CleanEnergy第28卷第3期2012年3月文章编号:1674—3814(2012)03-0074—05电网与清洁能源PowerSystemandCleanEnergyV01.28No.3Mar.2012中图分类号:rIM614文献标志码:B离网小型风力发电系统的建模与仿真唐江丰1,韩春成2,王萍1,王立地1(1.沈阳农业大学信息与电气工程学院,辽宁沈阳110866;2.辽宁省鞍山供电公司,辽宁鞍山114200)ModelingandSimulationofSmallOff-GridWindPowerSystem1TANGJiang-fen91,HANChun-chen92,WANGPin91,WANGLi-dil(1.InformationandElectricEngineeringCollege,ShenyangAgrieuhuralUniversity,ShenyangElectricPowerSupplyBureau,Anshan1ABSTRACT:Inthispaper,themodelofsmallo伍一sndwindpower10866,Liaoning,China;2.Anshan14200,Liaoning,China)本在逐渐降低,离网小型风电受到重视,对其系统的建模和仿真也就变得愈为重要。1generationsystemisestablishedbyMatlab/simulinkandthethewindpowergenerationsystemisdevelopedbyanalyzingwindspeedandotherpartsofthesystem.ThesimulationresultsshowthatthesystemsupportCan离网小型风力发电系统为降低系统成本和复杂性,农村户用小型风力runstablyatvariouswindspeedswithvoltageandcurrentoflead—acidbatteries.andthewavefolTtlSattheloadendofcustomers.KEYCanmeetthenecessaryrequirements发电机系统采用变速恒频的直驱式永磁同步风力electrification;smallwindbatteriesWORDS:ruralpower;,og一发电系统,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f2卅。系统原理如图1所示。酣d;Madab/simulink;lead—acid摘要:在Matlab/simulink环境下建立了离网小型风力发电系统仿真模型,通过对风速和系统各部分进行理论分析,实现整体模型的搭建。仿真结果表明,在铅酸蓄电池作用下,系统能在变化风速下持续稳定运行,负载端电压符合用户要求。关键词:农村电气化;小型风庖;离网;Matlah詹imulink;铝酸蓄电池离网小型风力发电是20世纪80年代兴起的一项新能源技术,它以经济、方便、实用的特点成为风电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【l】。到2008年底,我国风电累积装机容量首超印度成为亚洲第一、世界排名第四。在大趋势的驱动下,风力发电成.舴器囊鼗・【j【:\=∥、一●一-一-一【j【j}{商鞘powersystem图1Fig.1离网小型风力发电系统原理图Thediagramofoff-gridhouseholdwind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园。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,再通过变压器升基金项目:辽宁省教育厅科研项目(L20L0500)。ScientificResearchFundofLiaoningProvincialEducationDepartment(L2010500).压到用户需求的电压供用户使用。万方数据CleanEnergy滢■圃75第28卷第3期电网与清洁能源2建立系统各部分模型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Mp=”一—Ⅲr+VI【1)2.1.1基本风基本风”。描述的是风电场基本风速的变化情况。可用威布尔(Weibull)分布描述风电场的年度平均风速的变化Vb=』0”g'0d“V0№:cr(}+1)(2)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阵风阵风”。描述的是风电场风速的突然变化的情况。数学模型为0,£<n等[1_c。sp箐忙≤c≤mL(3)0。#>Tl+r式中,”为阵风风速,r幽;。,为阵风峰值,m,8;乃为阵风启动时间,s;z沩阵风周期,8;沩时间,8。2.1.3渐变风渐变风”描述的是风度的渐变特性。其数学模型为0J<n#>Z≯r口删一・』Te丑-Trl,zl≤l≤%(4)p一亿a<7≯r式中,∥为渐变风风速,m/s;v一为渐变风最大值,m/g;劝渐变风保持时间,s;兀为渐变风起始时间,s;%为渐变风终止时间,s。2.1.4随机风随机风。。模拟的是风速变化的随机特性。其数学模型为式中,”为随机风的风速,m/s;v曲随机风的最大值。口FW。丑.h(一l,1)c∞(∞.+机)(5)nds;R.h为一1和l之间均匀分布的随机变量;峨为风万方数据速波动的平均距离,m讹;也为0.21r间服从均匀概率分布的随机量。根据数学模型建立的风速的Manab模型和封装后的参数设置对话框如图2所示。霉屯裂姒一。“一”吾剽≮11一’萤∑吲。=m,。屯:卜匠一.仙)封装后的参数设置对沾任幽ZJ^U准侵掣到:诧,口HU‘步,ⅨI豆I^1咱任Fig.2Modelofwindspeedandthedialogboxaftermasked2.2风力机模型一台风轮半径为尺的风轮机,在风速为"时,所产生的机械功率为月蹄{肿2cp(卢,^)矿(6)其中A为叶尖速比,表达式为^:苎里(7)口机械转矩为船台=争们≮够,^)譬(8)式中.