风光互补混合能源系统能量管理的研究.pdf

II Study on PowerManagement of aHybrid System withPhotovoltaic and WindPower A Thesis Submitted to Chongqing University in Partial Fulfillment of the Requirement for the Degree of Master of Engineering By Fang Yong SupervisedbyProf. Hou Shiying Major: Electrical Engineering College of Electrical Engineeringof Chongqing University,Chongqing,China May,2011 IV 中文摘要 I 摘要随着化石能源的逐渐枯竭以及随之带来的环境问题日益严重,世界各国开始大力发展可再生能源。由于大部分可再生能源发电出力特性具有随机性和间歇性, 如果大规模并网,会对电网的稳定运行造成冲击。风光互补混合能源系统将两种天然互补的可再生能源发电技术与储能技术结合,克服单一的风力发电或光伏发电的不稳定性,实现两种能源的优势互补和效率提升,为可再生能源有效接入电网提供了一种新的解决思路。本文首先确定风光互补混合能源系统的主体结构,其中光伏单元为单晶硅电池组件,风电单元为永磁直驱风电机组;储能装置由超级电容和磷酸铁锂离子电池混合组成。根据光伏电池、永磁直驱风电机组、磷酸铁锂离子电池和超级电容的输出特性,系统采用直流母线耦合的拓扑结构。随后确定了各单元到直流母线的接口电路以及并网变换器的拓扑。对于系统的控制结构,参照欧洲微电网计划采用的准集中式分层控制体系和风光互补混合能源系统的特点,设计了适合本系统的分层控制结构。对于能量管理策略,分别考虑了系统可靠性、能源利用率和电能质量的要求,按照并网运行与独立运行的不同情况,设计了能量管理对各单元功率分配的控制策略。随后,针对功率输出受天气情况影响的风电单元和光伏单元,研究了各自的功率控制方式。对于风电单元的功率控制,首先分析了永磁直驱风电机组的数学模型,包括风轮机的空气动力学模型、永磁同步发电机的等效电路,以及整个机组的机械模型。然后比较分析典型的最大风能捕获办法的优缺点,并选择功率信号反馈法用于本文所研究的风电单元。最后分析功率信号反馈法在永磁直驱风电机组的实现过程,并给出该方法的稳定性判定条件。接着研究光伏单元的功率控制。为提高系统能源利用效率,光伏单元采用最大功率追踪控制方式。比较分析几种经典算法之后,针对准确度较高,容易实现的P&Q法存在的缺点,提出了一种改进的P&Q法:为传统的P&Q法限定寻优区间,并根据扰动前后功率变化幅度,调节扰动周期,以减少总的扰动次数。最后通过仿真和实验对改进的P&Q法进行了测试,结果显示改进P&Q法在光照变化整体有缓慢、偶尔剧烈的环境下,大大减少了扰动次数。最后,根据能量管理策略,以及风电单元和光伏单元的功率控制思想,设计储能装置接口和并网变换器的控制电路。完成系统底层控制电路的设计之后,在 Matlab/Simulink里搭建系统的仿真电路。利用仿真分析能量管理策略、控制电路以及系统整体功能的实现情况。结果显示:两种间歇性能源和两种储能装置均表重庆大学硕士学位论文 II 现出优势互补的特性,混合储能系统对风电单元和光伏单元的间歇性起到了缓冲和支撑作用,分层控制方式下的能量管理策略保证了本地负载供电,并减小系统对电网的冲击,实现了混合能源系统的基本功能。关键词:混合能源系统,准集中式分层控制,能量管理,最大功率追踪,改进P&Q 法英文摘要 III ABSTRACT Due to the shortage of fossil fuel and the environmental crisis,nations all over the world begin to pay more attentionsto the renewable energy sources (RES). But,most of the RES have random and intermittent characteristics,so it will bring critical effect to grid if large scale RES is integreted. Hybrid bined photovoltaic and wind power together withenergy storage devices can develop eachenergyadvantages and raisethe whole sys