基于風(fēng)光互補(bǔ)的新能源家居供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

北京理工大學(xué)珠海學(xué)院2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)基于風(fēng)光互補(bǔ)的新能源家居供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要根據(jù)相關(guān)資料顯示，全球石油儲(chǔ)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(shí)，化石能源枯竭，可再生能源就會(huì)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(fēng)能與光能在這樣的背景下自然受到了很多人的關(guān)注。風(fēng)能，是一種由于空氣流動(dòng)產(chǎn)生的能源，其儲(chǔ)藏量大、分布廣，而且無(wú)污染、可再生。相似的光能，同樣源于太陽(yáng)，是太陽(yáng)能的另一種形式，同樣的儲(chǔ)量幾乎無(wú)限，開發(fā)利用清潔，都是理想的替代能源。尤其在我國(guó)，太陽(yáng)能和風(fēng)能資源豐富，而同時(shí)利用他們的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電，在穩(wěn)定性方面比他們單一利用更加具有優(yōu)勢(shì)。本文以風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電的新能源家居供電系統(tǒng)為研究對(duì)象。首先分別設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)模塊，以及一系列輔助模塊，如逆變模塊、升壓模塊、測(cè)量模塊等。而在光伏發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中還配置最大功率點(diǎn)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(fēng)力和儲(chǔ)能模塊共同發(fā)電維持對(duì)負(fù)載輸出功率穩(wěn)定，多余的則給儲(chǔ)能充電。最后利用Matlab的Simulink模塊進(jìn)行仿真，驗(yàn)證此設(shè)計(jì)是有效可行的。關(guān)鍵詞：新能源；風(fēng)光互補(bǔ)；家居供電系統(tǒng)；最大功率點(diǎn)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(fēng)能與太陽(yáng)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(jìn)步的最基本動(dòng)力。從某種意義上說(shuō)，高質(zhì)量的能源是人類文明不斷進(jìn)步的保證。自21世紀(jì)初以來(lái)，人數(shù)急劇上升。隨著人們對(duì)現(xiàn)代化的呼聲越來(lái)越高，能源的數(shù)量和質(zhì)量受到越來(lái)越多的關(guān)注。然而諸如煤、石油和天然氣的現(xiàn)有化石資源變得越來(lái)越稀缺，并且難以滿足當(dāng)前的人類需求。而且傳統(tǒng)的化石資源在開采過(guò)程中不可避免地會(huì)造成巨大的環(huán)境污染，開采后不易運(yùn)輸。燃燒后的空氣會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的污染，就會(huì)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(guó)，在最近幾十年的快速經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)中，環(huán)境污染問題變得越來(lái)越嚴(yán)重。大量使用受污染的化石能源導(dǎo)致許多問題，如空氣污染和溫室效應(yīng)等。正是由于化石能源的諸多不利因素，才催生了太陽(yáng)能，潮汐能，風(fēng)能等環(huán)保新能源的應(yīng)用，并且正逐漸受到人們的關(guān)注和發(fā)展。中國(guó)國(guó)土遼闊，擁有自然資源的優(yōu)勢(shì)。在現(xiàn)今新時(shí)代出現(xiàn)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(fēng)能和光能的發(fā)展?jié)摿ψ畲螅⑶矣捎谒麄兊奶匦?，發(fā)電時(shí)段恰好互補(bǔ)，因此風(fēng)光互補(bǔ)有著顯著優(yōu)勢(shì)。同時(shí)的用光能和風(fēng)能發(fā)電，將兩者的優(yōu)勢(shì)充分利用，就能實(shí)現(xiàn)日日夜夜不間斷的發(fā)電。正常情況下，晚上沒有陽(yáng)光時(shí)，但是風(fēng)力強(qiáng)勁，這是就主要用風(fēng)力發(fā)電，然后就可以減少太陽(yáng)能板的需求，從而降低成本。以前，世界上風(fēng)能和光能的總發(fā)電量呈指數(shù)增長(zhǎng)，各國(guó)將風(fēng)能和光能互補(bǔ)技術(shù)的發(fā)展列為能源利用的關(guān)鍵研究課題。