基于malabsimulink的小型风力发电系统建模与仿真

基于malabsimulink的小型风力发电系统建模与仿真

20世纪80年代，大型离网发电是一项新能源技术。它已成为重要的风电工程技术的一个重要方向。我国把小型风力发电技术作为实现农村电气化的重要措施之一进行开发,主要研制、示范和应用小型风力发电机组,供边关哨所、离网散居的农牧民和渔民一家一户使用。我国有着丰富的风能资源,随着促进新能源发展和节能环保等战略性政策的出台,风电产业得到了迅速发展,风力发电成为发展最快、技术最成熟并具备快速成为主流可再生能源的电源1变压恒频电路为降低系统成本和复杂性,农村户用小型风力发电机系统采用变速恒频的直驱式永磁同步风力发电系统,由于发电机输出电压的幅值和频率总在随着风速的变化而变化,因此需要经过整流逆变装置变换成恒压恒频的交流电才能供用户使用。风力发电具有间歇性的特点,目前,在国内外,没有任何风电设备可以实现独立电力供应,无风时即无法供电,为了延长供电时间,保证风力发电机的输出功率稳定,在直流侧安装蓄电池在本系统中,整流部分使用不可控整流电路,采用二极管整流,该方案结构简单,可靠性高,成本低,技术瓶颈小,另外由于电力二极管的单向导通性,可以有效防止在无风的情况下蓄电池功率倒送到发电机侧逆变部分采用SPWM全功率逆变技术,把直流电逆变成电压稳定的三相交流电,再通过变压器升压到用户需求的电压供用户使用。2不同系统的模型建设2.1风速模型由于风速具有随机性和间歇性的特点,本文中的风速模型采用四分量叠加法的风速模型2.1.1基本风格基本风v尺度参数c和形状参数k可根据风电场的实测数据估算。2.1.2配置阵风v式中,v2.1.3斜风吹渐变风v式中,v2.1.4随机风随机风v式中,v2.2风力机的matlab模型一台风轮半径为R的风轮机,在风速为v时,所产生的机械功率为其中λ为叶尖速比,表达式为机械转矩为式中,ρ为空气密度,kg/m根据数学模型建立的风力机的Matlab模型如图3所示。2.3永磁同步发电机模型永磁同步发电机不需要电励磁,具有效率高、运行可靠、噪声小,维护量小、风速适应范围宽,控制简单、有功和无功控制灵活等诸多显著优点,在风力发电系统中越来越受到欢迎为了分析永磁同步发电机的动态性能,基于dq旋转坐标轴建立起数学模型如下电压方程磁链方程电磁转矩方程式中,u2.4储能单元的确定考虑到蓄电池的成本,小型风力发电系统的储能单元采用铅酸电池。铅酸电池的放电数学模型(i充电数学模型(i式中,it为放电容量,Ah;i3模型的matlab模型除了在上文中构建封装的模块外,永磁同步发电机、整流逆变、蓄电池及变压器的Matlab模型在仿真平台中有封装好的模块,直接调用即可。3.1风力发电机的工作原理把以上建立的各部分模型按照预先设计方案进行连接,搭建整个离网小型风力发电系统。在simulink下搭建的系统模型如图4所示。系统中,把风力发电机发出的电经过整流后存入铅酸蓄电池,由于蓄电池的钳位作用,直流侧电压不会随风力发电量的多少而发生大的变化,基本上是稳定的,再经过逆变器变换成恒频恒压的交流电通过变压器升压后供用户使用。风力机设计的额定风速为9m/s,永磁同步发电机的额定功率为1000W,额定线电压峰值为50V,额定转速600r/m。在不影响仿真效果的情况下,系统的仿真时间设置为0.1s。3.2风速仿真及特性为有效仿真系统各部分的特性,在模型中设置基本风速3.5m/s,阵风峰值为1m/s,渐变风最大值为5m/s,随机风最大最小值分别为0.2m/s和-0.1m/s,风速仿真效果如图5所示。在变化风速的影响下,风力机带动永磁同步发电机旋转发电,发电机的转速随风速变化曲线如图6所示。由于在低风速下风力所发电量难以支持负载运行,所以此时蓄电池电流,蓄电池处于放电状态;在风力机得达到额定风速或大于额定风速时,发电机所发电量除了供应负载运行外,同时还给蓄电池充电,此时。蓄电池的电量变化和电压电流曲线如图7所示。负载两端电压电流成正弦波形,符合负荷使用需求,波形变化如图8所示。4验证了理论模型通过利用Matlab对离网小型风力发电系统进行建模仿真。在系统中,蓄电池起到了稳定直流电压,提供持续电源的作用,为满足用户需求起到