基于MATLAB/Simulink的風儲發電系統設計

趙嘉興++高偉++上官明霞++劉晉

摘 要 隨著智能電網的發展，微電網成為目前研究的熱點。風力發電在脫離大電網進入微網運行時，由于其輸出功率會發生間歇性波動，引起微電網電壓和頻率的波動。而微電網中的電池儲能系統可以平衡微電網的有功和無功功率。首先介紹風力發電的數學模型和基本控制，然后對電池儲能系統結構和下垂控制原理進行分析，研究在風力發電離網運行時，通過加入電池儲能系統穩定微電網的電壓和頻率。最后在MATLAB/Simulink中搭建由一臺風電模型和兩臺儲能系統構成的微電網，仿真結果表明所設計的風儲發電系統能夠穩定運行，學生可以適當修改該系統參數，了解微電網的運行特性。

關鍵詞 微電網；風儲發電系統；MATLAB/Simulink

中圖分類號：TM614 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）10-0035-05

Development of Wind/Storage Generation System based on MATLAB/Simulink//ZHAO Jiaxing， GAO Wei， SHANGGUAN Mingxia， LIU Jin

Abstract With the development of the smart grid， micro-grid has become a hot research. The fluctuation of wind output power will influence the stability of the voltage and frequency. Micro-grid needs

battery energy storage system （BESS） to balance the active and reac-

tive power. This paper studied the mathematic model and the basic control of the wind power generation， and analyzed the structure of the BESS and the theory of the droop control. This paper presented a control strategy for wind/storage system to stable the voltage and

frequency in micro-grid. Finally， this paper built a micro-grid con-

sisted of the wind power model and two BESS in parallel through MATLAB/Simulink. The result of the Simulink verifies the control

strategy of voltage and frequency in wind/storage system. Students

can modify the system parameters， to learn the operating characte-ristics of micro-grid.

Key words micro-grid； wind/storage system； MATLAB/Simulink

1 引言

風力發電系統在并網運行時，有大電網支撐電壓和頻率，可以采用最大功率輸出控制。在孤島運行時，風力發電系統不能提供穩定的電網電壓和頻率支撐，可以采用儲能系統來支撐微電網的電壓和頻率。文獻[1]提出儲能系統和抽水蓄能來平衡微網中風電功率的隨機波動，同時采用通信方式來監控功率平衡情況，整個微網系統控制復雜。文獻[2]針對雙饋感應電機及并聯型儲能系統組成的孤網，提出孤網能量平衡關系和分層協調控制策略，文中仿真部分風速變化簡單，但頻率波動較大。在無互聯通信線情況下，儲能系統離網運行時，可以采用雙閉環恒壓恒頻控制，但是這種控制只適合運用在單機運行模式[3]。當微網負荷容量增大時，儲能系統采用多機并聯的方式擴大容量，許多文獻提出采用下垂控制方法[4-6]，但是下垂控制在線路阻抗不一致時，多機并聯儲能系統不能實現均分，虛擬阻抗可以克服阻抗不一致時的均流問題[7]。

本文針對微網下，風力發電輸出功率隨機波動，不能平衡系統功率問題，研究相應的控制策略。首先研究風力發電系統的數學模型和基本控制，然后對電池儲能系統結構和下垂控制原理進行分析，研究在風力發電離網運行時，通過加入多機并聯電池儲能系統穩定微電網的電壓和頻率。在MATLAB/Simulink中，搭建由一臺風電模型和兩臺儲能系統構成的微電網，仿真結果表明所設計的風儲發電系統能夠穩定運行，學生可以適當修改該系統參數，了解微電網的運行特性。

2 風力發電模型

本文重點研究微電網孤島運行時，電池儲能系統平滑風力發電輸出的功率，穩定微電網電壓和頻率。所以本文采用簡單的風力發電模型，主要包括風力機、鼠籠型感應發電機（SCIG）等。風力機將風能轉換為機械能，SCIG再將機械能轉化為電能，SCIG的定子可以通過變壓器直接與電網相連。SCIG一般在其定子側并聯電容器以補償無功，因為其運行過程中需要吸收無功功率[8]。

風力機輸出的機械功率如下所示：

式中，Pm為風力機輸出的機械能；vwind為風速，單位為m/s；λ為葉尖速比，其值為ωR/vwind，ω為風力機的旋轉角速度，R為風力機槳葉的長度；β為槳距角；cp為風能轉換系數，是關于λ和β的函數；ρ為空氣密度；A為葉輪掃過的面積。endprint

