（农业电气化与自动化专业论文）风光互补发电系统的并网技术研究.pdf

独创性声明 | 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已注t y j i j i 用的内容以夕卜，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果，也不包含为获得江苏大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：稚锋 1 年易月阳 江苏大学硕士学位论文 摘要 风光互补发电系统充分利用了风能和太阳能在时间和地区上的互补性，能够提 供稳定的电能输出。与传统独立的太阳能和风力发电系统相比，风光互补发电系 统节省了一套并网装置，结构简单，稳定性好，将具有更加广阔的应用前景，特 别在小功率的发电系统中有着不可替代的优势。 本文论述了风光互补发电系统的基本原理，分析了三相并网逆变器的拓扑与工 作特性，给出了并网逆变器在旋转坐标系下的数学模型，阐述了并网逆变的两种 控制策略，选取传统但实用性较强的双闭环系统作为研究的重点，并在此基础上 拓展了逆变器的功能，可以实现逆变器并网发电、动态无功补偿、有源滤波的柔 性结合，实现新能源发电的同时又改善了电网电能质量。研究了输入功率与前级 直流斩波器占空比的关系，得出了互补系统关于占空比最大输出功率的最佳功率 曲线，并详细介绍了具有两输入的b u c k b u c k b o o s t 的电路结构和基于广义积分器 的锁相环在并网系统上的实现，此外还设计了s a n d i a 频移法的控制策略，可以有 效进行孤岛效应的检测。根据控制原理在p s c a d 环境下搭建了风光互补发电系统 的仿真模型，进行了仿真实验。仿真结果表明，在太阳辐射和风速变化的情况下， 并网逆变器可以按照风光互补系统的最大功率曲线向电网输送稳定可靠的电能， 有着良好的系统稳态和暂态性能。进而为实验需要设计了一套2 2 k w 风光互补发 电的并网逆变器，该系统硬件结构以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 为控制核心，以智能功率 模块p m 为逆变桥，并配备了主电路回路、驱动电路和信号采集及调理电路等外 围电路。软件模块实现系统控制算法的数字化。 最后搭建了2 2 k w 风光互补发电系统的实验平台，进行了并网实验和正弦波 输出电流实验。实验结果验证了硬件设计的有效性和系统控制策略的正确性及鲁 棒性，为进一步研究并网技术提供了良好的实验平台。 关键词：风光互补发电，广义积分器，电能质量，p s c a d ，并网 江苏大学硕士学位论文 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eh y b r i dw i n d p vg e n e r a t i o ns y s t e mi st h ep e r f e c tf o r mo fu s i n gr e n e w a b l e e n e r g yi nt i m ea n da r e a s ，f o rt h e i rc o m p l e m e n t a r yp r o f i l e s c o m p a r e d 谢ms i n g l ew i n d o rp vg e n e r a t i o ns y s t e m ，h y b r i dw i n d p vg e n e r a t i o ns y s t e me l i m i n a t e sas e to f g r i d - c o n n e c t e dd e v i c e ，s o i th a sm o r ea d v a n t a g e s ，s i m p l es t r u c t u r ea n ds t e a d y p e r f o r m a n c e ，a n dw i l lb em o r ew i d e l yu s e d ，e s p e c i a l l yi nt h es m a l l c a p a c i t ys y s t e m i nt h i st h e s i s , t h eb a s i cp r i n c i p l e so fh y b r i dw i n d p vg e n e r a t i o ns y s t e mw e r e i n t r o d u c e d ；t h et o p o l o g ya n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h et h r e e - p h a s eg r i d c o n n e