基于malabsimulink的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)建模與仿真

基于malabsimulink的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)建模與仿真

20世紀(jì)80年代，大型離網(wǎng)發(fā)電是一項(xiàng)新能源技術(shù)。它已成為重要的風(fēng)電工程技術(shù)的一個(gè)重要方向。我國(guó)把小型風(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進(jìn)行開發(fā),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。我國(guó)有著豐富的風(fēng)能資源,隨著促進(jìn)新能源發(fā)展和節(jié)能環(huán)保等戰(zhàn)略性政策的出臺(tái),風(fēng)電產(chǎn)業(yè)得到了迅速發(fā)展,風(fēng)力發(fā)電成為發(fā)展最快、技術(shù)最成熟并具備快速成為主流可再生能源的電源1變壓恒頻電路為降低系統(tǒng)成本和復(fù)雜性,農(nóng)村戶用小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)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)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不同系統(tǒng)的模型建設(shè)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),本文中的風(fēng)速模型采用四分量疊加法的風(fēng)速模型2.1.1基本風(fēng)格基本風(fēng)v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。2.1.2配置陣風(fēng)v式中,v2.1.3斜風(fēng)吹漸變風(fēng)v式中,v2.1.4隨機(jī)風(fēng)隨機(jī)風(fēng)v式中,v2.2風(fēng)力機(jī)的matlab模型一臺(tái)風(fēng)輪半徑為R的風(fēng)輪機(jī),在風(fēng)速為v時(shí),所產(chǎn)生的機(jī)械功率為其中λ為葉尖速比,表達(dá)式為機(jī)械轉(zhuǎn)矩為式中,ρ為空氣密度,kg/m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)模型永磁同步發(fā)電機(jī)不需要電勵(lì)磁,具有效率高、運(yùn)行可靠、噪聲小,維護(hù)量小、風(fēng)速適應(yīng)范圍寬,控制簡(jiǎn)單、有功和無功控制靈活等諸多顯著優(yōu)點(diǎn),在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中越來越受到歡迎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)模型如下電壓方程磁鏈方程電磁轉(zhuǎn)矩方程式中,u2.4儲(chǔ)能單元的確定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。鉛酸電池的放電數(shù)學(xué)模型(i充電數(shù)學(xué)模型(i式中,it為放電容量,Ah;i3模型的matlab模型除了在上文中構(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。3.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原理把以上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1000W,額定線電壓峰值為50V,額定轉(zhuǎn)速600r/m。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。3.2風(fēng)速仿真及特性為有效仿真系統(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)最大最小值分別為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,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)。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驗(yàn)證了理論模型通過利用Matlab對(duì)離網(wǎng)小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真。在系統(tǒng)中,蓄電池起到了穩(wěn)定直流電壓,提供持續(xù)電源的作用,為滿足用戶需求起到