基于Matlab的離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)建模與仿真

王 美 ， 溫彩鳳 ，2

（1.呼和浩特職業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

0 引 言

離網(wǎng)小型風(fēng)力發(fā)電是20世紀(jì)80年代興起的一項(xiàng)新能源技術(shù)，它以經(jīng)濟(jì)、方便、實(shí)用的特點(diǎn)成為風(fēng)電技術(shù)的一個(gè)重要方向[1]。我國(guó)把開發(fā)小型風(fēng)力發(fā)電技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)農(nóng)村電氣化的重要措施之一，主要研制、示范和應(yīng)用小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，供邊關(guān)哨所、離網(wǎng)散居的農(nóng)牧民和漁民一家一戶使用。

在“十二五”規(guī)劃期間綠色能源、循環(huán)利用能源得到更多的重視，風(fēng)力發(fā)電是發(fā)展最快、技術(shù)成熟并具備快速成為主流的可再生能源。在大趨勢(shì)的驅(qū)動(dòng)下，離網(wǎng)小型風(fēng)電受到重視，對(duì)其系統(tǒng)的建模和仿真也就變的愈為重要。

1 離網(wǎng)小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

為降低系統(tǒng)成本和復(fù)雜性，農(nóng)村戶用小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用變速恒頻的直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，由于發(fā)電機(jī)輸出電壓的幅值和頻率總在隨著風(fēng)速的變化而變化，因此需要經(jīng)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(fēng)力發(fā)電具有間歇性的特點(diǎn)，目前，在國(guó)內(nèi)外，沒有任何風(fēng)電設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立電力供應(yīng)，無風(fēng)時(shí)即無法供電。為了延長(zhǎng)供電時(shí)間，保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率穩(wěn)定，在直流側(cè)安裝蓄電池[2]，系統(tǒng)原理如圖1所示。

在本系統(tǒng)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、成本低、技術(shù)瓶頸小，另外由于電力二極管的單向?qū)ㄐ?，可以有效防止在無風(fēng)的情況下蓄電池功率倒送到發(fā)電機(jī)側(cè)[3]。

逆變部分采用SPWM全功率逆變技術(shù)，把直流電逆變成電壓穩(wěn)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(tǒng)各部分模型

風(fēng)力發(fā)電機(jī)各組成部分的模型均在Matlab環(huán)境下建立。

2.1 風(fēng)速模型

由于風(fēng)速具有隨機(jī)性和間歇性的特點(diǎn)，本文的風(fēng)速模型采用四分量疊加法的風(fēng)速模型[4-5]，表達(dá)式為

其中：

（1）基本風(fēng)。基本風(fēng)νb描述的是風(fēng)電場(chǎng)基本風(fēng)速的變化情況?？捎猛紶枺╓eibull）分布描述風(fēng)電場(chǎng)的年度平均風(fēng)速的變化

尺度參數(shù)c和形狀參數(shù)k可根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)估算。

（2）陣風(fēng)。陣風(fēng)νg描述的是風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速的突然變化的情況。數(shù)學(xué)模型為

式中：νg——陣風(fēng)風(fēng)速（m/s）；

νgmax——陣風(fēng)峰值（m/s）；

T1——陣風(fēng)啟動(dòng)時(shí)間（s）；

Tg——陣風(fēng)周期（s）；

t——時(shí)間（s）。

（3）漸變風(fēng)。漸變風(fēng)νr描述的是風(fēng)度的漸變特性。其數(shù)學(xué)模型為

式中：νr——漸變風(fēng)風(fēng)速（m/s）；

νrmax——漸變風(fēng)最大值（m/s）；

T——漸變風(fēng)保持時(shí)間（s）；

Tr1——漸變風(fēng)起始時(shí)間（s）；

Tr2——漸變風(fēng)終止時(shí)間（s）。

（4）隨機(jī)風(fēng)。隨機(jī)風(fēng)νt模擬的是風(fēng)速變化的隨機(jī)特性。其數(shù)學(xué)模型為

圖1 離網(wǎng)小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)原理圖

圖2 風(fēng)速模型封裝后的參數(shù)設(shè)置對(duì)話框

式中：νt——隨機(jī)風(fēng)的風(fēng)速（m/s）；

νtmax——隨機(jī)風(fēng)的最大值（m/s）；

Random（-1，1）——為-1和1之間均勻分布的隨機(jī)變量；

ων——風(fēng)速波動(dòng)的平均距離（rad/s）；

φν——0～2π間服從均勻概率分布的隨機(jī)量。

根據(jù)數(shù)學(xué)模型建立的風(fēng)速的Matlab模型和封裝后的參數(shù)設(shè)置對(duì)話框如圖2所示。

（5）當(dāng)用戶需要對(duì)電子數(shù)據(jù)進(jìn)行下載或查詢?cè)L問操作時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)用戶請(qǐng)求、用戶授權(quán)請(qǐng)求，將用戶信息與需要訪問的數(shù)據(jù)建立對(duì)應(yīng)的映射關(guān)系，然后用戶便可以進(jìn)行操作。

2.2 風(fēng)力機(jī)模型

一臺(tái)風(fēng)輪半徑為R的風(fēng)輪機(jī)，在風(fēng)速為ν時(shí)，所產(chǎn)生的機(jī)械功率為

機(jī)械轉(zhuǎn)矩為

式中：ρ——空氣密度（kg/m3）；

Cp（β，λ）——風(fēng)輪機(jī)的功率系數(shù)。

根據(jù)數(shù)學(xué)模型建立的風(fēng)力機(jī)的Matlab模型如圖3所示。

2.3 永磁同步發(fā)電機(jī)模型

為了分析永磁同步發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能，基于dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸建立起數(shù)學(xué)模型如下：