中國(guó)的資源和國(guó)情恰好適合該領(lǐng)域的應(yīng)用，風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)將對(duì)中國(guó)的發(fā)展產(chǎn)生長(zhǎng)期影響，樹立了地標(biāo)性和直觀性的景象。例如，風(fēng)光互補(bǔ)太陽(yáng)能路燈與城市發(fā)展相適應(yīng)，建設(shè)了“藍(lán)天，碧水，綠色，潔凈”四項(xiàng)環(huán)境保護(hù)基礎(chǔ)設(shè)施，這也可以降低當(dāng)?shù)厝司鵊DP。能源消耗，為建立生態(tài)文明和循環(huán)經(jīng)濟(jì)示范城市增添亮點(diǎn)，可以增強(qiáng)綠色環(huán)保新城市建設(shè)的形象和品味。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)具有很多優(yōu)點(diǎn)：相互獨(dú)立、可自行控制、模塊相對(duì)簡(jiǎn)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(tǒng)也更加安全，還彌補(bǔ)這些大電網(wǎng)穩(wěn)定性不足的缺點(diǎn)。如果有突發(fā)情況，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)可以繼續(xù)供電，這就能補(bǔ)充集中供電的不足。并且風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控區(qū)域電力，對(duì)區(qū)域電力的質(zhì)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?yàn)轱L(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的輸配電損耗幾乎甚至沒有。它的模塊相對(duì)簡(jiǎn)單，參與運(yùn)行的系統(tǒng)相對(duì)較少，能方便的實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化。綜上的這些優(yōu)點(diǎn)，風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)非常適合在私人的家居供電系統(tǒng)中使用。1.2風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)外的現(xiàn)狀最早利用風(fēng)力發(fā)電的是丹麥，這也使他成為世界風(fēng)力發(fā)電水平的領(lǐng)頭人。丹麥風(fēng)能是全世界平均量最多的國(guó)家，有20%的國(guó)家發(fā)電量就是風(fēng)能發(fā)電的。根據(jù)歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)的報(bào)告，2010年累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量的16.7%，就是為8400萬(wàn)kW。其他國(guó)家也陸陸續(xù)續(xù)發(fā)展新能源發(fā)電，法國(guó)、意大利和英國(guó)在2010年就新增了32.23%的風(fēng)電裝機(jī)容量。由于技術(shù)的進(jìn)步，風(fēng)力發(fā)電的成本正在不斷降低，從1980年以來(lái)，全球風(fēng)力發(fā)電成本已經(jīng)和之前相比降低了九成。而光伏發(fā)電方便也進(jìn)步迅速，第一塊光伏電池的出現(xiàn)到整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的產(chǎn)生，全世界的太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)已經(jīng)跨上了一個(gè)新臺(tái)階。目前在太陽(yáng)能研究方面，美國(guó)、日本、歐盟處領(lǐng)先地位。日本也憑借其太陽(yáng)能電池的雄厚底蘊(yùn)，太陽(yáng)能電池的產(chǎn)量居世界第一。德國(guó)的光伏產(chǎn)業(yè)已經(jīng)形成并非?；钴S，為各國(guó)的光伏發(fā)展樹立了很好的榜樣。為達(dá)到降低二氧化碳二噸的要求，到2020年，歐盟的光伏企業(yè)協(xié)會(huì)累計(jì)投資兩千億歐元，裝機(jī)容量達(dá)到三億多千瓦。自1930年代以來(lái)，當(dāng)時(shí)已經(jīng)有一部分學(xué)者開始研究風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電的實(shí)際效果。30年后，歐洲、日本和美國(guó)的相續(xù)發(fā)生大規(guī)模停電時(shí)間。學(xué)者們開始真正地研究風(fēng)光電力系統(tǒng)。1981年，北美也成立了專門的委員會(huì)，日本和歐洲部分國(guó)家也成立了專門的電力部門。其后的半個(gè)世紀(jì)，眾多不同國(guó)家的研究人員進(jìn)行了深入的研究和探討。