c t e di n v e r t e r a n di t sm a t h e m a t i c a lm o d e li nt h er o t a t i o nc o o r d i n a t ew e r ea n a l y z e d t w oc o n t r o l s c h e m e s o f 面d c o n n e c t e d i n v e r t e rw e r e a n a l y z e d t h i s t h e s i s p r e s e n t s t h e d o u b l e - c l o s e d l o o pc o n t r o ls t r a t e g yw h i c hi st r a d i t i o n a lb u tm o r ep r a c t i c a li nr e s e a r c h f o c u s ，b a s e do nw h i c h ，t h ei n v e r t e rf u n c t i o nw a se x p a n d e da n df l e x i b l ec o m b i n a t i o no f 西d - c o n n e c t e dg e n e r a t i o n , d y n a m i cr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o na n da c t i v ep o w e r f i l t e rc a r lb ea c h i e v e d t h ei n v e r t e rc o u l dg e n e r a t er e n e w a b l ee n e r g ya n di m p r o v e p o w e rq u a l i t ys i m u l t a n e o u s l y r e l a t i o n s h i pb e t w e e ni n p u t - p o w e ra n dd u t y c y c l eo ft h e d cc h o p p e r , b e s tp o w e rc u r v eo f h y b r i ds y s t e mb a s e do nd u t y - c y c l e - m a x i m u mo u t p u t p o w e rw a sr e a c h e d t h eb u c k b u c k - b o o s tc i r c u i ts t r u c t u r ea n dp h a s e - l o c k e dl o o po n g e n e r a l i z e di n t e g r a t o rw a se x p l a i n e d ，a n dt h es c h e m eo fs a n d i af r e q u e n c ys h i t tw a s d e s i g n e dt od e t e c ti s l a n d i n ge f f i c i e n t l y a c c o r d i n gt oc o n t r o lp r i n c i p l e ，t h es i m u l a t i o n m o d e lo fh y b r i dw i n d p vg e n e r a t i o ns y s t e mw a sb u i l ti np s c a d f r o mt h es i m u l a t i o n r e s u l t s ，i tw a sd e m o n s t r a t e dt h a tw h e nt h es o l a rr a d i a t i o na n dw i n ds p e e dc h a n g e d ，t h e g r i d - c o n n e c t e di n v e r t e rc o u l di n j e c tt h es t a b l ea n dr e l i a b l ea cp o w e ra s s o c i a t e dw i t h t h em a x i m u mp o w e rc u r v e ，i t ss t e a d y s t a t ea n dt r a n s i e n tp e r f o r m a n c ew e r eg o o d f u r t h e r m o r e ，a2 2 k wg r i d c o n n e c t e di n v e r t e rf o rh