其中，風能轉換系數cp的表達式如下：

其風速vwind、轉速ω和輸出的機械功率Pm的關系如圖1所示。從圖中可以看出，當轉速恒定時，風力機輸出的機械功率隨著風速的升高而升高；當風速恒定時，調節SCIG的轉速，能夠使其輸出的有功功率達到最大值。

葉尖速比λ、槳距角β對風能轉換系數cp的影響如圖2所示。從圖中可以看出，當葉尖速比λ處于一定范圍內時，隨著槳距角β的增加，風力機的風能利用系數cp迅速下降。

在MATLAB/Simulink中搭建風力發電機模型，單臺鼠籠型感應發電機的額定輸出功率為275 kVA，其定子側的線電壓為380 V，頻率為50 Hz，且忽略了能量傳遞過程中的損耗，整個風力發電機的模型如圖3所示。因為忽略了傳動系統和其他類型的損耗，風力機輸出的機械功率與鼠籠型感應發電機產生的有功功率相等。該模型通過瞬時有功理論（）來計算風力發電機所產生的有功功率。

由圖3所示，在MATLAB/Simulink中，風力發電機模型可以模擬風速的隨機波動，從而仿真風力發電輸出功率的間歇性波動。

3 電池儲能系統多機并聯控制

隨著微電網容量的增大，電池儲能系統目前普遍采用多機并聯的方式。電池儲能系統多機并聯方式目前有兩種方法：有互聯通信線并聯和無互聯通信線并聯。無互聯通信線并聯方式由于控制簡單，能夠實現儲能系統即插即用，成為目前研究的熱點。所以本文主要研究儲能系統多機無互聯通信線并聯控制。下垂控制是無互聯通信線并聯方式廣泛采用的方法，可以測量本地的有功和無功功率，根據下垂曲線合理分配多機之間功率。圖4為并聯儲能系統傳輸線潮流圖，把儲能系統等效成受控電壓源，儲能系統與母線之間的阻抗稱為引線阻抗，可以配置成強感性，設為Zn=|Z|ejθ=Rn+jXn，圖中PCC表示公共連接點母線。

傳輸潮流與引線阻抗的關系為：

令引線阻抗呈強感性，即可忽略阻性，同時儲能系統相對于母線的相角也很小，則上式可化簡為：

實際中，并聯系統輸出電壓幅值的變化范圍不會很大，可近似認為是個常數，求微分可得：

由上式可以看出，有功功率的大小主要取決于Δδ，無功功率的大小主要取決于ΔE，由此可以得到基于電壓—頻率的下垂特性公式：

式中，f*、E*分別為由下垂控制得到的頻率和幅值參考值，f0、E0分別為變流器空載輸出頻率和電壓幅值，kfp、keq分別為變流器輸出角頻率和電壓幅值的下垂系數，P、Q分別為變流器輸出有功和無功功率，Pref、Qref分別為功率參考值，可以調節儲能系統并網時輸出的功率。

4 風儲系統MATLAB/Simulink仿真

在MATLAB/Simulink中建立包含額定功率為200 kW兩機并聯儲能系統和額定功率為275 kW的風機模型，負載為恒功率負載。兩臺并聯儲能系統仿真參數如下：

逆變器容量：100 kVA

直流側電壓：700 V

濾波器電感：1 mH

濾波器電容：150 μF

開關頻率：5000 Hz

控制器參數k2：0.5

控制器參數kp：2

控制器參數ki：100

引線阻抗：0.45 Ω

有功下垂系數：0.5e-5

無功下垂系數：6e-4

仿真系統如圖5所示。

在t=0～5 s風機輸出功率隨機波動，仿真開始，投入P=100 kW，Q=10 kVar負載，功率和頻率變化波形如圖6所示。

由圖6可知，儲能系統能夠抑制風電輸出功率的波動，使風儲系統的功率得到平衡。

如圖7所示，風儲系統的頻率和電壓會發生波動，但能夠保持在國家標準規定的允許范圍內。

5 結論

本文首先闡述風力發電系統能量轉換的基本原理，在MATLAB/Simulink中進行模型搭建，采用電池儲能系統來平衡風力發電系統在孤網下功率不平衡問題。電池儲能系統采用下垂控制，實現無互聯通信線情況下的多機并聯穩定運行。最后在MATLAB/Simulink中搭建孤網情況下的風儲發電系統，仿真結果驗證了所提出的風儲發電系統的有效性和可行性。學生可以適當修改該系統參數，了解微電網的運行特性。

參考文獻

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