加拿大的RejashKerky團(tuán)隊(duì)分析微型的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的成本需求與可靠性的關(guān)系；西班牙的RodolfoDufoLopez則用C++設(shè)計(jì)了一套風(fēng)光互補(bǔ)的發(fā)電優(yōu)化系統(tǒng)；美國(guó)的DBNelson準(zhǔn)確校準(zhǔn)了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電裝置單機(jī)數(shù)量和發(fā)電系統(tǒng)容量之間的關(guān)系；印度的ARejandrePresed提出了一種優(yōu)化方案以運(yùn)用被稱為迭代的技術(shù)。等等等等的問題被攻破，設(shè)計(jì)被優(yōu)化，為日后的風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)提供了良好的基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)的現(xiàn)狀當(dāng)今世界能源需求日益增長(zhǎng)，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(fēng)和光這兩種太陽(yáng)能，和其他能源相比具有不可替代的優(yōu)勢(shì)，而備受矚目。雖然國(guó)內(nèi)的風(fēng)光發(fā)電技術(shù)起步晚，和世界先進(jìn)國(guó)家比有較大差距，但仍然進(jìn)步迅速，并逐步超越他們。隨著風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)日漸從壟斷轉(zhuǎn)為開放，相信風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)會(huì)迅速發(fā)展起來(lái)。2004年，中科院就已經(jīng)在深圳建立了一座一千千瓦的光伏并網(wǎng)電站了。2009年，中國(guó)自主研發(fā)的四十千瓦風(fēng)光互補(bǔ)電站成功建成，并投入運(yùn)行，這是有國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平的。2013年11月18日國(guó)家能源局發(fā)布《分布式發(fā)電項(xiàng)目管理暫行辦法》提及風(fēng)光互補(bǔ)。接著2014年，中國(guó)光伏發(fā)電的裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到26.52GW。目前，我國(guó)太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)規(guī)模是世界上數(shù)一數(shù)二的了，同時(shí)也是光伏電池的主要生產(chǎn)地。風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)在也是中國(guó)的強(qiáng)勢(shì)領(lǐng)域，規(guī)模已是世界第一。我國(guó)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的研究主要在華南理工大學(xué)，內(nèi)蒙古大學(xué)，中國(guó)科學(xué)院電氣工程研究所等大學(xué)里面進(jìn)行。他們提出了非常多有實(shí)際意義的項(xiàng)目，例如針對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化了發(fā)電系統(tǒng)的載荷，并提出了一種遺傳算法來(lái)確定系統(tǒng)的最優(yōu)控制策略，提出了一種通過(guò)合作研究?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的新方法，提出了一套基于模糊算法的能源管理控制系統(tǒng)等。現(xiàn)在主要在光資源較為豐富的地區(qū)建設(shè)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，我國(guó)太陽(yáng)能輻射總量西高東底下，如青藏高原和內(nèi)蒙古等地區(qū)就是太陽(yáng)能的高值地區(qū)。這些地區(qū)能充分利用那里的風(fēng)光資源，搭配少許柴油發(fā)電機(jī)作為備用，可以有效解決高原偏遠(yuǎn)地區(qū)的供電問題，也能充當(dāng)新能源發(fā)電的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。1.3風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電存在的問題風(fēng)能和光伏作為可再生能源具有許多優(yōu)點(diǎn)，但是他們由他們組成的發(fā)電系統(tǒng)的共同問題在于受外界環(huán)境影響較大。雖然將風(fēng)和光結(jié)合起來(lái)的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在一定程度上提高了整個(gè)系統(tǒng)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(dòng)性?