基于MATLAB的風(fēng)力發(fā)電模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

何佳旺 魏立明

（吉林建筑大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)學(xué)院 長春 130118）

引言

風(fēng)力發(fā)電由于風(fēng)能的不確定性，使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)對風(fēng)能的有效利用造成困難，且風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際操作困難性造成很難在低成本的條件下觀察不同風(fēng)速下風(fēng)機(jī)的各部分運(yùn)行參數(shù)[1，2]。故本文通過MATLAB模擬實(shí)驗(yàn)仿真平臺對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一次回路進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真，采取PLC控制策略，在得出占空比與有功功率的關(guān)系基礎(chǔ)上，進(jìn)行MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步分析虛擬仿真平臺的的使用效果，以及驗(yàn)證風(fēng)機(jī)各部分運(yùn)行參數(shù)的準(zhǔn)確性。

1 風(fēng)力發(fā)電模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成

風(fēng)力發(fā)電是通過渦輪機(jī)獲得的風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能用來驅(qū)動風(fēng)力機(jī)，再將此種機(jī)械能傳給發(fā)電機(jī)，用來驅(qū)動發(fā)電機(jī)的快速旋轉(zhuǎn)來產(chǎn)生電能[3，4]。依據(jù)此原理，本文所設(shè)計(jì)模擬實(shí)驗(yàn)平臺系統(tǒng)主要是由三菱FX1n60MR PLC、觸摸屏、頻率轉(zhuǎn)換器、中繼組、風(fēng)電場操作狀態(tài)的顯示單元、輸出顯示單元、端子塊、可調(diào)電阻器、斷路器、網(wǎng)架等相關(guān)模塊構(gòu)成。該系統(tǒng)是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)無外界風(fēng)力干擾的條件下運(yùn)行，因此可以在手動情況下，調(diào)節(jié)此風(fēng)場的風(fēng)速，對風(fēng)力的順時針順時針和逆時針控制，還可以隨時進(jìn)行啟動或者停止偏航系統(tǒng)等操作，忽略外界條件干擾因素。在操作系統(tǒng)觸摸屏?xí)r，當(dāng)輸入風(fēng)場的種種信息以后，關(guān)于系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和偏航狀態(tài)等就會在觸摸屏中顯現(xiàn)出來，風(fēng)場的實(shí)時風(fēng)速和移動方向等信息便可以進(jìn)行查看與記錄，根據(jù)所得數(shù)據(jù)能夠進(jìn)一步研究與分析。

2 實(shí)驗(yàn)平臺總體設(shè)計(jì)方案

本次設(shè)計(jì)是為解決風(fēng)電實(shí)驗(yàn)中那些較難實(shí)現(xiàn)的困難，首先要建立一套切近實(shí)際的平臺作為實(shí)驗(yàn)對象，前提是絕對靜止條件下，對其給風(fēng)，模型會由于受到風(fēng)的作用而開始產(chǎn)生電，觀察實(shí)驗(yàn)對象工作流程以及特定性。本文選用的PLC是三菱，它的標(biāo)準(zhǔn)電壓為220 V交流電。它的作用較多，也是整個系統(tǒng)的控制中心，不但能接收、收集風(fēng)能，確定信號位置和風(fēng)速大小，以及風(fēng)源位置，還可利用這些信號，再配合所對應(yīng)的程序?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)控制的效果，它能通過程序讀出所有信號的對應(yīng)設(shè)備。

一次回路也是此次實(shí)驗(yàn)比不可少的一部分，它是利用將數(shù)個一次設(shè)備進(jìn)行連接制造出一個有效電氣回路。圖1顯示的是由三臺電機(jī)構(gòu)成的一次回路連線圖。電源選擇三相開關(guān)接入，當(dāng)對其施加一個低電壓斷路器時電路中繼電器KA1和KA2會產(chǎn)生220 V的交流電，將電壓傳送到交流電動機(jī)內(nèi)部。

圖1 風(fēng)力發(fā)電模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一次回路

3 風(fēng)力發(fā)電模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)建模及仿真

3.1 風(fēng)力機(jī)模型及系統(tǒng)仿真模型

風(fēng)力機(jī)和永磁同步機(jī)的連接方式是同軸相連，其中發(fā)電機(jī)機(jī)械角速度m需與風(fēng)輪轉(zhuǎn)動速度r相同。利用等式可知其輸出功率為pm時，所對應(yīng)的機(jī)械扭矩為：

