基于MATLAB的風力發電系統單相整流/逆變電路仿真研究

李偉棟

(中南勘測設計研究院，湖南 長沙 410014)

基于MATLAB的風力發電系統單相整流/逆變電路仿真研究

李偉棟

(中南勘測設計研究院，湖南 長沙 410014)

介紹了風力發電的能量轉換，風力發電機的發展，以及并網換流器。搭建了基于MATLAB/Simulink的單相整流/逆變電路仿真模型，并對該模型進行仿真，仿真結果表明，搭建的單相整理/逆變電路能較好的模擬風力發電系統變流器的工作過程，對進一步提高變流器的性能具有促進作用。

風力發電機;整流/逆變電路;換流器;MATLAB/Simulink

1 引言

隨著能源危機的不斷加劇，環境的日益惡化，可再生能源尤其是風能的開發利用得到各國的廣泛關注。從上世紀80年代至今的三十多年中，系列風力發機的額定功率與直徑增長十分迅速[1]。目前的風力發電系統發電過程為先將風電機發出的交流電整流成直流，再將直流電逆變為頻率為50Hz的交流電，這其中，整流/逆變電路是風力發電系統的核心模塊之一，因此對該模塊進行研究具有重要的意義。本文通過MATLAB/Simulink仿真軟件對單相/逆變電路進行研究，并搭建一個仿真模型。

2 風力發電系統介紹

2.1 風力發電的能量轉換

人類在數千年前已經開始利用風能，早期主要利用風力或風力機直接將風力轉化為機械能提供動力，例如，帆船、風車磨面、風車碾米等。而風力發電則是風機通過利用風能轉化為機械能，再利用發電機將機械能轉換為電能。風機的類型有許多，發電機的類型也比較多，但是其基本能量轉化過程是一樣的[2]，如圖1所示。

圖1 風電系統能量轉化過程

2.2 風力發電機的發展[3]

最初階段，風力發電機采用的是同步發電機，之后慢慢轉向鼠籠式異步發電機。無論是傳統的同步發電機或是鼠籠式異步發電機都是直接并網恒速運行。采用這種并網運行方式最大的優點是投資小、系統配置簡單，然而其對電力系統的影響比較大，降低了電能質量。因為這種方式會由于風速波動引起氣動轉矩波動使風輪機葉片、傳動鏈和塔架等承受很高的機械應力，并且造成發電機輸出功率波動。

所以，直接并網恒速運行方式僅適合小規模、小型風力發電機并入無窮大電網。

隨著發電機、風輪機、控制技術以及電力電子技術迅速發展，風力發電系統已經能夠實現變速運行。變速運行具有如下優點：

(1) 允許對槳距控制的時間常數較大，從而減小了所需的最大調節功率以及降低槳距控制的復雜性；

(2) 提高了電能質量；

(3) 減小了噪音；

(4) 降低了機械應力；

(5) 提升了系統效率。

圖2所示為變速運行風力發電系統的發電機和電力電子配置方式。

圖2 變速運行風力發電系統中的發電機和電

2.3 風電系統并網換流器

由于風速的不穩定會使風力發電機輸出的電壓和頻率也不穩定，現階段最好的解決辦法是在發電機定子繞組和電網之間配置變頻換流器。目前的變頻換流器一般是交-直-交結構，就是一個整流電路和一個逆變電路的結合。其工作過程為：先將風力發電機發出的交流電壓整成直流電壓，再將直流電壓逆變成頻率，幅值以及相位都符合要求的交流電，并輸送至電網。由于電力電子能夠實現快速和精確的控制，因此由于風速變化造成的電壓與頻率的波動不會對電網造成太大的影響[2，4]。典型的單相變流電路如圖3所示。

圖3 風力發電系統單相變流電路

2 基于MATLAB/Simulink單相整流/逆變電路仿真模型搭建

本文通過MATLAB/Simulink平臺搭建一個風力發電機單相整流/逆變電路，來對風力發電系統的變流器進行研究[5]。圖4所示為風力發電系統整流/逆變電路仿真模型。

圖4 風力發電系統整流/逆變電路仿真模型

系統參數設置為：

(1) 采用一個電壓源代替風力發電機，該電壓源的頻率為40Hz,幅值為1500V；

(2) L1與C1構成了一個低通濾波器，L1=100mH,C1=2000μF；

(3) L2與C2構成一個低通濾波器，L1=15mH,C2=600μF;

(4) 負載Load為有功功率10kW。

具體仿真波形如下圖所示。

(1)圖5為Scope5所輸出波形，表示電壓源所輸出電壓。

圖5 電壓源所輸出的電壓波形

(2)圖6為Scope4所輸出波形，表示為整流橋輸出的電流。

圖6 整流橋輸出的電流波形

(3)圖7為Scope3輸出波形，表示為整流橋輸出的電壓。

圖7 整流橋輸出的電壓波形

(4)圖8為Scope1輸出波形，表示為風電系統注入電網的電流。

圖8 風電系統注入電網的電流波形圖

(5)圖9為Scope2輸出波形，表示為風電系統輸出到電網電壓的波形。

圖9 風電系統輸出到電網電壓的波形

由圖5～圖9可知，本文所搭建的基于MATLAB/Simulink單相逆變仿真模型能較好的反應風電系統變流器的工作過程，為研究風電單相變流器提供了一種參考方案。

3 結論

本文通過搭建MATLAB/Simulink平臺搭建了單相逆變電路仿真模型。在仿真過程中通過研究電壓源輸出波形、整流橋輸出的電流波形、整流橋輸出的電壓波形、風電系統注入電網的電流波形圖、風電系統輸出到電網電壓的波形可知，本文搭建的模型是正確的，可為研究風力發電系統變流器提供一種參考方案。

[1] 廖明夫，R.Gasch，J.Twele.風力發電技術[M].西安:西北工業大學出版社，2009.

[2] 朱永強，張旭.風電場電氣系統[M].北京：機械工業出版社，2010.

[3] 孫春順.風力發電系統運行與控制方法研究[D].湖南大學，2008.

[4] 李建林，許洪華,等.風力發電中的電力電子變流技術[M].北京：機械工業出版社，2008.

[5] 李維波.MATLAB在電氣工程中的應用[M].北京：中國電力出版社，2007.

Simulation Study on the Single-Phase Commutating/ContravaviantCircuit of Wind Power Generation System

LIWei-dong

(Zhongnan Survey Design Reserach Institute,Changsha 410014,China)

The paper presents the energy conversion of wind power generation,development of wind power generator and combined network converter.A singl-phase commutating/contravaiant circuit simulation model based on MATLAB/Simulink was built and simulate the model.The simulation shows that the single-phase arrangement/contraviant circuit wich has been built can better simulate the process of wind power generation system inverter and has facilitation increasing inverter performance.

wind power generator;commutating/contrant circuit;converter;MATLAB/Simulink

安友彬(1986-)，男，碩士，主要研究方向為風力發電控制及自適應控制； 李春茂(1963-)，男，博士，教授，主要研究方向智能控制、網絡化控制系統、非線性系統自適應控制。

1004-289X(2014)02-0033-03

TM46

B

2013-09-11