；谝陨系脑?，研究人員把儲(chǔ)能設(shè)備引入了系統(tǒng)，可以使系統(tǒng)的輸出更加平穩(wěn)，提高了穩(wěn)定性。雖說(shuō)如此，天氣對(duì)發(fā)電的影響也影響著電池，天氣不理想時(shí)的電池會(huì)長(zhǎng)時(shí)間電壓不穩(wěn)定，這就極大減低了電池的使用壽命。而且因?yàn)橐肓诵碌哪K，使電源的協(xié)調(diào)控制更加復(fù)制。2風(fēng)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(dǎo)體所具有的光伏效應(yīng)。當(dāng)電池表面接受到光照時(shí)，能量轉(zhuǎn)化便開始了。材料內(nèi)部P-N結(jié)中，電子會(huì)變得異?；钴S而與原有的空穴對(duì)發(fā)生分離。前者漂移到P區(qū)，后者移動(dòng)到N區(qū)。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的累積，電池兩端便會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差進(jìn)而產(chǎn)生電流。該電勢(shì)差通常稱之為“光生電壓”。利用這一效應(yīng)，當(dāng)電池在接受光照后產(chǎn)生電壓，便可以作為電源使用。電池的基本結(jié)構(gòu)如圖2.1。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，電池兩邊的電勢(shì)差就會(huì)產(chǎn)生電流了。利用這個(gè)效應(yīng)，接通pn結(jié)兩端的電路，就會(huì)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(fēng)力發(fā)電的原理地球表面的空氣受到太陽(yáng)照射的強(qiáng)度不同，就導(dǎo)致了冷熱不均，形成了空氣流動(dòng)，也就是風(fēng)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的久是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的動(dòng)力機(jī)械。大體上說(shuō)就是通過(guò)扇葉的轉(zhuǎn)動(dòng)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。在某種意義上說(shuō)，它是一種利用的太陽(yáng)熱能，以氣體為傳播途徑的發(fā)動(dòng)機(jī)。圖2.2風(fēng)力發(fā)電原理風(fēng)力發(fā)電不需要燃料，所以就沒有空氣污染，因此風(fēng)力發(fā)電技術(shù)正在全世界蓬勃發(fā)展。尤其是在在芬蘭、丹麥，中國(guó)西北部地區(qū)正在積極推廣。小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中機(jī)頭，轉(zhuǎn)環(huán)，尾巴和葉片組成了風(fēng)力渦輪機(jī)。扇葉用于接收風(fēng)能，并通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，機(jī)頭的轉(zhuǎn)子是永磁體，不斷切斷磁感線就產(chǎn)生電能。風(fēng)輪機(jī)的風(fēng)量是不穩(wěn)定的，必須對(duì)它進(jìn)行整流，才能給電池充電。然后使用帶有保護(hù)電路的逆變器將電池中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為家居用電。3風(fēng)光互補(bǔ)的家居供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)由光伏發(fā)電模塊、風(fēng)力發(fā)電模塊和儲(chǔ)能電池模塊等模塊組成。他們通過(guò)逆變器輸出交流電壓，再經(jīng)變壓器轉(zhuǎn)化為220V供給家用負(fù)載。他們?cè)谶@微電網(wǎng)中各司其職，共同維持系統(tǒng)正常工作。圖3風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)3.1儲(chǔ)能電池模塊3.1.1儲(chǔ)能電池設(shè)計(jì)一個(gè)普通的蓄電池以儲(chǔ)存和放出光伏模塊和風(fēng)力模塊的電能。蓄電池是一種能通過(guò)化學(xué)反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)能量互換的裝置，一般選用鉛酸蓄電池。當(dāng)外界環(huán)境中對(duì)風(fēng)力機(jī)和光伏電池影響最大的風(fēng)速和光照強(qiáng)度發(fā)生改變的時(shí)候，風(fēng)力機(jī)和光伏電池供電受到影響而不能及時(shí)滿足負(fù)載需要。這時(shí)就顯現(xiàn)出儲(chǔ)能設(shè)備的重要性，用儲(chǔ)能單元作為備用電源來(lái)平抑電能波動(dòng)，提高所提供電能的可靠性，使所建立的風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的運(yùn)行更加安全可靠。