小型风电系统逆变器拓扑结构优化及最大功率跟踪（MPPT）

【摘要】：课题来自新疆维吾尔自治区自然科学基金资助项目“小型风力发电系统逆变器拓扑结构优化及控制策略研究”（项目编号2011211A023）。采用遗传编程和键合图结合的方法，结合风力发电系统的要求对逆变器拓扑结构进行优化设计，主要包含滤波电路和逆变电路的进化设计，以及风机逆变器的功率跟踪仿真验证。 遗传编程中程序表示为语法树的形式，电路可以用结点分支来进行描述，很容易转化为树状结构，非常适用于电路的进化，可以克服传统依靠经验实验来设计电路的局限性，极大的拓展电路的拓扑搜索空间。而使用键合图作为中介，结合键合图在多能量域复杂系统中的建模优势，将大大扩展遗传编程在其他领域优化设计中的应用。 首先研究开关键合图建模表述方法。用SIDOPS+语言建立开关键合图模型（键合图标准库中尚没有现成的开关元件），作为电路拓扑中IGBT功率开关元件。 第二，研究遗传编程原理及在电路进化中的应用，搭建遗传编程算法及物理电路仿真平台。采用Matlab M脚本语言编写算法，调用Simpowersystems工具箱函数进行电路仿真，模型的形式变化：符号结构体（树）—键合图模型—网表（Ascii）—物理模型（MDL）。 第三，进行滤波电路和逆变电路的进化设计。在进化50代后得到一个由5个IGBT组成的单相五电平拓扑，传统的拓扑获得同样电平数至少需要8个IGBT，大大降低了成本。并进行了损耗分析，同等条件下损耗低于其他拓扑。 最后完成风机模型的搭建，功率跟踪算法的编写，将逆变器应用到小型风机模型，使用占空比扰动算法对风机的最大功率进行跟踪，仿真效果较好。 遗传编程电路进化要求拓扑搜索算法和电路仿真交叉进行，要求仿真的实时性。同时遗传进化的种群数量非常庞大，如采用并行计算的话效率将大大提高。同时算法程序和电路仿真接口问题会大大影响系统运行的时间。所以遗传电路进化的并行程序设计和算法、物理仿真一体化设计有待进一步研究。 【关键词】：风力发电 逆变器 拓扑优化 遗传编程 最大功率跟踪
【学位授予单位】：新疆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM464
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-6
• 目录6-9
• 第一章 绪论9-15
• 1.1 引言9-10
• 1.2 多电平逆变器国内外研究现状10-12
• 1.3 研究的目的与意义12-13
• 1.4 本文研究内容与方法13-15
• 第二章 小型风力发电系统及逆变器15-25
• 2.1 小型风力发电系统15-16
• 2.2 常见风机拓扑16-18
• 2.3 逆变器工作原理18-19
• 2.4 多电平逆变器工作原理及常见拓扑19-21
• 2.5 两种较系统性的逆变器优化设计方法21-23
• 2.5.1 基于基本单元组合的最优逆变器的设计的方法21-22
• 2.5.2 基于通用结构的优化设计方法22-23
• 2.6 新的拓扑结构优化方法23-24
• 2.7 本章小结24-25
• 第三章 开关键合图25-32
• 3.1 开关键合图25
• 3.2 开关键合图研究现状25-27
• 3.2.1 MTF 描述法26
• 3.2.2 受控结点描述法26
• 3.2.3 Petri 网描述法26-27
• 3.2.4 列举法27
• 3.2.5 开关功率结点描述法27
• 3.3 开关元件处理方法27-30
• 3.4 本章小结30-32
• 第四章 基于遗传编程电路仿真方法32-38
• 4.1 遗传编程32-33
• 4.1.1 原理32
• 4.1.2 在电路设计中的应用32-33
• 4.1.3 遗传编程电路进化步骤33
• 4.2 遗传编程与键合图的结合33-34
• 4.3 仿真平台搭建34-37
• 4.3.1 滤波器的电路仿真流程35-36
• 4.3.2 逆变器的电路仿真-MDL 模型自动合成36-37
• 4.4 本章小结37-38
• 第五章 基于遗传编程和键合图的逆变器优化设计38-60
• 5.1 滤波器的进化设计38-45
• 5.1.1 定义胚胎电路38
• 5.1.2 定义遗传编程参数38-39
• 5.1.3 定义控制函数集39
• 5.1.4 定义适应度函数39-40
• 5.1.5 程序仿真结果40-45
• 5.2 逆变器的进化设计45-54
• 5.2.1 构建胚胎电路45-46
• 5.2.2 遗传编程参数初始化46
• 5.2.3 逆变器遗传编程函数集46-48
• 5.2.4 适应度函数定义48
• 5.2.5 仿真过程及结果48-54
• 5.3 拓扑比较54-58
• 5.3.1 成本比较54-55
• 5.3.2 损耗分析55-58
• 5.4 本章小结58-60
• 第六章 小型风电系统的最大功率跟踪 MPPT60-66
• 6.1 最大功率跟踪原理60-61
• 6.2 风力发电机的功率跟踪61-64
• 6.3 结果分析验证64-65
• 6.4 本章小结65-66
• 第七章 总结与展望66-70
• 7.1 总结66-68
• 7.2 下一步展望68-70
• 致谢70-71
• 参考文献71-73
• 附录73-77
• 攻读硕士期间主要的研究成果77

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