y b r i d 谢n d - p vg e n e r a t i o ns y s t e m w a sd e s i g n e dt om e e tt h en e e do ft h ee x p e r i m e n t t h eh a r d w a r es t r u c t u r eu s e d t m s 3 2 0 f 2 812 d s p 嬲c o n t r o lc o r ea n du s e di n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ( i p m ) a s i n v e r t e rb r i d g ee q u i p p e dw i t hs e v e r a lk i n d so fp e r i p h e r a lc i r c u i t s ，e x a m p l e so f w h i c h w e r em a i nc i r c u i tl o o p ，d r i v i n gc i r c u i t ，s i g n a la c q u i s i t i o na n ds i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i t ， e t c s o f t w a r em o d u l ei su s e dt or e a l i z et h ed i g i t a lp r o c e s s i n go fc o n t r o la l g o r i t h m i l l 江苏大学硕士学位论文 f i n a l l y ，a2 2 k we x p e r i m e n t a lp l a t f o r mo fh y b r i dw i n d p vg e n e r a t i o ns y s t e mw a s s e tu p ，g r i d - c o n n e c t e da n ds i n ew a v eo u t p u tc u r r e n te x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e d e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o w e dt h a te f f e c t i v e n e s so ft h eh a r d w a r ea n da c c u r a c ya n d r o b u s t n e s so ft h ec o n t r o ls t r a t e g y ，a n dp r o v i d e dg o o dp l a t f o r mf o rf u r t h e rs t u d yo nt h e g r i d - c o n n e c t e dt e c h n o l o g y k e y w o r d s ：h y b r i dw i n d p vg e n e r a t i o n , g e n e r a l i z e di n t e g r a t o r ，p o w e rq u a l i t y ，p s c a d ， g r i d c o n n e c t e d i v 江苏大学硕士学位论文 目录 摘i i e i a b s t r a c t i i i 目录v 第一章绪论1 1 1 风光互补系统简介l 1 2 国内外风光互补发电发展现状3 1 3 风光互补发电的意义4 1 4 本文主要研究内容5 第二章风光互补发电系统的建模及仿真7 2 1 基于p s c a d 的系统建模。7 2 2 光伏发电部分8 2 2 1 光伏电池的数学模型。8 2 2 2 光伏电池的p s c a d 仿真模型9 2 2 3 光伏电池板性能的f o r t 气n 语言列表。1 0 2 2 4 光伏电池的最大功率1 1 2 3 风力发电部分1 2 2 3 1 风力发电机的选型1 2 2 3 2 基于电励磁同步电机风力发电的p s c a d 仿真模块1 5 2 4 风光互补系统配置优化设计18 第三章前级两输入直流斩波器设计1 9 3 1 前级d c d c 变换部分2 0 3 2 系统最大功率点跟踪2 2 3 3 系统仿真结果分析2 3 第四章具有改善电能质量的并网方案2 5 4 1 基于广义积分器的锁相环设计2 5 4 1 1 基于瞬时无功理论的单相锁相环结构2 5 4 1 2 二阶广义积分器构造虚拟两相2 6 4 1 3 偏移抑制设计2 9 4 2 两套并网控制方案的设计3 0 4 2 1 并网侧解耦控制3l v 