基于Matlab的離網型風力發電系統建模與仿真

王 美 ， 溫彩鳳 ，2

（1.呼和浩特職業學院，內蒙古 呼和浩特 010051；2.內蒙古工業大學能源與動力工程學院，內蒙古 呼和浩特 010051）

0 引 言

離網小型風力發電是20世紀80年代興起的一項新能源技術，它以經濟、方便、實用的特點成為風電技術的一個重要方向[1]。我國把開發小型風力發電技術作為實現農村電氣化的重要措施之一，主要研制、示范和應用小型風力發電機組，供邊關哨所、離網散居的農牧民和漁民一家一戶使用。

在“十二五”規劃期間綠色能源、循環利用能源得到更多的重視，風力發電是發展最快、技術成熟并具備快速成為主流的可再生能源。在大趨勢的驅動下，離網小型風電受到重視，對其系統的建模和仿真也就變的愈為重要。

1 離網小型風力發電系統

為降低系統成本和復雜性，農村戶用小型風力發電機采用變速恒頻的直驅式永磁同步風力發電系統，由于發電機輸出電壓的幅值和頻率總在隨著風速的變化而變化，因此需要經過整流逆變裝置變換成恒壓恒頻的交流電才能供用戶使用。風力發電具有間歇性的特點，目前，在國內外，沒有任何風電設備可以實現獨立電力供應，無風時即無法供電。為了延長供電時間，保證風力發電機的輸出功率穩定，在直流側安裝蓄電池[2]，系統原理如圖1所示。

在本系統中，整流部分使用不可控整流電路，采用二極管整流，該方案結構簡單、可靠性高、成本低、技術瓶頸小，另外由于電力二極管的單向導通性，可以有效防止在無風的情況下蓄電池功率倒送到發電機側[3]。

