为输出50-51
• 4.4 Boost变换器无源电流控制设计51-59
• 4.4.1 控制方式选择52-58
• 4.4.2 静态无源电流控制的改进58-59
• 4.5 本章小结59-60
• 第5章 系统仿真实验与分析60-81
• 5.1 仿真模型的搭建60-71
• 5.1.1 主电路搭建60-64
• 5.1.2 控制电路搭建64-71
• 5.2 对比仿真实验结果分析71-80
• 5.2.1 正常工作模式72-74
• 5.2.2 直流限压工作模式74-77
• 5.2.3 恒压充电工作模式77-80
• 5.2.4 其它工作模式80
• 5.3 本章小结80-81
• 第6章 总结与展望81-83
• 6.1 总结81-82
• 6.2 展望82-83
• 参考文献83-87
• 致谢87-88
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果88

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