江苏大学硕士学位论文 4 2 2 谐波电流检测3 7 4 2 3 无功补偿容量的计算3 8 4 3 两套并网方案4 0 4 4 仿真结果及分析4 l 第五章小型风光互补发电并网系统的软硬件设计4 5 5 1 主要元器件及模块选型4 6 5 2 基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 的相关设计4 9 5 2 1 系统的初始化和相关外设初始化4 9 5 2 2 电网电压过零检测和正弦波指令电流的生产5 0 5 3s p w m 控制信号的生成5 0 5 4s a n d i a 频移孤岛检测技术5 2 5 5 信号调理电路板的设计5 5 5 5 1 电源设计5 6 5 5 2 直流电压检测与调理单元5 6 5 5 3 交流电压及同步信号检测与调理电路5 7 5 5 4 交流电流检测及调理电路5 8 第六章风光互补发电并网系统的实验研究6 l 6 1 系统实物图6 1 6 2 试验波形分析6 1 第七章结论与展望6 5 参考文献：6 7 致谢7 1 论文发表及科研工作7 2 v i 江苏大学硕士学位论文 1 1 风光互补系统简介 第一章绪论 多年来，电能产生的方式常用间接变换方式，例如，火力发电厂用煤或石油作 为能源，将其化学能通过燃烧变为热能，产生蒸汽后推动汽轮机再带动同步发电 机产生电能，这种火力发电系统是一种典型的间接能源变换【1 1 。 燃料燃烧发电系统 燃料 _ _ _ - 一一 ( a ) 间接能源变换( 火力发电) 发电系统 电能 电能 ( b ) 直接能源变换 图l - 1 能源变换系统 直接能源变换系统如图1 1 ( b ) 所示，无需石化燃料，对环境的污染小，而且也 能减少系统的成本。另外由于地球常规能源的逐渐衰竭，太阳温室效应等环境污 染，已严重影响到人类的生活质量和生存空间。节能和新能源的开发利用已成为 当前社会的热门研究课题。在诸多新能源中，太阳能和风能的发电技术是利用可 再生能源的重点，两者在转化利用过程中都受季节，气候等诸多因素影响，但是 这两者的变化趋势基本上是相反【2 1 。另外，风力发电和光伏发电系统在储能环节和 逆变环节上是可以通用的。随着风机及太阳能发电技术的不断发展，风光互补发 电技术成为了可能f 3 1 。据调查在弱电网中，风光互补发电系统能够抑制诸如风力发 电系统独立工作时输出能量的急剧变化，因此比独立的风力发电和太阳能发电系 统效果要好柳。 风光互补发电系统可区分为两大类别，一是离网系统，二是并网系统【5 1 。离阿 系统是互补发电系统的最基本形式。这种系统的主要特点是发电、输电、供电自 成一体，不与公用电网发生连接关系，多用于边远的灯塔、渔船及路灯等，作为 江苏大学硕士学位论文 供电电源。系统的典型应用如图1 2 所示，光伏组件和风机分别通过相应控制器把 输出的直流功率直接供给蓄电池组充电，如果负荷是直流的，则可以接在蓄电池 组输出端，如果负荷是交流的，则还须将直流功率通过逆变器变换为交流功率。 制嚣 邀变器 瓢 礁 一彗 蓄电池缀 | 翱。 !。 麓 图l - 2 风光互补发电的离网系统 并网系统的构造如图1 3 所示，该系统的特点是当发出的电功率超过负荷需要 时，多余的电力向电网供电，即向电力公司卖出电力；不足的电力由电网向用户 补给，即买电 6 1 。随着油价的不断上涨和能源的持续短缺，功率从几千瓦至1 0 0 0 k w 的风光互补系统，有着广阔的前景。另外随着电力电子技术的不断发展，电力电 子设备为风光互补系统成为电力系统的主动元素提供了可能，可以实现有功和无 功功率的可控性，滤除低次谐波并限制短路功率，降低闪变水平，改善电能质量 笙川 1 t0 图1 3 风光互补发电的并网系统 2 江苏大学硕士学位论文 1 2 国内外风光互补发电发展现状 国内外的风光互补发电主要集中在离网系统的经济性和稳定性研究，而对于并 网型风光互补系统只有少量的国外文献涉及，大部分也是侧重对系统控制策略的 研究。 国内，香港理工大学同中科院广州能源所、中科院半导体研究所合作提出了一 整套利用c a d 进行风光互补发电系统优化设计的方法【3 l 。该方法采用了更精确地 表征组件特性及评估实际获得的风光资源的数学模型，精确确定系统每小时的运 行状态。采用比较寻优的方法找出以最小设备投资成本满足用户用电要求的系统 配置。中科院电工所、西安交通大学在风光互补发电系统的设计上也有各自的优 化方法，其目的都是寻求满足用户要求的最小投资配置。另外，合肥工业大学能 源研究在互补发电系统的应用处在前沿水平，所提出了风光发电系统的变结构仿 真模型，能够预测系统的性能、控制策略的合理性以及系统运行的效率等等。国 内有关资料报道，目前投入运行的风光互补发电系统有西藏纳曲乡离格村风光互 补发电站，山东小管岛3 0 k w 风光互补示范电站等。 