張子皿，馮賓春

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 北京中水科水電科技開(kāi)發(fā)有限公司，北京 100038）

基于交流母線的獨(dú)立風(fēng)電系統(tǒng)建模與仿真*

張子皿，馮賓春

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 北京中水科水電科技開(kāi)發(fā)有限公司，北京 100038）

本文介紹了基于交流母線的獨(dú)立風(fēng)電系統(tǒng)的組成及結(jié)構(gòu)，并利用matlab/simulink建立了完整的系統(tǒng)模型，對(duì)交流電網(wǎng)的建立、風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)、蓄電池充放電、電子卸荷環(huán)節(jié)進(jìn)行了仿真研究。仿真結(jié)果表明了該系統(tǒng)模型的正確性與有效性。

交流母線； 獨(dú)立風(fēng)電系統(tǒng)；仿真

0 引言

在遠(yuǎn)離電網(wǎng)的地區(qū)，獨(dú)立供電系統(tǒng)成為人們最需要的供電方式。隨著近些年來(lái)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，獨(dú)立運(yùn)行的小型風(fēng)力發(fā)電設(shè)備得到了廣泛的應(yīng)用。基于交流母線的獨(dú)立風(fēng)電系統(tǒng)是將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)能裝置及控制裝置等集成而形成的可控獨(dú)立供電系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、多工況運(yùn)行、包含大量電力電子設(shè)備等特點(diǎn)，因此建立系統(tǒng)的仿真模型是分析其復(fù)雜的電磁機(jī)電暫態(tài)過(guò)程、優(yōu)化運(yùn)行、系統(tǒng)穩(wěn)定性等各項(xiàng)技術(shù)研究的必要手段。

目前，針對(duì)獨(dú)立電網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型的研究不是很多，文獻(xiàn)[1]建立了基于直流母線的風(fēng)光互補(bǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型，并對(duì)電網(wǎng)并網(wǎng)和獨(dú)立運(yùn)行兩種模式的過(guò)渡狀態(tài)及功率流向進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[2] 只對(duì)研究了獨(dú)立電網(wǎng)從并網(wǎng)模式向孤網(wǎng)模式轉(zhuǎn)換的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行了仿真研究，沒(méi)有對(duì)蓄電池的充放電特性進(jìn)行研究。本文介紹了基于交流母線的獨(dú)立風(fēng)電系統(tǒng)的組成及結(jié)構(gòu)，并建立了完整的系統(tǒng)模型，對(duì)系統(tǒng)中獨(dú)立電網(wǎng)的建立、風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)、蓄電池充放電、電子卸荷等環(huán)節(jié)進(jìn)行了仿真研究。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于交流母線的獨(dú)立風(fēng)電系統(tǒng)包括由風(fēng)電機(jī)組、卸荷裝置、并網(wǎng)逆變器組成的動(dòng)力子系統(tǒng)，由雙向逆變器、蓄電池組組成的電網(wǎng)子系統(tǒng)，以及用電負(fù)載子系統(tǒng)。整套系統(tǒng)用電完全由風(fēng)力發(fā)電設(shè)備提供能源，交流母線間通過(guò)電力電子設(shè)備進(jìn)行能量交換以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于交流母線的獨(dú)立風(fēng)電系統(tǒng)

2 獨(dú)立交流電網(wǎng)數(shù)學(xué)模型

2.1 動(dòng)力子系統(tǒng)

2.1.1 風(fēng)電機(jī)組模型

風(fēng)電機(jī)組的功率輸出由式（1）給出：

其中：Pm為風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械輸出功率（W）；cp為風(fēng)電機(jī)組特性相關(guān)的系數(shù)；ρ為空氣密度（kg/m3）；A為槳葉掃過(guò)的面積（m2）；v為風(fēng)速（m/s）；λ為葉尖速比；β為槳距（ °）。

2.1.2 發(fā)電機(jī)模型

在電機(jī)模型的電氣部分和機(jī)械部分組成。其電氣系統(tǒng)方程為：

機(jī)械系統(tǒng)方程為：

其中：Ld，Lq為q和d軸的電感；R為定子繞組阻抗；iq，id為q和d軸的電流；vq，vd為q和d軸的電壓；ωr為轉(zhuǎn)子角速度；λ為定子每相磁通峰值；p為電機(jī)極對(duì)數(shù)；Te為電磁轉(zhuǎn)距；J為電機(jī)軸側(cè)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；F為電機(jī)軸側(cè)的粘滯摩擦；θ為電機(jī)轉(zhuǎn)子角度位置；Tm為機(jī)械轉(zhuǎn)矩。

