北京理工大學珠海學院2020屆本科生畢業(yè)設計基于風光互補的新能源家居供電系統設計摘要根據相關資料顯示，全球石油儲量利用年限是40年，天然氣為50年，而煤則為60年。所以到了60年后時，化石能源枯竭，可再生能源就會取代他們，并且在發(fā)電方面占主要地位。作為可再生能源的風能與光能在這樣的背景下自然受到了很多人的關注。風能，是一種由于空氣流動產生的能源，其儲藏量大、分布廣，而且無污染、可再生。相似的光能，同樣源于太陽，是太陽能的另一種形式，同樣的儲量幾乎無限，開發(fā)利用清潔，都是理想的替代能源。尤其在我國，太陽能和風能資源豐富，而同時利用他們的風光互補發(fā)電，在穩(wěn)定性方面比他們單一利用更加具有優(yōu)勢。本文以風光互補發(fā)電的新能源家居供電系統為研究對象。首先分別設計風力發(fā)電系統、光伏發(fā)電系統和儲能系統模塊，以及一系列輔助模塊，如逆變模塊、升壓模塊、測量模塊等。而在光伏發(fā)電系統和風力發(fā)電系統中還配置最大功率點追蹤模塊，使各種情況下都可以得到最大輸出功率。然后光伏、風力和儲能模塊共同發(fā)電維持對負載輸出功率穩(wěn)定，多余的則給儲能充電。最后利用Matlab的Simulink模塊進行仿真，驗證此設計是有效可行的。關鍵詞：新能源；風光互補；家居供電系統；最大功率點追蹤；仿真AbstractAccordingtoralaventdata,thelifespenofglobeloilrasarvesis40years,neteralgesis50years,andcoalis60years.Therefore,by2050,globalrenewableenergywillreplacethepositionofconventionalenergyandoccupyadominantpositioninpowergeneration.Windandlightenergy,whichareranavableenergysaurces,havenetvrallyattrectedtheattantionofmanypeopleinthiscontaxt.Windenergyisanenergygeneratedbytheflowofair.Ithaslargestorage,widedistribution,andispollution-freeandrenewable.Similarlightenergy,alsoderivedfromthesun,isanotherformofsolarenergy.Thesamereservesarealmostunlimited.Thedevalopmentandatilizationofcleanenergyareidaelalternativeenergysovrcas.InChina,solarenergyandwindenergyarerelativelyabundant.Combingthetwo,itpowersupplyadventageismoreadventagaousthanasingleenergysupply.Thispapertakeswindandsolerpowergeneretionnewenergyhomepowersupplysystemastherasearchobject.Firstofall,designwindpowerganerationsystem,photovaltaecpowergeneretionsystemandenergystoragesystemmodule,aswellasaseviesofauxilearymodules,suchasinvertermodule,boostmodule,measurementmodule,etc.Thephotovoltaicpowergenarationsystemandwindpowergeneretionsystemarealsoequipedwithamaxinumpowerpointtrackingmodvle,sothatthemaxinumoutputpowercanbeobteinedinvarioussituations.Thenthephotovolteic,windandenergystoragemodulesgenarateelectricitytogethertomainteinastableoutputpowertotheload,andtheexcassischargedtotheenergystorage.Finally,theSimulinkmoduleofMatlabisusedforsimulationtoverifythatthedesigniseffectiveandfeasible.Keywords:Newenergy;windandsolarcomplementary;homepowersupplysystem;maximumpowerpointtracking；simulation目錄TOC\o"1-3"\h\u174321緒論 緒論1.1風能與太陽能發(fā)電的背景、目的與意義人類的生存與能量是密不可分。能源是人類文明進步的最基本動力。從某種意義上說，高質量的能源是人類文明不斷進步的保證。自21世紀初以來，人數急劇上升。隨著人們對現代化的呼聲越來越高，能源的數量和質量受到越來越多的關注。然而諸如煤、石油和天然氣的現有化石資源變得越來越稀缺，并且難以滿足當前的人類需求。而且傳統的化石資源在開采過程中不可避免地會造成巨大的環(huán)境污染，開采后不易運輸。燃燒后的空氣會產生嚴重的污染，就會造成如煙霧酸雨等威脅環(huán)境，威脅人們的健康的問題。特別是在中國，在最近幾十年的快速經濟增長中，環(huán)境污染問題變得越來越嚴重。大量使用受污染的化石能源導致許多問題，如空氣污染和溫室效應等。正是由于化石能源的諸多不利因素，才催生了太陽能，潮汐能，風能等環(huán)保新能源的應用，并且正逐漸受到人們的關注和發(fā)展。中國國土遼闊，擁有自然資源的優(yōu)勢。在現今新時代出現能源短缺問題之后，使用可再生能源的需求變得更加突出。尤其是風能和光能的發(fā)展?jié)摿ψ畲?，并且由于他們的特性，發(fā)電時段恰好互補，因此風光互補有著顯著優(yōu)勢。同時的用光能和風能發(fā)電，將兩者的優(yōu)勢充分利用，就能實現日日夜夜不間斷的發(fā)電。正常情況下，晚上沒有陽光時，但是風力強勁，這是就主要用風力發(fā)電，然后就可以減少太陽能板的需求，從而降低成本。以前，世界上風能和光能的總發(fā)電量呈指數增長，各國將風能和光能互補技術的發(fā)展列為能源利用的關鍵研究課題。中國的資源和國情恰好適合該領域的應用，風光互補系統將對中國的發(fā)展產生長期影響，樹立了地標性和直觀性的景象。例如，風光互補太陽能路燈與城市發(fā)展相適應，建設了“藍天，碧水，綠色，潔凈”四項環(huán)境保護基礎設施，這也可以降低當地人均GDP。能源消耗，為建立生態(tài)文明和循環(huán)經濟示范城市增添亮點，可以增強綠色環(huán)保新城市建設的形象和品味。風光互補發(fā)電系統具有很多優(yōu)點：相互獨立、可自行控制、模塊相對簡單的，因此降低了發(fā)生大規(guī)模停電事故的幾率。由于以上的這些原因，系統也更加安全，還彌補這些大電網穩(wěn)定性不足的缺點。如果有突發(fā)情況，風光互補發(fā)電系統可以繼續(xù)供電，這就能補充集中供電的不足。并且風光互補系統可以實時監(jiān)控區(qū)域電力，對區(qū)域電力的質量和性能有明顯提升，尤其合適向平常的家居用電的居民供電。輸配電的成本降低了，因為風光互補發(fā)電系統的輸配電損耗幾乎甚至沒有。它的模塊相對簡單，參與運行的系統相對較少，能方便的實現全自動化。綜上的這些優(yōu)點，風光互補供電系統非常適合在私人的家居供電系統中使用。