王 美 ， 溫彩鳳 ，2

（1.呼和浩特職業(yè)學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學能源與動力工程學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

0 引 言

離網(wǎng)小型風力發(fā)電是20世紀80年代興起的一項新能源技術，它以經(jīng)濟、方便、實用的特點成為風電技術的一個重要方向[1]。我國把開發(fā)小型風力發(fā)電技術作為實現(xiàn)農(nóng)村電氣化的重要措施之一，主要研制、示范和應用小型風力發(fā)電機組，供邊關哨所、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，風力發(fā)電是發(fā)展最快、技術成熟并具備快速成為主流的可再生能源。在大趨勢的驅動下，離網(wǎng)小型風電受到重視，對其系統(tǒng)的建模和仿真也就變的愈為重要。

1 離網(wǎng)小型風力發(fā)電系統(tǒng)

為降低系統(tǒng)成本和復雜性，農(nóng)村戶用小型風力發(fā)電機采用變速恒頻的直驅式永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)，由于發(fā)電機輸出電壓的幅值和頻率總在隨著風速的變化而變化，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。風力發(fā)電具有間歇性的特點，目前，在國內(nèi)外，沒有任何風電設備可以實現(xiàn)獨立電力供應，無風時即無法供電。為了延長供電時間，保證風力發(fā)電機的輸出功率穩(wěn)定，在直流側安裝蓄電池[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，該方案結構簡單、可靠性高、成本低、技術瓶頸小，另外由于電力二極管的單向導通性，可以有效防止在無風的情況下蓄電池功率倒送到發(fā)電機側[3]。

逆變部分采用SPWM全功率逆變技術，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

風力發(fā)電機各組成部分的模型均在Matlab環(huán)境下建立。

2.1 風速模型

由于風速具有隨機性和間歇性的特點，本文的風速模型采用四分量疊加法的風速模型[4-5]，表達式為

其中：

（1）基本風?；撅Lνb描述的是風電場基本風速的變化情況。可用威布爾（Weibull）分布描述風電場的年度平均風速的變化

尺度參數(shù)c和形狀參數(shù)k可根據(jù)風電場的實測數(shù)據(jù)估算。

（2）陣風。陣風νg描述的是風電場風速的突然變化的情況。數(shù)學模型為

式中：νg——陣風風速（m/s）；

νgmax——陣風峰值（m/s）；

T1——陣風啟動時間（s）；

Tg——陣風周期（s）；

t——時間（s）。

（3）漸變風。漸變風νr描述的是風度的漸變特性。其數(shù)學模型為

式中：νr——漸變風風速（m/s）；

νrmax——漸變風最大值（m/s）；

T——漸變風保持時間（s）；

Tr1——漸變風起始時間（s）；

Tr2——漸變風終止時間（s）。

（4）隨機風。隨機風νt模擬的是風速變化的隨機特性。其數(shù)學模型為

圖1 離網(wǎng)小型風力發(fā)電系統(tǒng)原理圖

圖2 風速模型封裝后的參數(shù)設置對話框

式中：νt——隨機風的風速（m/s）；

νtmax——隨機風的最大值（m/s）；

Random（-1，1）——為-1和1之間均勻分布的隨機變量；

ων——風速波動的平均距離（rad/s）；

φν——0～2π間服從均勻概率分布的隨機量。

根據(jù)數(shù)學模型建立的風速的Matlab模型和封裝后的參數(shù)設置對話框如圖2所示。

（5）當用戶需要對電子數(shù)據(jù)進行下載或查詢訪問操作時，系統(tǒng)根據(jù)用戶請求、用戶授權請求，將用戶信息與需要訪問的數(shù)據(jù)建立對應的映射關系，然后用戶便可以進行操作。

2.2 風力機模型

一臺風輪半徑為R的風輪機，在風速為ν時，所產(chǎn)生的機械功率為

機械轉矩為

式中：ρ——空氣密度（kg/m3）；

Cp（β，λ）——風輪機的功率系數(shù)。

根據(jù)數(shù)學模型建立的風力機的Matlab模型如圖3所示。

2.3 永磁同步發(fā)電機模型

為了分析永磁同步發(fā)電機的動態(tài)性能，基于dq旋轉坐標軸建立起數(shù)學模型如下：

電壓方程為

磁鏈方程為

電磁轉矩方程為

式中：ud、uq——電機端電壓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)電機轉子極對數(shù)。

2.4 蓄電池模型

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

鉛酸電池的放電數(shù)學模型（i*＞0）為

充電數(shù)學模型（i*＜0）為

圖3 風力機模型

圖4 離網(wǎng)小型風力發(fā)電系統(tǒng)模型

圖5 風速仿真效果圖

式中：it——放電容量（Ah）；

i*——低頻動態(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)間動態(tài)反應電壓（V）；

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

3 離網(wǎng)小型風力發(fā)電系統(tǒng)的建模與仿真分析

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

圖6 永磁同步發(fā)電機轉速和電磁轉矩

3.1 搭建系統(tǒng)

把建立的各部分模型按照預先設計方案進行連接，搭建整個離網(wǎng)小型風力發(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，把風力發(fā)電機發(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，直流側電壓不會隨風力發(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。

風力機設計的額定風速為9m/s，永磁同步發(fā)電機的額定功率為1 000 W，額定線電壓峰值為50 V，額定轉速600r/min。在不影響仿真效果的情況下，系統(tǒng)的仿真時間設置為0.1s。

圖8 用戶負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，在模型中設置基本風速3.5m/s，陣風峰值為1m/s，漸變風最大值為5m/s，隨機風最大最小之分別為0.2m/s和-0.1m/s，風速仿真效果如圖5所示。

在變化風速的影響下，風力機帶動永磁同步發(fā)電機旋轉發(fā)電，發(fā)電機的轉速隨風速變化曲線如圖6所示。

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

4 結束語

通過利用Matlab對離網(wǎng)小型風力發(fā)電系統(tǒng)進行建模仿真，使風力發(fā)電機模型的建立更簡便、直觀，同時利用Matlab系統(tǒng)強大的人機交互模式，使仿真結果能夠有效地逼近實際運行情況。本系統(tǒng)除了將風力發(fā)電機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，驗證了在Matlab環(huán)境下所搭建模型的正確性。

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