通過(guò)采用SimPowerSystem的模塊建立風(fēng)電機(jī)組模型如圖2所示。

2.1.3 并網(wǎng)逆變器

圖2 風(fēng)電機(jī)組仿真模型

并網(wǎng)逆變器由3個(gè)單相逆變器組合成為一個(gè)三相逆變器，如圖3所示。3個(gè)單相逆變器的參數(shù)完全相同，3個(gè)N線端子連接在一起形成中性點(diǎn)，3個(gè)L端子對(duì)應(yīng)A, B, C三相，連接三相電網(wǎng)，如圖4所示。并網(wǎng)逆變器的輸出濾波器開(kāi)環(huán)特性由一階慣性環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)表示，并網(wǎng)逆變器輸出電流通過(guò)鎖相環(huán)與電網(wǎng)電壓保持同步，實(shí)現(xiàn)功率輸出。

2.1.4 卸荷裝置

電子卸荷裝置用于防止由于輸入輸出功率不平衡導(dǎo)致的母線電壓過(guò)壓。當(dāng)母線電壓保護(hù)裝置檢測(cè)到母線電壓信號(hào)超過(guò)一定值時(shí)，觸發(fā)保護(hù)裝置，將多余的能量消耗到母線卸荷裝置上。電子卸荷裝置主要由兩部分組成：AC/DC整流器和母線電壓的保護(hù)裝置，如圖5所示。整流器為三相半橋二極管整流，為了平滑輸出直流電壓，直流輸出部分采用了LC濾波器。

2.2 電網(wǎng)組建子系統(tǒng)

2.2.1 雙向逆變器

圖3 三相并網(wǎng)逆變器

圖4 單相逆變器仿真模型

圖5 電子卸荷的仿真模型

圖6 DC/DC變換器仿真模型

雙向逆變器由3個(gè)相位互差120°的單相逆變器組成。3個(gè)單相雙向逆變器的零線連接在一起，形成中性線。輸出三相電壓的端子按正相序排列，分別為L(zhǎng)1，L2和L3。單相雙向逆變器由兩部分組成，即DC/DC部分和DC/AC部分。DC/DC 、DC/AC變換器的仿真模型如圖6、7所示。

2.2.2 蓄電池

蓄電池一般可以近似等效為電動(dòng)勢(shì)和電阻的串聯(lián)[3]。由于電動(dòng)勢(shì)和電阻受蓄電池初始狀態(tài)、溫升以及蓄電池電量等因素的影響，是一個(gè)變化的量，所以單從數(shù)學(xué)表達(dá)式對(duì)其描述是比較復(fù)雜的。本文通過(guò)查閱蓄電池廠商提供的反映相關(guān)參數(shù)間對(duì)應(yīng)關(guān)系的測(cè)試數(shù)據(jù)表格或曲線，使用Matlab/Simulink 中的模塊通過(guò)查表的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)蓄電池的充電/放電曲線。圖8給出了根據(jù)蓄電池模型輸入?yún)?shù)計(jì)算的鉛酸蓄電池放電曲線。

3 系統(tǒng)仿真結(jié)果

將以上各部分整合，利用 Matlab提供的電力系統(tǒng)模塊在 Simulink環(huán)境下對(duì)設(shè)計(jì)的獨(dú)立交流母線風(fēng)電系統(tǒng)建了了仿真模型如圖9所示[4]，并對(duì)系統(tǒng)各工作環(huán)節(jié)進(jìn)行了仿真。獨(dú)立交流電網(wǎng)系統(tǒng)的負(fù)載為4臺(tái)1.5 kW電機(jī)。

3.1 獨(dú)立電網(wǎng)建立及風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)過(guò)程仿真

雙向逆變器在獨(dú)立電網(wǎng)系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程中最先啟動(dòng)，建立穩(wěn)定的三相輸出電壓。仿真中設(shè)置系統(tǒng)在0.02s時(shí)刻啟動(dòng)，啟動(dòng)波形見(jiàn)圖10。當(dāng)雙向逆變器建立起穩(wěn)定的輸出電壓后，并網(wǎng)逆變器即可以并網(wǎng)，開(kāi)始發(fā)電運(yùn)行。圖11為并網(wǎng)逆變器的并網(wǎng)發(fā)電過(guò)程。發(fā)電時(shí)刻的風(fēng)電機(jī)組參數(shù)為：風(fēng)速12m/s，初始轉(zhuǎn)速0m/s,最大發(fā)電功率10kW（2x5kW），并網(wǎng)逆變器輸出功率上升斜率限制10kW/s。從仿真中可以看到，在并網(wǎng)逆變器設(shè)計(jì)參數(shù)合適的情況下，風(fēng)電機(jī)組發(fā)出的功率可以平穩(wěn)地并入電網(wǎng)中。