該系統(tǒng)運(yùn)用鉛酸蓄電池作為儲(chǔ)能單元。通過(guò)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備、光伏發(fā)電設(shè)備與蓄電池之間的相互協(xié)調(diào)，當(dāng)風(fēng)力機(jī)和光伏電池所發(fā)電能少于負(fù)載需求時(shí)，用蓄電池放電來(lái)補(bǔ)充負(fù)載用電的缺額；當(dāng)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)提供的電能高于負(fù)載所需電量時(shí)，系統(tǒng)會(huì)把多余的電能輸送至蓄電池中存儲(chǔ)起來(lái)。因?yàn)榄h(huán)境、設(shè)備等因素的變化出現(xiàn)供電異常，供電量少或不供電的情況下，蓄電池可以將儲(chǔ)存的電能直接供給負(fù)載使用。所以，蓄電池在一定程度上維持系統(tǒng)有效運(yùn)行的同時(shí)使得風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)輸出更加穩(wěn)定的電能。蓄電池在所構(gòu)建的系統(tǒng)中有著不可或缺的價(jià)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(lái)的是直流電，需要經(jīng)過(guò)逆變器轉(zhuǎn)換為交流電，這里的是三相六橋臂逆變器。它的兩個(gè)部分同樣都采用了用得比較多的脈寬調(diào)制技術(shù)。中心其實(shí)都是一個(gè)PWM集成控制器，在他的內(nèi)部設(shè)振蕩器、一個(gè)誤差放大器、有死區(qū)控制的PWM發(fā)生器、一個(gè)調(diào)節(jié)器、低壓保護(hù)回路等。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中極為關(guān)鍵的部分就是控制器。負(fù)載和電池狀態(tài)不斷變化，而控制器可以根據(jù)不同的變化及時(shí)調(diào)整時(shí)間，這樣使整個(gè)系統(tǒng)能一次持續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)行。這里的控制器采樣和檢測(cè)電池的充電狀態(tài)，檢測(cè)電池的是否達(dá)到臨界點(diǎn)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果充電。圖3.1.2逆變器控制首先根據(jù)有功功率計(jì)算出頻率，得到功角；和無(wú)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(jīng)Dq變換，也就是派克變換。dq變換可以分別控制兩個(gè)變量，同時(shí)消除諧波電壓，由于應(yīng)用了同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，容易實(shí)現(xiàn)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(guān)系式。圖3.1.3雙閉環(huán)控制得到的數(shù)據(jù)經(jīng)電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。這種控制方式是經(jīng)常被用在充電電路上的，這樣的設(shè)計(jì)控制，就是要實(shí)現(xiàn)恒電流充電同時(shí)控制電壓。在一開始，輸出電壓低，沒有達(dá)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(dá)到了控制電壓的限值，這時(shí)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(diào)節(jié)器，電流內(nèi)環(huán)用比例調(diào)節(jié)器，加快響應(yīng)。雙閉環(huán)控制系統(tǒng)一個(gè)變量受到比值控制回路的控制，一個(gè)變量受到流量控制回路的控制，所以從變量的設(shè)定值取決于主變量的測(cè)量值。3.2光伏發(fā)電模塊3.2.1最大功率點(diǎn)追蹤因?yàn)楣夥l(fā)電的不穩(wěn)定性，運(yùn)用最大功率點(diǎn)追蹤，以提高發(fā)電效率。通過(guò)PWM調(diào)制技術(shù)，調(diào)節(jié)PWM脈沖的占空比D，然后調(diào)節(jié)DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入和輸出之間的關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)MPPT控制。傳統(tǒng)的干擾方法具有一定的缺陷，主要是由于無(wú)法確定干擾過(guò)程的占空比D，并且無(wú)法根據(jù)系統(tǒng)要求實(shí)時(shí)調(diào)整步長(zhǎng)。