1.2風光互補發(fā)電的發(fā)展現狀國外的現狀最早利用風力發(fā)電的是丹麥，這也使他成為世界風力發(fā)電水平的領頭人。丹麥風能是全世界平均量最多的國家，有20%的國家發(fā)電量就是風能發(fā)電的。根據歐洲風能協會的報告，2010年累計風電裝機容量的16.7%，就是為8400萬kW。其他國家也陸陸續(xù)續(xù)發(fā)展新能源發(fā)電，法國、意大利和英國在2010年就新增了32.23%的風電裝機容量。由于技術的進步，風力發(fā)電的成本正在不斷降低，從1980年以來，全球風力發(fā)電成本已經和之前相比降低了九成。而光伏發(fā)電方便也進步迅速，第一塊光伏電池的出現到整個產業(yè)鏈的產生，全世界的太陽能發(fā)電技術已經跨上了一個新臺階。目前在太陽能研究方面，美國、日本、歐盟處領先地位。日本也憑借其太陽能電池的雄厚底蘊，太陽能電池的產量居世界第一。德國的光伏產業(yè)已經形成并非常活躍，為各國的光伏發(fā)展樹立了很好的榜樣。為達到降低二氧化碳二噸的要求，到2020年，歐盟的光伏企業(yè)協會累計投資兩千億歐元，裝機容量達到三億多千瓦。自1930年代以來，當時已經有一部分學者開始研究風光互補發(fā)電的實際效果。30年后，歐洲、日本和美國的相續(xù)發(fā)生大規(guī)模停電時間。學者們開始真正地研究風光電力系統。1981年，北美也成立了專門的委員會，日本和歐洲部分國家也成立了專門的電力部門。其后的半個世紀，眾多不同國家的研究人員進行了深入的研究和探討。加拿大的RejashKerky團隊分析微型的風光互補發(fā)電系統的成本需求與可靠性的關系；西班牙的RodolfoDufoLopez則用C++設計了一套風光互補的發(fā)電優(yōu)化系統；美國的DBNelson準確校準了風光互補發(fā)電系統發(fā)電裝置單機數量和發(fā)電系統容量之間的關系；印度的ARejandrePresed提出了一種優(yōu)化方案以運用被稱為迭代的技術。等等等等的問題被攻破，設計被優(yōu)化，為日后的風光發(fā)電系統提供了良好的基礎。國內的現狀當今世界能源需求日益增長，但生態(tài)環(huán)境問題卻也日益增多，可再生的新能源發(fā)電就成為人們的新希望。尤其是風和光這兩種太陽能，和其他能源相比具有不可替代的優(yōu)勢，而備受矚目。雖然國內的風光發(fā)電技術起步晚，和世界先進國家比有較大差距，但仍然進步迅速，并逐步超越他們。隨著風光發(fā)電系統日漸從壟斷轉為開放，相信風光互補發(fā)電系統會迅速發(fā)展起來。2004年，中科院就已經在深圳建立了一座一千千瓦的光伏并網電站了。2009年，中國自主研發(fā)的四十千瓦風光互補電站成功建成，并投入運行，這是有國內先進水平的。2013年11月18日國家能源局發(fā)布《分布式發(fā)電項目管理暫行辦法》提及風光互補。接著2014年，中國光伏發(fā)電的裝機容量已經達到26.52GW。目前，我國太陽能產業(yè)規(guī)模是世界上數一數二的了，同時也是光伏電池的主要生產地。風力發(fā)電現在也是中國的強勢領域，規(guī)模已是世界第一。我國風光互補發(fā)電系統的研究主要在華南理工大學，內蒙古大學，中國科學院電氣工程研究所等大學里面進行。他們提出了非常多有實際意義的項目，例如針對結構優(yōu)化了發(fā)電系統的載荷，并提出了一種遺傳算法來確定系統的最優(yōu)控制策略，提出了一種通過合作研究優(yōu)化設計風光互補發(fā)電系統的新方法，提出了一套基于模糊算法的能源管理控制系統等?，F在主要在光資源較為豐富的地區(qū)建設風光互補發(fā)電系統，我國太陽能輻射總量西高東底下，如青藏高原和內蒙古等地區(qū)就是太陽能的高值地區(qū)。這些地區(qū)能充分利用那里的風光資源，搭配少許柴油發(fā)電機作為備用，可以有效解決高原偏遠地區(qū)的供電問題，也能充當新能源發(fā)電的實驗平臺。