目前，国外对风光互补发电系统的研究主要集中在系统的计算机仿真和优化设 计，由科罗拉多州立大学和美国可再生能源研究室合作开发了h y b r i d 2 应用软件可 以对风光互补系统进行很精确的模拟运行，据输入的发电系统的结构、负载特性 一级安装地点风力、日照强度数据获得8 7 6 0 小时的运行结剁9 】。但它只是一个功 能强大的仿真程序，并不具备优化设计功能，并且价格昂贵，需要的专业性较强【l o l 。 文献【1 1 】给出了计算机仿真模型r a p s o d y ，能对新能源混合系统进行仿真的基础 上进而分析能源的稳定性、初始成本、及系统运行成本等。 就并网型逆变器而言，在国外已经是一种比较成熟的市场产品，在欧洲专用并 网逆变器市场中有s m a 、s u n p o w e r 和西门子等公司的产品，其中s m a 在欧洲市 场占有5 0 的份额。而且除欧洲的科技强国外，像日本、美国等国家都已经实现 了并网逆变器的产品化。现在逆变器的最大功率跟踪以及逆变环节集成的单级量 变换上，成为了研究的热点阎题。类似于小功率的逆变器开发越来越受到人们盼 重视，而在这些小功率逆变器，其控制电路主要采用数字控制，系统的安全性， 可靠性以及扩展性，同时将各个完善的保护电路考虑其中。国内并网逆变器的研 究主要集中在基于最大功率跟踪及逆变部分相分离的两级能量变换结构，功率主 江苏大学硕士学位论文 要为几百瓦到五千瓦的范围，同时能够推向市场的逆变器并不多见。合肥阳光电 源有限公司是中国最大的逆变器生厂商，技术水平处于国内领先地位。拥有逆变 器行业国内唯一的自主创新技术，为解决光电和风电并网提供了关键性解决方案。 风光互补发电系统是新能源应用产业化的重要组成部分，为当前的能源危机和 环境污染开辟了一条新路。对于我国而言，新能源并网发电的关键技术及设备仍 主要来自进口，面对巨大的国内需要，发展具有自我知识产权的相关高新技术， 是刻不容缓的事情。是当前清洁能源和环保措施中发展最快的领域之一，为电力 用户降低电费支出提供了可能性。 1 3 风光互补发电的意义 风光互补发电系统与独立运行的风能或太阳能发电系统相比，具有很大的优 势，可以概括为： ( 1 ) 弥补独立发电的不足，有效降低各自单独运行时电输出功率的波动性。 ( 2 ) 提高效率降低成本。 ( 3 ) 空间( 地面和高空) 的合理利用。 ( 4 ) 使供电系统更具安全性、保障性和可靠性。 ( 5 ) 有效地延长对蓄电池的充电和缩短处于亏电期的时间，延长蓄电池的使 用寿命。 风光互补并网发电系统并入大电网与离网型太阳能、风能发电站相比，可以不 用考虑负载供电的稳定性；并网运行时风光互补发电系统始终工作在最大功率点， 可有效提高系统的发电效率；另外并网系统省去了中间储能环节的蓄电池组，降 低成本的同时，又可以避免由蓄电池组带来的环境污染问题；最后风光互补系统 并入大电网可以对整个电力系统起到调峰作用。 但风光互补并网发电系统作为分布式发电系统，必定会对传统集中供电系统的 电网会产生一些不良影响，如孤岛效应、谐波污染等。针对上述情况有学者提出 了“并网不上网的全新理念，有待更进一步的发展【1 2 】。还有我国西安交通大学 王锡凡教授提出了分频输电系统( f r a c t i o n a lf r e q u e n c yt r a n s m i s s i o ns y s t e m , f f t s ) ，可以成倍提高系统传输容量，显著改善系统运行特性【1 3 】。 4 江苏大学硕士学位论文 1 4 本文主要研究内容 课题来源于盐城工学院校级项目“风光互补发电的并网技术 ( 编号： ( y 2 0 0 9 0 8 1 ) ，论文期间的主要工作和研究内容如下： 1 、风光互补系统发电部分的拓扑结构与控制。分别讨论了光伏发电和风力发 电环节的数学模型和工作原理，在此基础上，设计了可以实现升降压的两输入直 流斩波b u c k b u c k b o o s t 电路，并详细阐述了此电路的拓扑结构及工作原理。在此 方案基础上，对风光互补发电系统的最大功率点跟踪进行了仿真分析。 2 、对并网变流器控制系统进行了分析与研究。分析了基于瞬时无功理论的锁 相环结构，提出在并网系统中采用基于广义积分器的锁相环控制方案，该方案可 以抑制电网畸变时对电压同步信号跟踪的影响。并且详细介绍了并网逆变器的主 电路拓扑，给出了此对象在旋转坐标下的数学模型，通过叠加负荷谐波分量，完 成并网的同时又能进行有源滤波及无功补偿。 3 、分布式发电系统一般都可能存在孤岛效应。论文研究分析了孤岛效应的产 生机理，通过对s a n d i a 频移概念的理解，设计了一个可以快速检测孤岛的s a n d i a 频移控制策略，通过实验验证了所设计方案的正确性。 4 、依据模块化、智能化的设计思路。对并网逆变器控制系统软硬件进行了设 计，介绍了各个电路单元的功能，技术等特点。 一 5 、完成了以功率器件丁p m 构成三相p w m 变流桥主电路基础的2 2 k w 风光互补 发电实验系统的搭建，给出了装置样机的实物图。