如果步長(zhǎng)太小，則跟蹤到最大功率點(diǎn)的時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)，這會(huì)影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)并導(dǎo)致不必要的能量損耗。如果步長(zhǎng)太大，盡管跟蹤速度會(huì)變快，但跟蹤會(huì)達(dá)到最大功率附近。此時(shí)，距最大功率點(diǎn)的距離將會(huì)加寬，從而引起電擊并影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。為了克服這個(gè)問題，該系統(tǒng)增加了一個(gè)調(diào)節(jié)器，以優(yōu)化步長(zhǎng)的變化，從而使控制系統(tǒng)的干擾步長(zhǎng)不再是某個(gè)恒定值，而是會(huì)隨著距離的增加而增加。最大功率點(diǎn)。距離和距離以及自然環(huán)境會(huì)自動(dòng)更改并自動(dòng)調(diào)整，以便同時(shí)滿足系統(tǒng)所需的精度和速度要求。圖3.2.1光伏MPPT自適應(yīng)變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法控制思想基本與傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法一致的，尋找光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)，并對(duì)系統(tǒng)持續(xù)施加擾動(dòng)，與擾動(dòng)觀察法不同的擾動(dòng)量不再是恒定不變的值，它隨著工作點(diǎn)的改變實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)來(lái)適應(yīng)系統(tǒng)當(dāng)前所需，系統(tǒng)的自適應(yīng)性由此顯示出來(lái)，并且當(dāng)對(duì)大功率點(diǎn)發(fā)生大幅度改變時(shí)也能迅速作出響應(yīng)，這使系統(tǒng)無(wú)限接近最大功率點(diǎn)工作，就提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，還能更好的適應(yīng)環(huán)境的變化。3.2.2光伏陣列一塊太陽(yáng)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(shí)就是很多的光伏電池連接在一起，組成我們常說(shuō)的太陽(yáng)能板。光伏陣列將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，輸出為直流電，所以要匹配逆變器轉(zhuǎn)化為交流電。圖3.2.2光伏陣列3.2.3逆變器因?yàn)楣夥l(fā)電的功率點(diǎn)電壓不斷變化，加入Boost升壓電路來(lái)拓寬它的工作點(diǎn)的電壓，可以提高發(fā)電量。電池電壓高于另一側(cè)所需電壓時(shí)，逆變使得最大功率點(diǎn)追蹤的電壓不斷向最大點(diǎn)追蹤。但是達(dá)到母線電壓最低要求后，就無(wú)法達(dá)到最大效率點(diǎn)，最大功率點(diǎn)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(lái)彌補(bǔ)。光伏陣列輸出的是直流電，需經(jīng)過(guò)逆變器轉(zhuǎn)為交流電。這里的逆變器是用的是功率外環(huán)電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。功率外環(huán)只是用來(lái)就算電流參考值。通過(guò)計(jì)算得到功和無(wú)功P、Q，再計(jì)算得到Id和Iq。最后經(jīng)過(guò)PWM模塊就可以實(shí)現(xiàn)控制。圖3.2.3光伏的雙閉環(huán)控制3.3風(fēng)力發(fā)電模塊3.3.1最大功率點(diǎn)追蹤同樣的原因，風(fēng)力發(fā)電的不穩(wěn)定性，這里也運(yùn)用了最大功率點(diǎn)追蹤。風(fēng)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤控制算法采用梯度擾動(dòng)觀測(cè)法。最大功率跟蹤策略的目的是使用大步長(zhǎng)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，以在高功率點(diǎn)的初始階段實(shí)現(xiàn)快速的系統(tǒng)干擾。當(dāng)達(dá)到最大功率點(diǎn)時(shí)，它將自動(dòng)切換到較小的步長(zhǎng)干擾，以減少波動(dòng)，直到達(dá)到最大功率點(diǎn)。之后穩(wěn)定運(yùn)行。從風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率曲線可以看出，以最大功率點(diǎn)為中心，從兩端到中心點(diǎn)的切線斜率的絕對(duì)值逐漸減小。該特性與干擾過(guò)程中預(yù)期的步長(zhǎng)一致。在干擾的初始階段，工作點(diǎn)位于輸出功率曲線的左端。此時(shí)，切線斜率很大，系統(tǒng)跟蹤最大功率點(diǎn)是用較大的步長(zhǎng)。