1.3風光互補發(fā)電存在的問題風能和光伏作為可再生能源具有許多優(yōu)點，但是他們由他們組成的發(fā)電系統的共同問題在于受外界環(huán)境影響較大。雖然將風和光結合起來的風光互補發(fā)電系統在一定程度上提高了整個系統的利用率，但仍然不可避免的受外界環(huán)境影響，使發(fā)電輸出的功率具有間歇性和波動性?；谝陨系脑?，研究人員把儲能設備引入了系統，可以使系統的輸出更加平穩(wěn)，提高了穩(wěn)定性。雖說如此，天氣對發(fā)電的影響也影響著電池，天氣不理想時的電池會長時間電壓不穩(wěn)定，這就極大減低了電池的使用壽命。而且因為引入了新的模塊，使電源的協調控制更加復制。2風光發(fā)電的基本原理2.1光伏發(fā)電的原理光伏發(fā)電的主要原理是利用半導體所具有的光伏效應。當電池表面接受到光照時，能量轉化便開始了。材料內部P-N結中，電子會變得異?；钴S而與原有的空穴對發(fā)生分離。前者漂移到P區(qū)，后者移動到N區(qū)。經過一段時間的累積，電池兩端便會產生電勢差進而產生電流。該電勢差通常稱之為“光生電壓”。利用這一效應，當電池在接受光照后產生電壓，便可以作為電源使用。電池的基本結構如圖2.1。經過一段時間，電池兩邊的電勢差就會產生電流了。利用這個效應，接通pn結兩端的電路，就會形成從P流向N的電流，就可以作為電源使用了。圖2.1光伏電池的原理2.2風力發(fā)電的原理地球表面的空氣受到太陽照射的強度不同，就導致了冷熱不均，形成了空氣流動，也就是風。風力發(fā)電機的久是將風能轉換為機械能的動力機械。大體上說就是通過扇葉的轉動將風能轉換為機械能，再將機械能轉換為電能。在某種意義上說，它是一種利用的太陽熱能，以氣體為傳播途徑的發(fā)動機。圖2.2風力發(fā)電原理風力發(fā)電不需要燃料，所以就沒有空氣污染，因此風力發(fā)電技術正在全世界蓬勃發(fā)展。尤其是在在芬蘭、丹麥，中國西北部地區(qū)正在積極推廣。小型風力發(fā)電系統中機頭，轉環(huán)，尾巴和葉片組成了風力渦輪機。扇葉用于接收風能，并通過轉動轉化為動能，機頭的轉子是永磁體，不斷切斷磁感線就產生電能。風輪機的風量是不穩(wěn)定的，必須對它進行整流，才能給電池充電。然后使用帶有保護電路的逆變器將電池中的化學能轉換為家居用電。3風光互補的家居供電系統設計風光互補發(fā)電系統由光伏發(fā)電模塊、風力發(fā)電模塊和儲能電池模塊等模塊組成。他們通過逆變器輸出交流電壓，再經變壓器轉化為220V供給家用負載。他們在這微電網中各司其職，共同維持系統正常工作。圖3風光互補發(fā)電系統3.1儲能電池模塊3.1.1儲能電池設計一個普通的蓄電池以儲存和放出光伏模塊和風力模塊的電能。蓄電池是一種能通過化學反應來實現能量互換的裝置，一般選用鉛酸蓄電池。當外界環(huán)境中對風力機和光伏電池影響最大的風速和光照強度發(fā)生改變的時候，風力機和光伏電池供電受到影響而不能及時滿足負載需要。這時就顯現出儲能設備的重要性，用儲能單元作為備用電源來平抑電能波動，提高所提供電能的可靠性，使所建立的風光互補系統的運行更加安全可靠。該系統運用鉛酸蓄電池作為儲能單元。通過風力發(fā)電設備、光伏發(fā)電設備與蓄電池之間的相互協調，當風力機和光伏電池所發(fā)電能少于負載需求時，用蓄電池放電來補充負載用電的缺額；當風光互補發(fā)電系統提供的電能高于負載所需電量時，系統會把多余的電能輸送至蓄電池中存儲起來。因為環(huán)境、設備等因素的變化出現供電異常，供電量少或不供電的情況下，蓄電池可以將儲存的電能直接供給負載使用。所以，蓄電池在一定程度上維持系統有效運行的同時使得風光互補系統輸出更加穩(wěn)定的電能。蓄電池在所構建的系統中有著不可或缺的價值。圖3.1.1（a）電池部分1圖3.1.1（b）電池部分23.1.2逆變器蓄電池出來的是直流電，需要經過逆變器轉換為交流電，這里的是三相六橋臂逆變器。它的兩個部分同樣都采用了用得比較多的脈寬調制技術。