逆變部分采用SPWM全功率逆變技術，把直流電逆變成電壓穩定的三相交流電，再通過變壓器升壓到用戶需求的電壓供用戶使用。

2 建立系統各部分模型

風力發電機各組成部分的模型均在Matlab環境下建立。

2.1 風速模型

由于風速具有隨機性和間歇性的特點，本文的風速模型采用四分量疊加法的風速模型[4-5]，表達式為

其中：

（1）基本風。基本風νb描述的是風電場基本風速的變化情況。可用威布爾（Weibull）分布描述風電場的年度平均風速的變化

尺度參數c和形狀參數k可根據風電場的實測數據估算。

（2）陣風。陣風νg描述的是風電場風速的突然變化的情況。數學模型為

式中：νg——陣風風速（m/s）；

νgmax——陣風峰值（m/s）；

T1——陣風啟動時間（s）；

Tg——陣風周期（s）；

t——時間（s）。

（3）漸變風。漸變風νr描述的是風度的漸變特性。其數學模型為

式中：νr——漸變風風速（m/s）；

νrmax——漸變風最大值（m/s）；

T——漸變風保持時間（s）；

Tr1——漸變風起始時間（s）；

Tr2——漸變風終止時間（s）。

（4）隨機風。隨機風νt模擬的是風速變化的隨機特性。其數學模型為

圖1 離網小型風力發電系統原理圖

圖2 風速模型封裝后的參數設置對話框

式中：νt——隨機風的風速（m/s）；

νtmax——隨機風的最大值（m/s）；

Random（-1，1）——為-1和1之間均勻分布的隨機變量；

ων——風速波動的平均距離（rad/s）；

φν——0～2π間服從均勻概率分布的隨機量。

根據數學模型建立的風速的Matlab模型和封裝后的參數設置對話框如圖2所示。

（5）當用戶需要對電子數據進行下載或查詢訪問操作時，系統根據用戶請求、用戶授權請求，將用戶信息與需要訪問的數據建立對應的映射關系，然后用戶便可以進行操作。

2.2 風力機模型

一臺風輪半徑為R的風輪機，在風速為ν時，所產生的機械功率為

機械轉矩為

式中：ρ——空氣密度（kg/m3）；

Cp（β，λ）——風輪機的功率系數。

根據數學模型建立的風力機的Matlab模型如圖3所示。

2.3 永磁同步發電機模型

為了分析永磁同步發電機的動態性能，基于dq旋轉坐標軸建立起數學模型如下：

電壓方程為

磁鏈方程為

電磁轉矩方程為

式中：ud、uq——電機端電壓dq軸分量；

ψd、ψq——定子磁鏈dq軸分量；

id、iq——電子電流dq軸分量；

ψf——發電機中永磁體建立的磁鏈幅值；

Ld、Lq——dq軸同步電感；

ωe——電角速度；

p——發電機轉子極對數。

2.4 蓄電池模型

考慮到蓄電池的成本，小型風力發電系統的儲能單元采用鉛酸電池[8-9]。

鉛酸電池的放電數學模型（i*＞0）為

充電數學模型（i*＜0）為

圖3 風力機模型

圖4 離網小型風力發電系統模型

圖5 風速仿真效果圖

式中：it——放電容量（Ah）；

i*——低頻動態電流（A）；

i——蓄電池電流（A）；

E0——恒定電壓（V）；

K——極化常數（Ah-1）或極化電阻（Ω）；

Q——蓄電池最大容量（Ah）；

Exp（s）——指數區間動態反應電壓（V）；

Sel（s）——蓄電池充放電模式，當蓄電池為放電模式時Sel（s）=0，當蓄電池為充電模式時Sel（s）=1。

3 離網小型風力發電系統的建模與仿真分析

除構建封裝的模塊外，永磁同步發電機、整流逆變、蓄電池及變壓器的Matlab模型在仿真平臺中有封裝好的模塊，直接調用即可。

圖6 永磁同步發電機轉速和電磁轉矩

3.1 搭建系統

把建立的各部分模型按照預先設計方案進行連接，搭建整個離網小型風力發電系統。在simulink下搭建的系統模型如圖4所示。

系統中，把風力發電機發出的電經過整流后存入鉛酸蓄電池，由于蓄電池的鉗位作用，直流側電壓不會隨風力發電量的多少而發生大的變化，基本上是穩定的，再經過逆變器變換成恒頻恒壓的交流電通過變壓器升壓后供用戶使用。

風力機設計的額定風速為9m/s，永磁同步發電機的額定功率為1 000 W，額定線電壓峰值為50 V，額定轉速600r/min。在不影響仿真效果的情況下，系統的仿真時間設置為0.1s。

圖8 用戶負載端的三相電壓電流波形

3.2 仿真分析

為有效仿真系統各部分的特性，在模型中設置基本風速3.5m/s，陣風峰值為1m/s，漸變風最大值為5m/s，隨機風最大最小之分別為0.2m/s和-0.1m/s，風速仿真效果如圖5所示。

在變化風速的影響下，風力機帶動永磁同步發電機旋轉發電，發電機的轉速隨風速變化曲線如圖6所示。

由于在低風速下風力所發電量難以支持負載運行，所以此時蓄電池電流i*＞0，蓄電池處于放電狀態；在風力機得達到額定風速或大于額定風速時，發電機所發電量除了供應負載運行外，同時還給蓄電池充電，此時i*＜0。蓄電池的電量變化和電壓電流曲線如圖7所示。負載兩端電壓電流成正弦波形，符合負荷使用需求，波形變化如圖8所示。

4 結束語

通過利用Matlab對離網小型風力發電系統進行建模仿真，使風力發電機模型的建立更簡便、直觀，同時利用Matlab系統強大的人機交互模式，使仿真結果能夠有效地逼近實際運行情況。本系統除了將風力發電機的各組成部分建模仿真，還將配套系統——蓄電池模型也給出。通過仿真可看出蓄電池的Matlab有效模型的建立起到了穩定直流電壓、提供持續電源的作用，并滿足了用戶的需求。用戶端的電壓電流仿真波形也基本接近正弦，符合用戶要求，與理論分析一致，驗證了在Matlab環境下所搭建模型的正確性。

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