李偉棟

(中南勘測設(shè)計研究院，湖南 長沙 410014)

基于MATLAB的風力發(fā)電系統(tǒng)單相整流/逆變電路仿真研究

李偉棟

(中南勘測設(shè)計研究院，湖南 長沙 410014)

介紹了風力發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換，風力發(fā)電機的發(fā)展，以及并網(wǎng)換流器。搭建了基于MATLAB/Simulink的單相整流/逆變電路仿真模型，并對該模型進行仿真，仿真結(jié)果表明，搭建的單相整理/逆變電路能較好的模擬風力發(fā)電系統(tǒng)變流器的工作過程，對進一步提高變流器的性能具有促進作用。

風力發(fā)電機;整流/逆變電路;換流器;MATLAB/Simulink

1 引言

隨著能源危機的不斷加劇，環(huán)境的日益惡化，可再生能源尤其是風能的開發(fā)利用得到各國的廣泛關(guān)注。從上世紀80年代至今的三十多年中，系列風力發(fā)機的額定功率與直徑增長十分迅速[1]。目前的風力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電過程為先將風電機發(fā)出的交流電整流成直流，再將直流電逆變?yōu)轭l率為50Hz的交流電，這其中，整流/逆變電路是風力發(fā)電系統(tǒng)的核心模塊之一，因此對該模塊進行研究具有重要的意義。本文通過MATLAB/Simulink仿真軟件對單相/逆變電路進行研究，并搭建一個仿真模型。

2 風力發(fā)電系統(tǒng)介紹

2.1 風力發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換

人類在數(shù)千年前已經(jīng)開始利用風能，早期主要利用風力或風力機直接將風力轉(zhuǎn)化為機械能提供動力，例如，帆船、風車磨面、風車碾米等。而風力發(fā)電則是風機通過利用風能轉(zhuǎn)化為機械能，再利用發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)換為電能。風機的類型有許多，發(fā)電機的類型也比較多，但是其基本能量轉(zhuǎn)化過程是一樣的[2]，如圖1所示。

圖1 風電系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化過程

2.2 風力發(fā)電機的發(fā)展[3]

最初階段，風力發(fā)電機采用的是同步發(fā)電機，之后慢慢轉(zhuǎn)向鼠籠式異步發(fā)電機。無論是傳統(tǒng)的同步發(fā)電機或是鼠籠式異步發(fā)電機都是直接并網(wǎng)恒速運行。采用這種并網(wǎng)運行方式最大的優(yōu)點是投資小、系統(tǒng)配置簡單，然而其對電力系統(tǒng)的影響比較大，降低了電能質(zhì)量。因為這種方式會由于風速波動引起氣動轉(zhuǎn)矩波動使風輪機葉片、傳動鏈和塔架等承受很高的機械應(yīng)力，并且造成發(fā)電機輸出功率波動。

所以，直接并網(wǎng)恒速運行方式僅適合小規(guī)模、小型風力發(fā)電機并入無窮大電網(wǎng)。

隨著發(fā)電機、風輪機、控制技術(shù)以及電力電子技術(shù)迅速發(fā)展，風力發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)變速運行。變速運行具有如下優(yōu)點：

(1) 允許對槳距控制的時間常數(shù)較大，從而減小了所需的最大調(diào)節(jié)功率以及降低槳距控制的復(fù)雜性；

(2) 提高了電能質(zhì)量；

(3) 減小了噪音；

(4) 降低了機械應(yīng)力；

(5) 提升了系統(tǒng)效率。

圖2所示為變速運行風力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電機和電力電子配置方式。

圖2 變速運行風力發(fā)電系統(tǒng)中的發(fā)電機和電

2.3 風電系統(tǒng)并網(wǎng)換流器

由于風速的不穩(wěn)定會使風力發(fā)電機輸出的電壓和頻率也不穩(wěn)定，現(xiàn)階段最好的解決辦法是在發(fā)電機定子繞組和電網(wǎng)之間配置變頻換流器。目前的變頻換流器一般是交-直-交結(jié)構(gòu)，就是一個整流電路和一個逆變電路的結(jié)合。其工作過程為：先將風力發(fā)電機發(fā)出的交流電壓整成直流電壓，再將直流電壓逆變成頻率，幅值以及相位都符合要求的交流電，并輸送至電網(wǎng)。由于電力電子能夠?qū)崿F(xiàn)快速和精確的控制，因此由于風速變化造成的電壓與頻率的波動不會對電網(wǎng)造成太大的影響[2，4]。典型的單相變流電路如圖3所示。