中心其實都是一個PWM集成控制器，在他的內部設振蕩器、一個誤差放大器、有死區(qū)控制的PWM發(fā)生器、一個調節(jié)器、低壓保護回路等。風光互補發(fā)電系統中極為關鍵的部分就是控制器。負載和電池狀態(tài)不斷變化，而控制器可以根據不同的變化及時調整時間，這樣使整個系統能一次持續(xù)穩(wěn)定的運行。這里的控制器采樣和檢測電池的充電狀態(tài)，檢測電池的是否達到臨界點，根據檢測結果充電。圖3.1.2逆變器控制首先根據有功功率計算出頻率，得到功角；和無功功率，得到電壓幅值再乘功角，也就是公式u(t)=umsin(wt+f)，合成得出電壓。然后經Dq變換，也就是派克變換。dq變換可以分別控制兩個變量，同時消除諧波電壓，由于應用了同步旋轉坐標變換，容易實現基波與諧波的分離。之后可以得到用直流量表示電壓及電流的關系式。圖3.1.3雙閉環(huán)控制得到的數據經電壓外環(huán)電流內環(huán)的雙閉環(huán)控制系統。這種控制方式是經常被用在充電電路上的，這樣的設計控制，就是要實現恒電流充電同時控制電壓。在一開始，輸出電壓低，沒有達到電壓的限值，所以只有電流環(huán)在發(fā)揮作用，控制輸出的電流值。到了末期，輸出電壓達到了控制電壓的限值，這時候電壓環(huán)開始工作，控制輸出電壓，電流環(huán)失去作用。其中電壓外環(huán)用PI調節(jié)器，電流內環(huán)用比例調節(jié)器，加快響應。雙閉環(huán)控制系統一個變量受到比值控制回路的控制，一個變量受到流量控制回路的控制，所以從變量的設定值取決于主變量的測量值。3.2光伏發(fā)電模塊3.2.1最大功率點追蹤因為光伏發(fā)電的不穩(wěn)定性，運用最大功率點追蹤，以提高發(fā)電效率。通過PWM調制技術，調節(jié)PWM脈沖的占空比D，然后調節(jié)DC/DC轉換器的輸入和輸出之間的關系，以實現MPPT控制。傳統的干擾方法具有一定的缺陷，主要是由于無法確定干擾過程的占空比D，并且無法根據系統要求實時調整步長。如果步長太小，則跟蹤到最大功率點的時間會延長，這會影響系統的動態(tài)響應并導致不必要的能量損耗。如果步長太大，盡管跟蹤速度會變快，但跟蹤會達到最大功率附近。此時，距最大功率點的距離將會加寬，從而引起電擊并影響系統穩(wěn)定性。為了克服這個問題，該系統增加了一個調節(jié)器，以優(yōu)化步長的變化，從而使控制系統的干擾步長不再是某個恒定值，而是會隨著距離的增加而增加。最大功率點。距離和距離以及自然環(huán)境會自動更改并自動調整，以便同時滿足系統所需的精度和速度要求。圖3.2.1光伏MPPT自適應變步長擾動觀察法控制思想基本與傳統擾動觀察法一致的，尋找光伏發(fā)電系統的最大功率點，并對系統持續(xù)施加擾動，與擾動觀察法不同的擾動量不再是恒定不變的值，它隨著工作點的改變實時進行調節(jié)來適應系統當前所需，系統的自適應性由此顯示出來，并且當對大功率點發(fā)生大幅度改變時也能迅速作出響應，這使系統無限接近最大功率點工作，就提高了系統的響應速度和系統的穩(wěn)定性，還能更好的適應環(huán)境的變化。3.2.2光伏陣列一塊太陽能電池顯然不夠一般家居供電使用，所以這里使用光伏陣列。光伏陣列其實就是很多的光伏電池連接在一起，組成我們常說的太陽能板。光伏陣列將太陽能轉換為電能，輸出為直流電，所以要匹配逆變器轉化為交流電。圖3.2.2光伏陣列3.2.3逆變器因為光伏發(fā)電的功率點電壓不斷變化，加入Boost升壓電路來拓寬它的工作點的電壓，可以提高發(fā)電量。電池電壓高于另一側所需電壓時，逆變使得最大功率點追蹤的電壓不斷向最大點追蹤。但是達到母線電壓最低要求后，就無法達到最大效率點，最大功率點追蹤范圍就非常低，這就降低了發(fā)電效率，所以就要利用了Boost升壓電路來彌補。光伏陣列輸出的是直流電，需經過逆變器轉為交流電。這里的逆變器是用的是功率外環(huán)電流內環(huán)雙閉環(huán)控制系統。