3.2 蓄電池充放電過(guò)程仿真

圖7 DC/AC變換器仿真模型

圖8 鉛酸蓄電池放電曲線

并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)后對(duì)蓄電池的影響，分為兩種情況：即蓄電池充滿的情況和蓄電池沒(méi)有充滿的情況。對(duì)于蓄電池沒(méi)有充滿的情況，隨著并網(wǎng)功率的增加，蓄電池充電電流增加，直到穩(wěn)態(tài)充電電流，同時(shí)蓄電池輸出電壓緩慢上升，直到蓄電池電量充滿。這個(gè)過(guò)程見(jiàn)圖12，仿真中設(shè)置初始電量50%。當(dāng)蓄電池電量已經(jīng)充滿，如果沒(méi)有任何保護(hù)措施，雙向逆變器將繼續(xù)向蓄電池充電，引起過(guò)充，從而縮短蓄電池的使用壽命，圖13給出了蓄電池在充滿情況下的電壓、電流波形。

3.3 電子卸荷仿真

圖14給出了在風(fēng)速突增的情況下并網(wǎng)逆變器的直流母線電壓波形。母線電壓在卸荷裝置的控制下，電壓基本穩(wěn)定。因此對(duì)于獨(dú)立電網(wǎng)應(yīng)用，系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須考慮選擇功率匹配的卸荷裝置以避免風(fēng)力發(fā)電輸入功率過(guò)大引起的蓄電池過(guò)充問(wèn)題。

圖9 系統(tǒng)仿真模型

圖10 雙向逆變器三相電壓建立過(guò)程（三相，相-地）

圖11 并網(wǎng)逆變器的發(fā)電過(guò)程（上：獨(dú)立電網(wǎng)電壓；下：并網(wǎng)電流）

圖12 蓄電池充電，SOC=50%（上：并網(wǎng)電流；中：電池電壓；下：電池電流）

圖13 蓄電池充電，SOC=100%（上：并網(wǎng)電流；中：蓄電池電壓；下：蓄電池電流）

圖14 甩負(fù)荷時(shí)的并網(wǎng)逆變器輸入直流電壓

4 結(jié)論

本文通過(guò)matlab/simulink建立了包括風(fēng)電機(jī)組、并網(wǎng)逆變器、電子卸荷裝置、雙向逆變器、蓄電池的完整交流母線獨(dú)立風(fēng)電系統(tǒng)仿真模型，該模型可以對(duì)獨(dú)立電網(wǎng)的建立、獨(dú)立電網(wǎng)并網(wǎng)、蓄電池充放電、電子卸荷過(guò)程進(jìn)行仿真研究。仿真結(jié)果表明了系統(tǒng)模型建立的正確性，通過(guò)該模型的仿真可以進(jìn)一步研究基于交流母線的獨(dú)立電網(wǎng)系統(tǒng)各工況的系統(tǒng)特性及控制方式的優(yōu)化，具有實(shí)際意義。

[1]郭天勇,趙庚申,趙耀等.基于風(fēng)光互補(bǔ)的微網(wǎng)系統(tǒng)建模與仿真[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2010,38（21）:104-108.

[2]郭力,王成山.含多種分布式電源的微網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2009,33（2）:82-86.

[3]韋莉,張逸成,朱學(xué)軍等.基于 MATLAB的大功率電源系統(tǒng)的建模與仿真[J].系統(tǒng)仿真技術(shù),2009,5（3）:202-207.

[4]薛定宇.基于 MATLAB/Simulink 的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社,2002.

Modeling and Simulation of Independent Wind Power System Based on the AC Bus

Zhang Zimin, Feng Binchun
(China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing IWHR Technology Co., Ltd., Beijing 100038, China)

This paper introduced the composition and structure of independent wind power system based on AC bus, and established the complete system using matlab/simulink model. Also, study for the establishment of AC power grid , wind turbine interconnection, the battery release charge and electronic unloading process had been carried on. The simulation result showed that the right and the effectiveness of the system model.

AC bus; independent wind power system; simulation

TM614

A

1674-9219(2013)08-0060-07

中國(guó)水利水電科學(xué)研究院科研專項(xiàng)（技集1249）。

2013-05-02。

張子皿（1984-），男，碩士，工程師，主要從事新能源應(yīng)用和自動(dòng)化控制工作。