并网逆变器控制部分采用t i 公 司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 作为控制器，充分发挥d s p 控制器数字运算速度快，集成外 设丰富及软件算法灵活等特点。可以有效地保证逆变器并网运行的安全性和可靠 性，另外通过人机界面的设置，方便用户对系统功能的选择。 江苏大学硕士学位论文 6 江苏大学硕士学位论文 第二章风光互补发电系统的建模及仿真 2 1 基于p s c a d 的系统建模 e m t d c 是2 0 世纪7 0 年代中期发展起来的一个电磁暂态仿真软件，经过近4 0 年的发展，具备了十分完善的e m t d c 的元件模型库和功能，被广泛应用于交直 流电力系统研究、电力电子仿真及非线性控制等领域，日益成为一种世界各国同 用的电力系统分析软件f 1 4 1 。p s c a d e m t d c 主要功能是进行电力系统时域和频域 计算仿真，典型应用是计算电力系统遭受扰动或参数变化时，电参数随时间变化 的规律，软件还可以作为实时数字仿真器的前置端。此外p s c a d 还具有强大的自 定义功能，用户可以根据自己的需要创建具有特定功能的装置，是目前世界上使 用最为广泛的电力系统仿真软件之一。e m t d c 主程序具有良好的开放性，可以方 便地实行与其他语言，如f o r t r a n 、c 、m a t l a b 等的接口功能，方便用户进 行二次开发1 1 5 l 。 p s c a d 适合本系统的研究与设计，有几方面的优势：其一库文件丰富包括本 设计中用到的风速发生模块，风机模块、永磁同步电机模块等等；其二良好的接 口功能，可以方便用户用高级语言来编写所需的功能模块。 本课题的前期工作主要是基于p s c a d 电力系统仿真软件设计风光互补发电并 网的仿真系统，通过实时观测仿真波形，分析系统的动态性能，使系统工作在最 优状态。系统总体硬件框架如图2 1 所示( 2 k w 风力发电机+ 6 0 0 w 太阳能电池板) 。 r2 ，、 p v一# y ： - + 1 “_ 且小l j 一二码 c m i t m ；k t m 。 # j 图2 - 6 风力发电系统的仿真模型 在p s c a d 中搭建了风力发电机的仿真模型，如图2 - 6 所示。在变风速下，其 江苏大学硕士学位论文 相应的输出功率及相电压如图2 7 所示，很好地模拟了风机在实际环境中的运行情 况，为后期实验系统的搭建提供了一个很好的学习平台。 t 4 0 。 1 2 0 10 t 0 堇 鲁： 矗o 2 0 o 0 2 2 0 0 譬 5 0 毫 1 0 0 也 a 5 0 q 宅 ： u u t ( s ) 孙 厂r 1 一r 叫一、r r r 弋r n 广 、 一h0 ，l ；jl v 訇l 、， v v v 图2 - 7 风力发电机输出特性曲线 ( 2 ) 风机和发电机的连接控制部分 风机与发电机之间的运动方程为式( 2 1 5 ) ，可以通过彩的改变来实现跟随 已的改变而改变。 乙一乏“警+ b o o ( 2 - 1 5 ) 其中乙为风机输出转矩，z 为永磁电机输出电磁转矩，风电机组转动惯量，b 粘 性摩擦系数。 ( 3 ) 最大风能捕获 根据贝兹原理，风机的输入功率为： p = 0 5 c p ( 口，x ) a p v 3 ( 2 1 6 ) 其中彳为桨叶扫略面积，p 为空气密度，1 ，为风速，q 为风轮的功率系数，c 尸的 大小取决于叶尖速比a ：丛( t o 为风机转速，r 为桨叶半径) 。 如果不加控制，风力机在一定风速下的输出功率并未达到最大，此时需要用最 大功率跟踪控制来实现对风能的最大捕获，减少功率损耗。最大功率控制是指在 1 6 江苏大学硕士学位论文 不同风速情况下，控制系统通过调节负载自动搜索最佳叶尖速比，使风力发电系 统总是工作在或接近最佳状态，获得最大输出功率，从而最大限地利用风能。风 速不同时，最大功率点所对应的转速也不同，输出功率存在唯一最大值，此时有 最佳叶尖速比，对应的风机转速为最优转速，可以用式( 2 - 1 7 ) 来描述两者关 系 = 字一鲁 沼 由于测量风速比较困难，可以把问题转化到转速问题上，此时最大功率为 己= 扣c ，( 爿 协 不同风速时输出功率与转速关系如图2 - 8 所示。从图中可以看出，当风速为v l 时，风机转速达到q 时，此时风机输出功率最大即为a 点，而当风速从h 增加到屹 时，此时风机转速劬对应的功率点b 并不是最大功率输出点，应同时增加风机转 速，使其达到峨，此时风机输出最大功率即c 点，其他情况，以此类推。 