隨著干擾的進(jìn)行，切線斜率逐漸減小，并且系統(tǒng)步長(zhǎng)會(huì)自動(dòng)跟隨變小。通過(guò)使用這種策略的控制，可以使達(dá)到最大功率點(diǎn)需要的時(shí)間提前，并達(dá)到最大功率點(diǎn)。利用傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀察法到達(dá)在最大功率點(diǎn)附近發(fā)生較大的振蕩，改進(jìn)的算法跟蹤到最大功率點(diǎn)處功率的波動(dòng)相對(duì)較小，且跟蹤時(shí)間相對(duì)較短，風(fēng)速發(fā)生變化時(shí)也迅速平穩(wěn)的跟蹤到最大功率點(diǎn)。梯度式算法不但能較快的追蹤到最大功率運(yùn)行點(diǎn)，達(dá)到之后還能保持穩(wěn)定運(yùn)行，說(shuō)明加梯度式算法改進(jìn)后的控制策略與傳統(tǒng)的方法相比更切實(shí)有效，具有優(yōu)越性。圖3.3.1風(fēng)力MPPT3.3.2渦輪發(fā)電機(jī)風(fēng)力的發(fā)電需要通過(guò)渦輪發(fā)電機(jī)完成。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通如直流電，產(chǎn)生了磁場(chǎng)，定子轉(zhuǎn)動(dòng)，磁力線切割定子中的線圈，就產(chǎn)生電位差了，很多線圈的電勢(shì)疊加后在發(fā)電機(jī)端子處形成電壓，就能夠向負(fù)荷供電了。當(dāng)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，隨著風(fēng)速的增加，輸出的機(jī)械功率變大；當(dāng)風(fēng)速恒定為某一值時(shí)，總存在一個(gè)最佳轉(zhuǎn)速使得風(fēng)力機(jī)輸出功率最大值。圖3.3.2渦輪發(fā)電機(jī)3.3.3逆變器風(fēng)力發(fā)電的逆變器控制器選擇是直流電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的。直流電壓外環(huán)使用PI控制產(chǎn)生電流內(nèi)環(huán)的指令值。電壓環(huán)是保證輸出電壓，也就是后級(jí)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(jīng)PWM模塊實(shí)現(xiàn)控制。圖3.3.3風(fēng)力的雙閉環(huán)最后經(jīng)過(guò)lc濾波器濾除諧波。最簡(jiǎn)單容易采用的無(wú)源濾波器，就是串聯(lián)的電感與電容，就可以起作用，對(duì)主要次諧波構(gòu)成低阻抗旁路。用電容、電阻和電感的組合構(gòu)成的濾波電路，可以濾除諧波。3.4變壓器最后三個(gè)模塊的電流通過(guò)60/380V的雙繞組三相變壓器，轉(zhuǎn)化為家用常用電壓，以供家居供電需要。兩個(gè)繞組以電感形式組合，當(dāng)交流電流流入中間的一個(gè)時(shí)，另一個(gè)會(huì)感應(yīng)出相同頻率的交流電壓。4結(jié)論隨著世界經(jīng)濟(jì)全球化的迅速發(fā)展，各國(guó)對(duì)能源的需求也在不斷擴(kuò)大，但是現(xiàn)有化石能源的生產(chǎn)受到限制，不可能進(jìn)行無(wú)休止的開采。另外，大量使用化石能源嚴(yán)重影響了環(huán)境?，F(xiàn)在，我們面臨兩個(gè)主要問題：能源危機(jī)和環(huán)境污染。所以利用再生能源清潔發(fā)電，達(dá)到無(wú)污染和清潔是世界各國(guó)的首要任務(wù)。風(fēng)能和太陽(yáng)能由于其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)而受到各國(guó)的高度重視。不能解決日益嚴(yán)重的能源問題，將影響人們的日常生活，妨礙社會(huì)的穩(wěn)定發(fā)展。我國(guó)有如此豐富的風(fēng)能、光能資源，理應(yīng)好好利用，大力發(fā)展可再生能源。是以，這里簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)了一個(gè)風(fēng)光互補(bǔ)的家居發(fā)電系統(tǒng)。本文對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展背景、目的和意義進(jìn)行簡(jiǎn)單的闡述，并分析風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和存在的問題。也論述了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中的光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的基本原理。然后展開研究系統(tǒng)的各模塊的設(shè)計(jì)，分別有儲(chǔ)能電池模塊、光伏發(fā)電模塊和風(fēng)力發(fā)電模塊，并設(shè)計(jì)他們各自的逆變器與其控制邏輯。而且構(gòu)建并運(yùn)用了最大功率點(diǎn)追蹤技術(shù)：分別對(duì)比風(fēng)力發(fā)電