混合风力太阳能系统:新转换器的设计

SARAVANA
Bharath大学助理教授、高频钦奈

文摘

这个项目的目标是设计和模拟混合风能太阳能能源系统:一个新的整流阶段拓扑。可再生能源正变得比以往更加重要的问题。这个项目提出了一种新的系统配置的前端整流器为混合风力/光伏能源系统奠定了基础。这种配置允许两个来源供应负载分别或同时根据风能和太阳能资源的可用性。这CUK-SEPIC融合转换器的固有性质,不需要额外的输入过滤器滤除高频谐波。CUK和SEPIC整流器的融合设计阶段还允许最大功率点跟踪翻译(MPPT)用于最大限度地获取风能和太阳时是可用的。获得的直流电压源取决于可用性是提高了获得最大电压和反向三相逆变器提供一个三相负载。以防多余获得的电压可以存储使用静电电容器和可能也给电网。仿真结果表明CUK和SEPIC集成的效率比其他直流助推器。

介绍

与越来越多的担忧,全球变暖的化石燃料储备的枯竭,很多人都在找可持续能源解决方案为子孙后代保护地球。除了水力发电,风力和光伏能源持有最可能满足我们的能源需求。孤独,风能能够提供大量的权力,但它的存在是高度不可预测的,因为它可以在一个时刻,在另一个。同样,太阳能存在一整天但太阳辐射水平变化由于太阳强度和不可预知的阴影,云,鸟,树木等。常见的风力和光伏系统的固有缺点是间歇性的性质,使他们不可靠。然而,通过结合这两种间歇来源和通过合并最大功率点跟踪翻译(MPPT)算法,系统的能量传输效率和可靠性可以明显改善。当源代码不可用或在满足负载需求不足,其他能源可以弥补的区别。翻译几个混合风力/光伏发电系统与MPPT控制提出了。大多数文献的系统使用一个单独的DC / DC刺激转换器并联连接在整流阶段的翻译,如图1所示执行MPPT控制的可再生能源电源。更简单的多输入结构已经表明,结合翻译DC-end同时实现MPPT的来源为每个可再生来源。提出的结构是一个融合的巴克和buck-boost转换器。 The systems in literature require passive input filters to remove the high frequency current harmonics injected into wind turbine generators . The harmonic content in the generator current decreases its lifespan and increases the power loss due to heating . In this paper, an alternative multi-input rectifier structure is proposed for hybrid wind/solar energy systems. The proposed design is a fusion of the Cuk and SEPIC converters. The features of the proposed topology are: 1) the inherent nature of these two converters eliminates the need for separate input filters for PFC [7]-[8]; 2) it can support step up/down operations for each renewable source (can support wide ranges of PV and wind input); 3) MPPT can be realized for each source; 4) individual and simultaneous operation is supported. The circuit operating principles will be discussed in this paper. Simulation results are provided to verify with the feasibility of the proposed system.

提出了多输入整流阶段

提出的系统图的整流阶段混合能源系统如图2所示,其中一个输入连接到输出的光伏阵列和其他输入连接到发电机的输出。两个转换器的融合是通过重新配置现有的两个二极管从每个转换器和共享利用Cuk SEPIC变换器输出电感器。这种配置允许每个转换器正常运行单独的事件,一个源不可用。图3说明了情况,只有风是可用的来源。在这种情况下,D1和D2打开;提出的电路变成了SEPIC变换器的输入输出电压关系是由(1)。另一方面,如果PV源代码可用,然后D2关闭D1总是会成为Cuk变换器和电路如图4所示。

在这两种情况下,两个转换器升压/能力,提供更多的设计灵活性的系统翻译如果占空比控制是用来执行MPPT控制。图5演示了该变换器的各种开关状态。如果M1的打开时间长于平方米,然后切换状态将状态我,二世,IV。同样,开关状态将状态,III, IV如果开关导通时间亦然。提供一个更好的解释,每个开关状态的电感电流波形给出如下假设d2 > d1;因此只有我,III, IV讨论了这个例子。在以下,二世,PV PV的平均输入电流源;二世,W是RMS整流器输入电流后(风);和Idc系统平均输出电流。开关状态的关键波形,说明这个例子如图6所示。

图4说明了情况,只有风是可用的来源。在这种情况下,D1和D2打开;该电路变得SEPIC变换器的输入输出电压关系是由

另一方面,如果只有光伏来源可用,然后D2关闭D1总是会成为Cuk变换器和电路如图5所示。

的输入输出电压关系给出的

的操作模式

两个转换器升压/能力,提供更多的设计灵活性的系统如果责任比例控制是利用翻译来执行MPPT控制。图5演示了该变换器的各种开关状态。如果M1的打开时间长于平方米,然后切换状态将状态我,二世,IV。同样,开关状态将状态,III, IV如果开关导通时间亦然。提供一个更好的解释,每个开关状态的电感电流波形给出如下假设d2 > d1;因此只有我,III, IV讨论了这个例子。在以下,二世,PV PV的平均输入电流源;二世,W是RMS整流器输入电流后(风);和Idc系统平均输出电流。关键波形,说明了开关状态在这个例子是图6所示。

