基于超级电容储能的光伏发电系统技术研究

【摘要】：随着化石能源的逐渐枯竭,发展可再生能源已成为解决世界能源问题的必经之路。在众多可再生能源中,太阳能无疑是最具发展前景的新能源之一,其取之不尽、用之不竭,不会污染环境和破坏生态平衡,因此太阳能的开发利用有着巨大的市场前景。随着现代科学技术的不断发展,作为太阳能利用主要形式的光伏发电技术也越来越受到各国的重视,在今后几十年必将得到迅速的发展和应用。 本文以独立光伏发电系统为研究对象,对系统各个组成部分进行了全面的理论分析,从系统的整体结构、最大功率点跟踪、超级电容储能系统、逆变器到控制策略、参数选择等关键技术都作了详细的分析和研究,本文的主要内容有以下几个方面： (1)首先介绍光伏发电系统的组成及其分类,分析独立系统、并网系统和混合系统的结构特点及各自应用场合,最后介绍本文研究的独立光伏发电系统结构及关键技术。 (2)分析光伏电池不同光照强度不同环境温度下输出特性曲线及工作状态,对已有的光伏电池数学模型进行改进构造本文研究的实用仿真数学模型,仿真结果验证了所构造模型精度高、模块通用性强,与实际光伏电池输出特性曲线接近,为光伏电池工作特性分析和实际工程设计提供理论依据。 (3)分析常用最大功率点跟踪算法原理并比较各自优缺点,采用动态响应快,稳态精度高的占空比扰动观察法作为本文的最大功率点跟踪控制算法,设计基于Boost变换器的MPPT跟踪控制器,通过仿真结果证明了实现最大功率点跟踪在独立光伏发电系统中具有重要作用。 (4)介绍超级电容储能原理及储能优势,建立超级电容器等效电路模型,仿真分析常用超级电容串联均压电路,重点设计Buck/Boost双向变换器并推导小信号数学模型,基于小信号传递函数设计电压外环电流内环双环控制方法,在Matlab/Simulink里搭建超级电容储能系统充放电仿真模型,仿真结果验证了双环控制策略实现超级电容器充放电功能的有效性与可靠性。 (5)对独立光伏发电系统的DC/AC逆变器控制技术进行研究,分析逆变器电路拓扑结构并设计LC低通滤波器滤除输出电压高次谐波分量,推导单相逆变器数学模型,提出基于状态空间理论的状态反馈控制,利用状态反馈将闭环系统的极点配置到任意期望位置并进行优化配置,绘出控制系统Bode图理论分析系统稳定性,搭建极点配置控制器及极点优化配置仿真模型,仿真结果验证了基于状态空间理论设计的状态反馈控制系统显著的优越性与可靠性。 【关键词】：光伏发电 最大功率跟踪 超级电容 极点配置 逆变器
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-17
• 1.1 课题研究背景及意义12
• 1.2 光伏发电产业国内外产业现状和发展前景12-14
• 1.2.1 国外光伏发电产业现状和发展前景12-13
• 1.2.2 中国光伏发电产业现状和发展前景13-14
• 1.3 超级电容器的发展现状与应用现状14-16
• 1.3.1 超级电容器发展现状14-15
• 1.3.2 超级电容器研究应用15-16
• 1.4 本文的主要研究内容16-17
• 第2章 独立型太阳能光伏发电系统介绍17-23
• 2.1 太阳能光伏发电系统的分类17-20
• 2.1.1 独立型光伏发电系统17-18
• 2.1.2 并网型光伏发电系统18-19
• 2.1.3 混合型光伏发电系统19-20
• 2.2 本文研究的独立光伏发电系统20-22
• 2.2.1 单相独立光伏发电系统的结构20-21
• 2.2.2 独立光伏发电系统的关键技术研究21-22
• 2.3 本章小结22-23
• 第3章 太阳能电池的工作原理及最大功率跟踪研究23-43
• 3.1 太阳能电池的工作原理及输出特性仿真分析23-28
• 3.1.1 太阳能电池工作原理23
• 3.1.2 太阳能电池等效模型23-24
• 3.1.3 太阳能电池的数学仿真模型24-27
• 3.1.4 太阳能电池输出特性仿真分析27-28
• 3.2 最大功率点跟踪原理及控制算法研究28-34
• 3.2.1 最大功率点跟踪原理28-30
• 3.2.2 恒电压跟踪法30-31
• 3.2.3 电导增量法31-32
• 3.2.4 本文采用的MPPT控制算法32-34
• 3.3 基于Boost电路的MPPT控制器设计34-37
• 3.3.1 基于Boost电路的MPPT原理分析34-35
• 3.3.2 Boost电路参数设计35-37
• 3.4 基于Boost电路的MPPT控制器仿真分析37-41
• 3.5 本章小结41-43
• 第4章 超级电容储能系统的研究43-67
• 4.1 超级电容器43-46
• 4.1.1 超级电容器储能原理43-44
• 4.1.2 超级电容器储能优势44
• 4.1.3 超级电容器等效电路模型44-46
• 4.2 超级电容器容量的选取46-47
• 4.3 超级电容器串联均压方法研究47-55
• 4.3.1 常见串联均压电路研究47-49
• 4.3.2 串联均压电路仿真分析49-55
• 4.4 超级电容器充放电主电路设计55-56
• 4.4.1 双向DC-DC变换器原理分析55
• 4.4.2 双向DC-DC变换器参数设计55-56
• 4.5 超级电容器充放电控制策略分析56-63
• 4.5.1 双向变换器数学模型56-60
• 4.5.2 控制策略设计60-62
• 4.5.3 工作模式分析62-63
• 4.6 超级电容器充放电仿真分析63-66
• 4.7 本章小结66-67
• 第5章 DC/AC逆变器控制技术研究67-79
• 5.1 逆变器主电路拓扑结构与参数设计67-69
• 5.1.1 主电路拓扑结构67-68
• 5.1.2 主要参数设计68-69
• 5.2 基于状态空间理论的控制策略研究69-74
• 5.2.1 单相逆变器的数学模型69-70
• 5.2.2 基于极点配置控制器设计70-73
• 5.2.3 带积分器的极点配置控制器设计73-74
• 5.3 逆变器仿真分析74-78
• 5.3.1 极点配置控制仿真分析74-75
• 5.3.2 带积分器极点配置控制仿真分析75-78
• 5.4 本章小结78-79
• 结论79-80
• 致谢80-81
• 参考文献81-84
• 攻读硕士学位期间发表的论文84

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