基于MATLAB/Simulink的風儲發(fā)電系統(tǒng)設計

趙嘉興++高偉++上官明霞++劉晉

摘 要 隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，微電網(wǎng)成為目前研究的熱點。風力發(fā)電在脫離大電網(wǎng)進入微網(wǎng)運行時，由于其輸出功率會發(fā)生間歇性波動，引起微電網(wǎng)電壓和頻率的波動。而微電網(wǎng)中的電池儲能系統(tǒng)可以平衡微電網(wǎng)的有功和無功功率。首先介紹風力發(fā)電的數(shù)學模型和基本控制，然后對電池儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和下垂控制原理進行分析，研究在風力發(fā)電離網(wǎng)運行時，通過加入電池儲能系統(tǒng)穩(wěn)定微電網(wǎng)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(tǒng)構(gòu)成的微電網(wǎng)，仿真結(jié)果表明所設計的風儲發(fā)電系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行，學生可以適當修改該系統(tǒng)參數(shù)，了解微電網(wǎng)的運行特性。

關(guān)鍵詞 微電網(wǎng)；風儲發(fā)電系統(tǒng)；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(fā)電系統(tǒng)在并網(wǎng)運行時，有大電網(wǎng)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(fā)電系統(tǒng)不能提供穩(wěn)定的電網(wǎng)電壓和頻率支撐，可以采用儲能系統(tǒng)來支撐微電網(wǎng)的電壓和頻率。文獻[1]提出儲能系統(tǒng)和抽水蓄能來平衡微網(wǎng)中風電功率的隨機波動，同時采用通信方式來監(jiān)控功率平衡情況，整個微網(wǎng)系統(tǒng)控制復雜。文獻[2]針對雙饋感應電機及并聯(lián)型儲能系統(tǒng)組成的孤網(wǎng)，提出孤網(wǎng)能量平衡關(guān)系和分層協(xié)調(diào)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(lián)通信線情況下，儲能系統(tǒng)離網(wǎng)運行時，可以采用雙閉環(huán)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(wǎng)負荷容量增大時，儲能系統(tǒng)采用多機并聯(lián)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(lián)儲能系統(tǒng)不能實現(xiàn)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(wǎng)下，風力發(fā)電輸出功率隨機波動，不能平衡系統(tǒng)功率問題，研究相應的控制策略。首先研究風力發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學模型和基本控制，然后對電池儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和下垂控制原理進行分析，研究在風力發(fā)電離網(wǎng)運行時，通過加入多機并聯(lián)電池儲能系統(tǒng)穩(wěn)定微電網(wǎng)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(tǒng)構(gòu)成的微電網(wǎng)，仿真結(jié)果表明所設計的風儲發(fā)電系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行，學生可以適當修改該系統(tǒng)參數(shù)，了解微電網(wǎng)的運行特性。

2 風力發(fā)電模型

本文重點研究微電網(wǎng)孤島運行時，電池儲能系統(tǒng)平滑風力發(fā)電輸出的功率，穩(wěn)定微電網(wǎng)電壓和頻率。所以本文采用簡單的風力發(fā)電模型，主要包括風力機、鼠籠型感應發(fā)電機（SCIG）等。風力機將風能轉(zhuǎn)換為機械能，SCIG再將機械能轉(zhuǎn)化為電能，SCIG的定子可以通過變壓器直接與電網(wǎng)相連。SCIG一般在其定子側(cè)并聯(lián)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(zhuǎn)角速度，R為風力機槳葉的長度；β為槳距角；cp為風能轉(zhuǎn)換系數(shù)，是關(guān)于λ和β的函數(shù)；ρ為空氣密度；A為葉輪掃過的面積。endprint

其中，風能轉(zhuǎn)換系數(shù)cp的表達式如下：

其風速vwind、轉(zhuǎn)速ω和輸出的機械功率Pm的關(guān)系如圖1所示。從圖中可以看出，當轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)SCIG的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換系數(shù)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(nèi)時，隨著槳距角β的增加，風力機的風能利用系數(shù)cp迅速下降。

在MATLAB/Simulink中搭建風力發(fā)電機模型，單臺鼠籠型感應發(fā)電機的額定輸出功率為275 kVA，其定子側(cè)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(fā)電機的模型如圖3所示。因為忽略了傳動系統(tǒng)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(fā)電機產(chǎn)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(fā)電機所產(chǎn)生的有功功率。