q 哆伤0 7 图2 - 8 不阿风速时，输出功率与转述关系图 通过观察在最大功率点时满足关系式： d p ：0( 2 1 9 ) - d 彩 通过对其输入风机侧电流的调节可以实现控制发电机的负载转矩的目的，从 而实现对发电机转速的调节，因此可以通过调节前级b u c k b u c k - b o o s t 斩波器的占 空比就可使其工作在最佳叶尖速比状态，捕获最大的风能。 1 7 江苏大学硕士学位论文 2 4 风光互补系统配置优化设计 在风力发电容量确定的情况下，风光互补发电系统的配置优化设计，实质上是 寻求与该风力发电机容量相匹配的光伏阵列的最佳容量组合。其关键是使混合发 电系统在能满足用户需求条件下，设备投资达到最小。这个满足用电需求的指标 就是风光互补系统的全年失电率l p s p ( t h el o s so fp o w e rs u p p l yp r o b a i l i t y ) ，也 就是依存率。有了这个计算，若风力发电容量同样需要优化设计时，只需改变风 力发电容量的设定值，重复前面的设计计算，最后经过方案筛选，就可以求得全 系统的配置优化设计结果。 l p s p 定义为系统对负载失供的电能与负载总需求电能之比。这里，选用月平 均值来计算，取风能、太阳辐射能和负载用电量的月平均值进行统计计算，于是 有平衡方程： l p s p = 一疋，l ，巩】 ( 2 2 0 ) e 1 日 蜀是月平均日每小时负载用电量，k w h ；最是月平均日混合系统发电量，k w h ； n e 是该月的天数；是混合系统供电系效率。 由式( 2 2 0 ) 可知，对特定负载，选定l p s p 值后，就可以对风机容量和光伏 电池阵列进行优化配置选择。 1 5 可匹同 r l 一 ， m丛坨汹 江苏大学硕士学位论文 第三章前级两输入直流斩波器设计 当前国内外研究两级式风光互补发电系统的并网技术主要有三种变流方案踟。 图3 1 ( a ) 所示是并联并网控制方案，采用两套独立的直流斩波和逆变电路构成，控 制复杂，而且不经济，控制关键是并网侧两种逆变的同步进行。图3 1 ( b ) 所示是分 布式发电技术，这是国内对可再生能源利用研究的主要方案，采用独立的直流斩波 和公用逆变电路构成，控制简单，而且较经济，控制关键是直流侧电压的稳定。图 3 1 ( c ) 所示是两输入变流技术，该方案采用公用的直流斩波和逆变电路构成，控制 简单，而且最经济，控制关键是直流斩波电路的设计与控制。 ( a ) 并联并网技术 嘞分布式发电并网技术 | 。 弋 | d c d c | | ta cd c ll ( c ) 多输入变流并网技术 图3 - 1 两级式风光互补并网方案 风光互补的并网系统如图2 1 所示，主要由光伏电池和永磁同步电机( p m s m 组成的风光互补发电系统，前级b u c k b u c k - i ) q o s t 升降直流压斩波电路，后级电压 型逆变器，滤波电路及控制电路构成。前级d c d c 变换电路主要完成系统的最大 功率跟踪，另外由于b u c k b u c k b o o s t 电路的引入，不但将直流输入电压等级提高， 1 9 江苏大学硕士学位论文 使逆变器的调制深度范围增大，而且可以使最大功率跟踪与功率调节环节解离， 为光伏逆变器在统一控制时，系统的稳定运行成为可能。 3 1 前级d c d c 变换部分 对于文献 2 h 所提出的通过并联两个独立的b u c k - b o o s t 电路结构来实现两输入 控制，虽然可以实现升降压功能，但对应两个开关管不能同时导通，即风力系统 和太阳能系统不能同时进行两输入发电，否则会造成发电侧短路。通过改进后的 d c d c 变换电路，对9 1 和薛输入采用p w m 控制方式，并且具有相同的开关周 期，开通模式可以进行如图3 2 分解，d l 为开关管9 1 的占空比，d 2 为开关管醇 的占空比。在t 0 至t l 时段9 1 导通9 2 关断，为工作模式1 ，如图3 3 ( a ) 所示；t l 至t 2 时段g l 和酩同时导通，为工作模式2 ，如图3 - 3 ( b ) 所示；t 2 至t 3 时段g l 关断蜉导通，为工作模式3 ，如图3 3 ( c ) 所示；t 3 至t 时段，9 1 和薛同时关断， 为工作模式4 ，如图3 3 ( d ) 所示。 i i t3 - 2 开关管的通断时序 如果对该电路进行整体分析，时间参数很难整定，不易构建该直流斩波模型的 数学模型。因此在一个开关周期内，本文运用叠加原理，来分析b u c k b u c k - b o o s t 变换电路的特性。在9 2 导通期间，风电电压全部加到升压电感l 上，电感电 流屯线性增长，负载由滤波电容c 供电；9 2 关断期间，电感l 放电，电感感应电 压向电容c 及负载供电，因此在风电单独作用下，相当于一个升降压直流斩波电 路模式，因此有： v o l - 击 ( 3 - 1 ) 光电单独作用稳态时，电感l 两端电压叱在一个周期t 内对时间的积分为0 ， 江苏大学硕士学位论文 即r u l d t = 0 。