風(fēng)力機(jī)仿真模型參數(shù)：其中風(fēng)輪的半徑為R =2 m，空氣密度為 1.225 kg/m3，根據(jù)所給參數(shù)建立仿真模型，如圖2所示。

圖2 風(fēng)力機(jī)仿真模型

3.2 MPPT控制策略模型

圖3為本文所設(shè)計(jì)的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)直流-直流降壓斬波器，還稱Buck電路。

圖3 Buck 降壓斬波器

1）輸出功率的采樣模型

比較前后時刻的輸出功率差值，由MPPT 控制策略反饋輸出功率，進(jìn)行下一步的處理。其中前一采樣時刻的輸出功率是P(n 1)，此刻的實(shí)時輸出功率是P(n)，瞬時輸出功率是P(t)。采用平均值濾波方法，對P(n1) 和 P(n)各采樣五次，然后取平均值?？刂撇蓸哟螖?shù)是Ts，周期為1/5輸出功率采樣時間。當(dāng)采樣次數(shù)達(dá)到5次時，如圖4所示。

圖4 輸出功率采樣模型

2）變步長擾動法 MPPT 仿真模型

比較圖4中 P(n) 和 P(n-1)值的大小。當(dāng) P(n)＜P(n-1)時，則輸出功率趨向于減少方向跟蹤；反之則輸出功率趨向于增加方向跟蹤。如圖5所示。

圖5 占空比調(diào)整模型

圖6是將圖4、圖5兩圖的模型合成一起，組成為 MPPT 控制模型。將多次采集的P(n1)和P(n 1)時刻的輸出功率信息取平均值，將計(jì)算后的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，采用變步長擾動法追蹤最大功率點(diǎn)，保證系統(tǒng)在任何條件下都能夠保持最佳運(yùn)行狀態(tài)，輸出功率保持唯一最大值?？赏ㄟ^ Dcontrol 單元設(shè)置MPPT 策略是擾動觀察法還是變步長 MPPT 控制策略。

圖6 MPPT 控制模型

4 實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果

4.1 Buck 電路仿真結(jié)果與分析

對最大和最小值分別進(jìn)行詳細(xì)討論和仿真模擬，選擇7 m/s的風(fēng)速對Buck電路進(jìn)行電壓與電流的輸入，其中發(fā)電機(jī)可以產(chǎn)生710 V的電壓，而逆變器對應(yīng)的電壓則為900 V，調(diào)節(jié)斬波器占空比為α=0.45，斬波器輸出大小為 400 V 的直流電，但斬波器的輸入電流僅為1.9 A上下。

本文所選用基波是50 Hz，頻率是20 kHz的逆變器，其所自由的低次、高次諧波能夠?qū)崿F(xiàn)頻率的變換，在SPWM波中有3倍基波在其附近，其中150 Hz諧波的周圍居多，為使其滿足正選撥要求，在使用前需要進(jìn)行濾波設(shè)置，通過LC濾波電路進(jìn)行諧波過程叫做低通濾波器。

4.2 輸出功率與占空比特性曲線分析

當(dāng)風(fēng)速V分別為7～10 m/s時， 輸出有功功率與占空比D特性曲線，如圖 8所示。

圖7 斬波器輸入電壓和輸出電壓，電流波形(D=0.7)

圖8 不同風(fēng)速下的輸出有功功率與占空比曲線

由圖8可知，隨著風(fēng)力的加大，有功功率輸出與占空比比值逐漸增大，風(fēng)能利用系數(shù)提高，從而可以得出本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，此結(jié)果說明本文設(shè)計(jì)的小型風(fēng)力系統(tǒng)具有實(shí)際意義。利用多種不同風(fēng)速控制法比較，找到提高功率因數(shù)且實(shí)現(xiàn)跟蹤的快速性，極大的穩(wěn)固了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

本文針對風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，分別對風(fēng)力發(fā)電原理、實(shí)驗(yàn)臺控制系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆?gòu)建以及系統(tǒng)中一次回路仿真等問題進(jìn)行了詳細(xì)地闡述，采用PLC作為技術(shù)方法對其進(jìn)行參數(shù)設(shè)置與控制，利用MATLAB軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真，在不同風(fēng)速下、不同占空比情況下的發(fā)電機(jī)輸出功率，通過仿真結(jié)果分析表明系統(tǒng)在低成本、低消耗下可以實(shí)時查看風(fēng)機(jī)各部分運(yùn)行中參數(shù)的變化，以及輸出功率定量變化。本文所設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性、可靠性和實(shí)用性，為該領(lǐng)域中科研和實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了較好的平臺，具有良好的推廣價值和應(yīng)用前景。