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

3 電池儲能系統(tǒng)多機并聯(lián)控制

隨著微電網(wǎng)容量的增大，電池儲能系統(tǒng)目前普遍采用多機并聯(lián)的方式。電池儲能系統(tǒng)多機并聯(lián)方式目前有兩種方法：有互聯(lián)通信線并聯(lián)和無互聯(lián)通信線并聯(lián)。無互聯(lián)通信線并聯(lián)方式由于控制簡單，能夠?qū)崿F(xiàn)儲能系統(tǒng)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(tǒng)多機無互聯(lián)通信線并聯(lián)控制。下垂控制是無互聯(lián)通信線并聯(lián)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(jù)下垂曲線合理分配多機之間功率。圖4為并聯(lián)儲能系統(tǒng)傳輸線潮流圖，把儲能系統(tǒng)等效成受控電壓源，儲能系統(tǒng)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(guān)系為：

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

實際中，并聯(lián)系統(tǒng)輸出電壓幅值的變化范圍不會很大，可近似認為是個常數(shù)，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(shù)，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(diào)節(jié)儲能系統(tǒng)并網(wǎng)時輸出的功率。

4 風儲系統(tǒng)MATLAB/Simulink仿真

在MATLAB/Simulink中建立包含額定功率為200 kW兩機并聯(lián)儲能系統(tǒng)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(lián)儲能系統(tǒng)仿真參數(shù)如下：

逆變器容量：100 kVA

直流側(cè)電壓：700 V

濾波器電感：1 mH

濾波器電容：150 μF

開關(guān)頻率：5000 Hz

控制器參數(shù)k2：0.5

控制器參數(shù)kp：2

控制器參數(shù)ki：100

引線阻抗：0.45 Ω

有功下垂系數(shù)：0.5e-5

無功下垂系數(shù)：6e-4

仿真系統(tǒng)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(tǒng)能夠抑制風電輸出功率的波動，使風儲系統(tǒng)的功率得到平衡。

如圖7所示，風儲系統(tǒng)的頻率和電壓會發(fā)生波動，但能夠保持在國家標準規(guī)定的允許范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

本文首先闡述風力發(fā)電系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換的基本原理，在MATLAB/Simulink中進行模型搭建，采用電池儲能系統(tǒng)來平衡風力發(fā)電系統(tǒng)在孤網(wǎng)下功率不平衡問題。電池儲能系統(tǒng)采用下垂控制，實現(xiàn)無互聯(lián)通信線情況下的多機并聯(lián)穩(wěn)定運行。最后在MATLAB/Simulink中搭建孤網(wǎng)情況下的風儲發(fā)電系統(tǒng)，仿真結(jié)果驗證了所提出的風儲發(fā)電系統(tǒng)的有效性和可行性。學生可以適當修改該系統(tǒng)參數(shù)，了解微電網(wǎng)的運行特性。

參考文獻

[1]Cendoya M G， Toccaceli G M， Battaiotto P E. Microgrid for

remote areas with Water Pumping， based on wind-diesel DER and Energy Storage[J].Innovative Smart Grid Technologies Latin America （ISGT LATAM），2015：154-159.

[2]彭思敏，王晗，蔡旭，等.含雙饋感應發(fā)電機及并聯(lián)型儲能系統(tǒng)的孤網(wǎng)運行控制策略[J].電力系統(tǒng)自動化，2012（23）：

23-28.

[3]朱觀煒，譚偉璞，閆濤，等.基于RT-LAB的儲能系統(tǒng)離網(wǎng)運行控制策略研究[J].現(xiàn)代電力，2016（6）：33-36.

[4]謝玲玲，時斌，華國玉，等.基于改進下垂控制的分布式電源并聯(lián)運行技術(shù)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2013（4）：992-998.

[5]陸曉楠，孫凱，黃立培，等.孤島運行交流微電網(wǎng)中分布式儲能系統(tǒng)改進下垂控制方法[J].電力系統(tǒng)自動化，

2013（1）：180-185.

[6]Wu Q， Sun X， Hao Y. A SoC control strategy based on wire-less droop control for energy storage systems in ac islanded micro

grid[R].IEEE International Power Electronics and Motion Control

Conference （IPEMC-ECCE Asia），2016：2893-2898.

[7]鮑薇，胡學浩，李光輝，等.獨立型微電網(wǎng)中基于虛擬阻抗的改進下垂控制[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2013（16）：

7-13.

[8]郭瑞宙.電池儲能變流器半實物仿真平臺構(gòu)建及其控制機理研究[D].北京：華北電力大學，2013.endprint