提出了电路分析

找到一个表达式为输出直流母线电压,直流,输出电感的volt-balance, L2,检查根据图6与d2 > d1。自净改变thevoltage L2是零,应用volt-balance L2 (3)。

的表达式与平均输出直流电压(直流)电容器电压(vc1和趋势)然后获得如(4)所示,vc1和趋势可以通过应用volt-balance L1和L3 [9]。最终的表达式,与平均输出电压和两个输入源(大众和VPV)是由(5)。观察到Vdc只是两个输出电压之和Cuk和SEPIC转换器。这进一步表明直流电压可以通过d1和d2政治家们单独或同时开关电压和电流特性还提供了在这一节中。至于当前的压力,从图6观察,峰值电流总是发生在MOSFET的准时的结束。Cuk和SEPIC MOSFETcurrent由输入电流和电容电流(C1, C2)。

光伏输出电流,这也等于平均Cuk变换器的输入电流(12)。它可以观察到,平均电感电流的函数其各自的责任周期(d1)。因此通过调整各自的责任周期为每一个能源,maximumpower点可以实现跟踪。

转换器的工作

M1打开时,电流从输入源通过L1和M1,储存能量在L1磁场。当M1是关闭的,L1逆转的电压维持电流。在提高变换器电流流从输入源,通过L1和D1,充电C1电压高于Vin和转移的一些能源是存储在L1。当M1再次打开,C1排放通过通过L2到负载,L2和C2作为平滑滤波器。同时再次能量被储存在L1,准备下一个周期。

源特征

一个常见的风力和光伏系统的固有缺点是间歇式的自然能源。风能能够提供大量的权力,但它的存在是非常不可预测的,因为它可以在一个时刻,在另一个。太阳能存在一整天,但太阳辐射水平变化由于太阳强度和不可预知的阴影,云,鸟,树木等等。这些缺点往往使这些可再生能源系统效率低下。翻译但是,通过整合最大功率点跟踪(MPPT)算法,系统的能量传输效率可以大大提高。描述风轮机的功率特性,方程(13)描述的机械功率是由风[6]。

太阳能电池由pn结半导体通过光伏效应产生电流。光伏阵列是由将众多太阳能电池连接串联和并联[5]。

光伏电池是一个大面积的二极管正向偏压光电压。通常,分流电阻(Rsh)是非常大的和串联电阻(Rs)是非常小的[5]。因此,通常忽视这些抗性为了简化太阳能电池模型。典型的光伏阵列的输出功率特性在不同程度的辐射图11所示。它可以观察到在图11中,有一个特定的最优电压为每个照射水平对应于最大的输出功率。因此通过调整输出电流(或电压)光伏阵列的最大功率从数组中可以得出。

由于相似的风力和光伏阵列发电曲线的形状,一个类似的最大功率点跟踪方案被称为山爬搜索(高碳钢)策略通常是应用于这些能源提取最大功率。高碳钢策略扰乱系统的操作点,观察输出。如果扰动的方向(e。g的增加或减少光伏阵列的输出电压)的结果在一个积极的改变输出功率,然后控制算法将继续前摄动的方向。相反,如果一个负的输出功率的变化观察,那么控制算法将反向透水扰动的方向的一步。如果功率的变化是接近于零(在规定的范围内),那么该算法将调用没有更改系统操作点因为它对应于最大功率点(功率曲线的峰值)。

逆变器分析

逆变器将直流电源转化到交流电源,因此它可以送入电力公司电网。逆变器必须同步频率与电网(例如50或60 Hz)使用一个本地振荡器和限制电压不高于电网电压。一个高质量的现代GTI固定统一功率因数,这意味着它的输出电压和电流完全排队,及其相位角在1度的交流电网。逆变器有一个车载电脑将当前交流电网波形,和输出电压与电网。Grid-tie逆变器设计也迅速从电网断开如果公用电网会下降。

仿真结果

cuk-sepic集成电路的仿真结果如图10所示。显示输出电压提高到一个水平大于buck-boost转换器,效率也更高。

结论

本文的新多输入Cuk-SEPIC整流阶段提出了混合风能/太阳能系统。

该电路的特点是:1)额外的输入过滤器是没有必要滤除高频谐波;2)两种可再生能源可以加强上下(支持光伏和风力的宽范围输入);翻译3)MPPT为每个源可以实现;4)支持个人和同步操作。仿真结果已经证实所提出的拓扑结构的特点。该混合能源一定会让未来的世界! ! ! ! !

引用

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