根据图2 1 0 导通时序图，可以得到： 坼矿一v 0 2 d l 丁一出) + 巧r a t v 0 2 ( t - 皿丁一0 2 r + a t ) = 0 ( 3 - 2 ) 从式( 3 2 ) 可以推得： 肾击巧y ( 3 3 ) 直流侧电压输出总电压为：v o = z o l + v 0 2 ，即 圪= 矗”矗 。舢 因此该直流斩波电路模型具有升降压功能，另外还可以同时和分别进行发电并 网，对于小功率风光互补发电系统而言，成本和性能都有了相应的改善，另外当 外界环境恶劣时，可以通过关断开关管g l 或薛来停止太阳能发电或风力发电的 并网功能，可操作性强，这也是所设计电路的突出优点。具有b u c k b u c k b o o s t 电 路直流斩波环节，当互补系统输出电压较低时仍可实现相对较高效率的并网输出。 ( a ) 模式1 ( c 模式3 ( ”模式2 ( d ) 模式4 图3 - 3 直流斩波电路的工作模式 2 1 江苏大学硕士学位论文 3 2 系统最大功率点跟踪 光伏阵列和风力机输出特性具有非线性特征，并且其输出受环境温度和负载情 况影响。因此，要提高系统的整体效率，一个重要的途径就是实时调整光伏电池 及风机的工作点，使之始终工作在最大功率点附近，这一过程就称之为最大功率 点跟踪( m a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g ，m p p t ) 。由于扰动观察法结构简单，且所 需量测的参数少，本课题采用最大功率点扰动观察法控制，根据功率计算公式p = u i 计算扰动前后的输出功率，然后将扰动后的输出功率与扰动前的输出功率进行比 较，若扰动后的输出功率增加，则说明此前的扰动能够提高输出功率，下一次往 相同方向继续扰动输出电压；反之，往相反的方向扰动。通过上述分析，可以把 问题简化为通过调节b u c k b u c k b o o s t 的占空比来实现最大功率跟踪。虽然扰动法 有可能会带来误判断，但可以通过增加扰动频率和减少扰动步长来解决。 系统采用两级变流技术，一方面使最大功率跟踪与功率调节环节解离；另一方 面两路最大功率跟踪的输出并联到直流母线上，最大功率跟踪器和后级逆变系统 的中间有较大的电容，可以实现能量的解耦。因为斩波器输出侧直流电压由p w m 逆变变流器控制恒定，所以前级b u c k b u c k - b o o s t 直流斩波电路可以分别通过改变 开关管g l 和9 2 的占空比，即控制斩波器的输出电流，进而控制了输入风能和太 阳能的功率，完成了对风光互补发电系统输出最大功率点跟踪( m p 阿) 。 基于上述原理，采用一个控制算法即可实现风光互补发电系统的最大功率的跟 踪，简化了程序设计。传统的扰动观察法在稳态时候的功率损耗比较大，而且光 照强度发生变化时，有误判，而改进的扰动观察法可以克服上述问题，控制流程 图如图3 4 所示。在远离最大功率点处采用较大的扰动步长，而在最大功率点附近 采用较小的扰动步长。这样既可以保证跟踪速度，又可以保证最大功率点的跟踪 精度，有着较少的功率损失，而且在外界环境突然变化时不存在误判现象。 江苏大学硕士学位论文 3 3 系统仿真结果分析 图3 _ 4 改进后的扰动法控制流程图 本文应用的是加拿大马尼拖巴高压直流研究中心出品的电力系统电磁暂态仿 真软件p s c a d e m t d c 。构建了一个2 k w 的小型风光互补并网系统的仿真模型。 前级b u c k b u c k b o o s t 能分别实现风能、太阳能最大功率跟踪，太阳能电池在标 准工况下运行，风机在变风速情况下进行，通过改进的扰动得到的最大功率曲线 如图所示，太阳能电池板的最大功率为5 8 5 w ，风机的最大功率为1 5 k w 。 江苏大学硕士学位论文 - j 一 是 磕 7 | ，二 - - _ 一 一 一 1 一 一 一 一 二 一 f；+；ii；!i；：+ - d | l n | | -_- nw；-|-_1-|-! _ rr融ir；|- _ 0 0 0 0 0 0 0 柏 加 ， ， ，人、瓣罄 江苏大学硕士学位论文 第四章具有改善电能质量的并网方案 4 1 基于广义积分器的锁相环设计 若要使变流器能顺利并网，就要求准确实时的系统电压相位信息，其性能很大 程度依赖于对电网电压同步信号的检测瞄】，由于风能资源分布的特征性，使得风 力发电多位于偏远地区，受长距离传输、线路破损及谐波等影响，通常会在变流 器连接点出现不平衡现象，从而会影响网侧变流器的正常运行。如并网电流不对 称，直流侧电压波动等，最终导致并不上网1 2 3 。 针对三相电网不平衡和扰动条件，可以通过提取三相电压基频正序分量，跟踪 正序分量以获得基频正序分量的相角和频率，也就是把问题简化成通过对单相基 波的跟踪，然后在检测d q 同步坐标系下的相角，即可以达到