圖3 風力發(fā)電系統(tǒng)單相變流電路

2 基于MATLAB/Simulink單相整流/逆變電路仿真模型搭建

本文通過MATLAB/Simulink平臺搭建一個風力發(fā)電機單相整流/逆變電路，來對風力發(fā)電系統(tǒng)的變流器進行研究[5]。圖4所示為風力發(fā)電系統(tǒng)整流/逆變電路仿真模型。

圖4 風力發(fā)電系統(tǒng)整流/逆變電路仿真模型

系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置為：

(1) 采用一個電壓源代替風力發(fā)電機，該電壓源的頻率為40Hz,幅值為1500V；

(2) L1與C1構(gòu)成了一個低通濾波器，L1=100mH,C1=2000μF；

(3) L2與C2構(gòu)成一個低通濾波器，L1=15mH,C2=600μF;

(4) 負載Load為有功功率10kW。

具體仿真波形如下圖所示。

(1)圖5為Scope5所輸出波形，表示電壓源所輸出電壓。

圖5 電壓源所輸出的電壓波形

(2)圖6為Scope4所輸出波形，表示為整流橋輸出的電流。

圖6 整流橋輸出的電流波形

(3)圖7為Scope3輸出波形，表示為整流橋輸出的電壓。

圖7 整流橋輸出的電壓波形

(4)圖8為Scope1輸出波形，表示為風電系統(tǒng)注入電網(wǎng)的電流。

圖8 風電系統(tǒng)注入電網(wǎng)的電流波形圖

(5)圖9為Scope2輸出波形，表示為風電系統(tǒng)輸出到電網(wǎng)電壓的波形。

圖9 風電系統(tǒng)輸出到電網(wǎng)電壓的波形

由圖5～圖9可知，本文所搭建的基于MATLAB/Simulink單相逆變仿真模型能較好的反應(yīng)風電系統(tǒng)變流器的工作過程，為研究風電單相變流器提供了一種參考方案。

3 結(jié)論

本文通過搭建MATLAB/Simulink平臺搭建了單相逆變電路仿真模型。在仿真過程中通過研究電壓源輸出波形、整流橋輸出的電流波形、整流橋輸出的電壓波形、風電系統(tǒng)注入電網(wǎng)的電流波形圖、風電系統(tǒng)輸出到電網(wǎng)電壓的波形可知，本文搭建的模型是正確的，可為研究風力發(fā)電系統(tǒng)變流器提供一種參考方案。

[1] 廖明夫，R.Gasch，J.Twele.風力發(fā)電技術(shù)[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社，2009.

[2] 朱永強，張旭.風電場電氣系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[3] 孫春順.風力發(fā)電系統(tǒng)運行與控制方法研究[D].湖南大學(xué)，2008.

[4] 李建林，許洪華,等.風力發(fā)電中的電力電子變流技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[5] 李維波.MATLAB在電氣工程中的應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，2007.

Simulation Study on the Single-Phase Commutating/ContravaviantCircuit of Wind Power Generation System

LIWei-dong

(Zhongnan Survey Design Reserach Institute,Changsha 410014,China)

The paper presents the energy conversion of wind power generation,development of wind power generator and combined network converter.A singl-phase commutating/contravaiant circuit simulation model based on MATLAB/Simulink was built and simulate the model.The simulation shows that the single-phase arrangement/contraviant circuit wich has been built can better simulate the process of wind power generation system inverter and has facilitation increasing inverter performance.

wind power generator;commutating/contrant circuit;converter;MATLAB/Simulink

安友彬(1986-)，男，碩士，主要研究方向為風力發(fā)電控制及自適應(yīng)控制； 李春茂(1963-)，男，博士，教授，主要研究方向智能控制、網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)自適應(yīng)控制。

1004-289X(2014)02-0033-03

TM46

B

2013-09-11