電壓方程為

磁鏈方程為

電磁轉(zhuǎn)矩方程為

式中：ud、uq——電機(jī)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(fā)電機(jī)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(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)。

2.4 蓄電池模型

考慮到蓄電池的成本，小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的儲(chǔ)能單元采用鉛酸電池[8-9]。

鉛酸電池的放電數(shù)學(xué)模型（i*＞0）為

充電數(shù)學(xué)模型（i*＜0）為

圖3 風(fēng)力機(jī)模型

圖4 離網(wǎng)小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型

圖5 風(fēng)速仿真效果圖

式中：it——放電容量（Ah）；

i*——低頻動(dòng)態(tài)電流（A）；

i——蓄電池電流（A）；

E0——恒定電壓（V）；

K——極化常數(shù)（Ah-1）或極化電阻（Ω）；

Q——蓄電池最大容量（Ah）；

Exp（s）——指數(shù)區(qū)間動(dòng)態(tài)反應(yīng)電壓（V）；

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

3 離網(wǎng)小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的建模與仿真分析

除構(gòu)建封裝的模塊外，永磁同步發(fā)電機(jī)、整流逆變、蓄電池及變壓器的Matlab模型在仿真平臺(tái)中有封裝好的模塊，直接調(diào)用即可。

圖6 永磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩

3.1 搭建系統(tǒng)

把建立的各部分模型按照預(yù)先設(shè)計(jì)方案進(jìn)行連接，搭建整個(gè)離網(wǎng)小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。在simulink下搭建的系統(tǒng)模型如圖4所示。

系統(tǒng)中，把風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電經(jīng)過整流后存入鉛酸蓄電池，由于蓄電池的鉗位作用，直流側(cè)電壓不會(huì)隨風(fēng)力發(fā)電量的多少而發(fā)生大的變化，基本上是穩(wěn)定的，再經(jīng)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(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)的額定風(fēng)速為9m/s，永磁同步發(fā)電機(jī)的額定功率為1 000 W，額定線電壓峰值為50 V，額定轉(zhuǎn)速600r/min。在不影響仿真效果的情況下，系統(tǒng)的仿真時(shí)間設(shè)置為0.1s。

圖8 用戶負(fù)載端的三相電壓電流波形

3.2 仿真分析

為有效仿真系統(tǒng)各部分的特性，在模型中設(shè)置基本風(fēng)速3.5m/s，陣風(fēng)峰值為1m/s，漸變風(fēng)最大值為5m/s，隨機(jī)風(fēng)最大最小之分別為0.2m/s和-0.1m/s，風(fēng)速仿真效果如圖5所示。

在變化風(fēng)速的影響下，風(fēng)力機(jī)帶動(dòng)永磁同步發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速變化曲線如圖6所示。

由于在低風(fēng)速下風(fēng)力所發(fā)電量難以支持負(fù)載運(yùn)行，所以此時(shí)蓄電池電流i*＞0，蓄電池處于放電狀態(tài)；在風(fēng)力機(jī)得達(dá)到額定風(fēng)速或大于額定風(fēng)速時(shí)，發(fā)電機(jī)所發(fā)電量除了供應(yīng)負(fù)載運(yùn)行外，同時(shí)還給蓄電池充電，此時(shí)i*＜0。蓄電池的電量變化和電壓電流曲線如圖7所示。負(fù)載兩端電壓電流成正弦波形，符合負(fù)荷使用需求，波形變化如圖8所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過利用Matlab對(duì)離網(wǎng)小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型的建立更簡(jiǎn)便、直觀，同時(shí)利用Matlab系統(tǒng)強(qiáng)大的人機(jī)交互模式，使仿真結(jié)果能夠有效地逼近實(shí)際運(yùn)行情況。本系統(tǒng)除了將風(fēng)力發(fā)電機(jī)的各組成部分建模仿真，還將配套系統(tǒng)——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(wěn)定直流電壓、提供持續(xù)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(yàn)證了在Matlab環(huán)境下所搭建模型的正確性。

[1]王文博，李宏，程昊.離網(wǎng)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組整流器仿真研究[J].測(cè)控技術(shù)，2010，29（5）：99-101.

[2]李巖.垂直軸風(fēng)力機(jī)技術(shù)講座（六）[J].可再生能源，2009，2（6）：118-120.

[3]李建林，許洪華.風(fēng)力發(fā)電中的電力電子變流技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[4]魏毅立，韓素賢，時(shí)盛志.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中組合風(fēng)速的建模及仿真[J].可再生能源，2010，28（4）：18-20.

[5]王心塵.基于Matlab/simulink的垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].廈門：廈門大學(xué)，2008.

[6]薛玉石，韓力，李輝.直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2008，35（4）：1-5.

[7]溫彩鳳，汪建文，代元軍，等.永磁發(fā)電機(jī)在離風(fēng)型風(fēng)電系統(tǒng)中運(yùn)行特性的測(cè)試分析[J].中國(guó)測(cè)試，2011，37（5）：63-67.

[8]孟強(qiáng)，潘建.FD5-3000型小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其互不運(yùn)行[J].可再生能源，2003（5）：37-38.

[9]許寅，陳穎，梅生偉.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組暫態(tài)仿真模型[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011，35（9）：100-107.