功率外環(huán)只是用來就算電流參考值。通過計算得到功和無功P、Q，再計算得到Id和Iq。最后經過PWM模塊就可以實現控制。圖3.2.3光伏的雙閉環(huán)控制3.3風力發(fā)電模塊3.3.1最大功率點追蹤同樣的原因，風力發(fā)電的不穩(wěn)定性，這里也運用了最大功率點追蹤。風電系統的最大功率跟蹤控制算法采用梯度擾動觀測法。最大功率跟蹤策略的目的是使用大步長自動跟蹤系統，以在高功率點的初始階段實現快速的系統干擾。當達到最大功率點時，它將自動切換到較小的步長干擾，以減少波動，直到達到最大功率點。之后穩(wěn)定運行。從風力發(fā)電機的輸出功率曲線可以看出，以最大功率點為中心，從兩端到中心點的切線斜率的絕對值逐漸減小。該特性與干擾過程中預期的步長一致。在干擾的初始階段，工作點位于輸出功率曲線的左端。此時，切線斜率很大，系統跟蹤最大功率點是用較大的步長。隨著干擾的進行，切線斜率逐漸減小，并且系統步長會自動跟隨變小。通過使用這種策略的控制，可以使達到最大功率點需要的時間提前，并達到最大功率點。利用傳統的擾動觀察法到達在最大功率點附近發(fā)生較大的振蕩，改進的算法跟蹤到最大功率點處功率的波動相對較小，且跟蹤時間相對較短，風速發(fā)生變化時也迅速平穩(wěn)的跟蹤到最大功率點。梯度式算法不但能較快的追蹤到最大功率運行點，達到之后還能保持穩(wěn)定運行，說明加梯度式算法改進后的控制策略與傳統的方法相比更切實有效，具有優(yōu)越性。圖3.3.1風力MPPT3.3.2渦輪發(fā)電機風力的發(fā)電需要通過渦輪發(fā)電機完成。發(fā)電機轉子通如直流電，產生了磁場，定子轉動，磁力線切割定子中的線圈，就產生電位差了，很多線圈的電勢疊加后在發(fā)電機端子處形成電壓，就能夠向負荷供電了。當風力機轉速一定時，隨著風速的增加，輸出的機械功率變大；當風速恒定為某一值時，總存在一個最佳轉速使得風力機輸出功率最大值。圖3.3.2渦輪發(fā)電機3.3.3逆變器風力發(fā)電的逆變器控制器選擇是直流電壓外環(huán)電流內環(huán)的。直流電壓外環(huán)使用PI控制產生電流內環(huán)的指令值。電壓環(huán)是保證輸出電壓，也就是后級的電壓。電流環(huán)是保證輸入電流波形和輸入電壓波形一致。最后也是經PWM模塊實現控制。圖3.3.3風力的雙閉環(huán)最后經過lc濾波器濾除諧波。最簡單容易采用的無源濾波器，就是串聯的電感與電容，就可以起作用，對主要次諧波構成低阻抗旁路。用電容、電阻和電感的組合構成的濾波電路，可以濾除諧波。3.4變壓器最后三個模塊的電流通過60/380V的雙繞組三相變壓器，轉化為家用常用電壓，以供家居供電需要。兩個繞組以電感形式組合，當交流電流流入中間的一個時，另一個會感應出相同頻率的交流電壓。4結論隨著世界經濟全球化的迅速發(fā)展，各國對能源的需求也在不斷擴大，但是現有化石能源的生產受到限制，不可能進行無休止的開采。另外，大量使用化石能源嚴重影響了環(huán)境?，F在，我們面臨兩個主要問題：能源危機和環(huán)境污染。所以利用再生能源清潔發(fā)電，達到無污染和清潔是世界各國的首要任務。風能和太陽能由于其獨特的優(yōu)勢而受到各國的高度重視。不能解決日益嚴重的能源問題，將影響人們的日常生活，妨礙社會的穩(wěn)定發(fā)展。我國有如此豐富的風能、光能資源，理應好好利用，大力發(fā)展可再生能源。是以，這里簡單設計了一個風光互補的家居發(fā)電系統。本文對風光互補發(fā)電系統的發(fā)展背景、目的和意義進行簡單的闡述，并分析風光互補發(fā)電系統的發(fā)展現狀和存在的問題。也論述了風光互補發(fā)電系統中的光伏發(fā)電和風力發(fā)電的基本原理。然后展開研究系統的各模塊的設計，分別有儲能電池模塊、光伏發(fā)電模塊和風力發(fā)電模塊，并設計他們各自的逆變器與其控制邏輯。而且構建并運用了最大功率點追蹤技術：分別對比風力發(fā)電