口为空气密度,kg/m3;Cp(fl,^)为风轮机的功率系数。根据数学模型建立的风力机的Matl,d)桴l型如图曩E墨互F”+76CleanEnergy唐江车,等:离网小型风力发电系统的建模与仿真州◆3所示。j驴耍dR般讪~l‰=警m‘喇。奶(9)“。f蛤L彳一弼(10)…’【syT#g'2hT-"iq为定子磁链由轴分量;如、i。分别为电子电流由轴分正@,^Exp)-昂《’盘《‘蠡嘞+Laplace-1.(群。0)(12)fi(it£i,Exp)郴‘面Q丽。i≮。茜嘞+hpk一(群。÷)(13)万方数据式中,i£为放电容量,Ah;i’为低频动态电流,A;i为蓄电池电流,A;E沩恒定电压,V;肋极化常数(Ah一1)或极化电阻,Q;油蓄电池最大容量,Ah;Exp(s)为指数区间动态反应电压,V;Sel(s)表示蓄电池充放电模式,式(12)中,蓄电池为放电模式时Sel(s)=0,式(13)中,蓄电池为充电模式时Sel(s)=1。3离网小型风力发电系统的建模与仿真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搭建系统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。图4离网小型风力发电系统模型Fig.4Simulationmodelofoff-gridhouseholdwindpowersystem系统中,把风力发电机发出的电经过整流后存人铅酸蓄电池,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仿真分析为有效仿真系统各部分的特性,在模型中设置基本风速3.5rigs,阵风峰值为lm/s。渐变风最大值为5IIl,s,随机风最大最小值分别为0.2m/s和一0.1m/s,风速仿真效果如图5所示。CleanEnergy。翔■墨第28卷第3期电网与清洁能源图7蓄电池的电量变化和电流电压变化曲线Fig.7CurveofSOC,current’voltageaboutbatteryFig.5Curveofwindspeed用户要求,与理论分析一致,验证了所搭建模型的正确性。离网小型风力发电系统与光伏发电系统互补利用,可更好地为居民提供绿色生活用电平台。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。团OFig.8几】r1烈瓤垧日,“呲u…,17参考文献Thewaveformofterminalvoltageandcurrent图6永磁同步发电机转速和电磁转矩Fig.6Curveofgeneratorspeedandelectromagnetictorque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。【l】王志新,刘立群,张华强.风光互补技术及应用新进展Ⅱ】.电网与清洁能源.2008.24(5):40-45.WANGZhi-xin.UULi-qun。ZHANGHua-qiang.NewdevelopmentofwindandPVhybridtechnologyandapplication[J]PowerSystemandCleanEnergy,2008.24(5):40--45(inChine删.【2】李岩.垂直轴风力机技术讲座(六)叽.可再生能源,2009,2(6):l18—120.LI4结语【3】YmVerticalaxiswindturbineteehndogy(V9mRene-wableEnergyRecourses,2009,2(6):118—120(inChinese)姚鑫,栗文义,赵振兴,等.刚柴,储能风力发电系统储能装置控制与仿真叨.电网与清洁能1媛,2011,27r(8):88-93YAOXin,LIWen-yi.ZHAOZhen-xinSeta1.Controlandsimulationofenergystoringdeviceofwind/diesel/energystoragegenerating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重要作用。用户端的电压电流仿真波形基本接近正弦,符合system【J】.PowerSystemandClean万方数据曩匮盈旺麓”+CleanEnergy78Energy,201唐江丰,等:离网小型风力发电系统的建模与仿真1,27(8):88-93(inChinese).【8】V01.28No.3计【D】.厦门:厦门大学,2008.廖萍,李兴源,徐娇.小型风力发电机模型及其接入系统研究叨.南方电网技术,2008,2(2):41-45.LIAOPing,LIXing—yuan,XUJiao.Studyon【4】管俊,高赐威.储能技术在抑制风电场功率波动方面的研究综述【J】.电网与清洁能源,2011,27(4):48—53.GUANJun,GAOCi—wei.Anoverviewontheapplicationwindpowerofenergystoragetechnologiestodampwindpoweroutputgenerationmodelsandconnectionsystems[J].SouthernPowerSystemfluctuation[J].PowerSystemandCleanEnergy,2011,27Technology,2008,2(2):41-45(inChinese).(4):48-53(inChinese).【5】龚晴晴,朱凌,张翔宇.基于不控整流型直驱风电系统的最大功率追踪[J].电力科学与工程,2011,27(2):1—5.GONGpoweronf9】薛玉石,韩力,李辉.直驱永磁同步风力发电机组研究现状与发展前景【J】.电机与控制应用,2008,35(4):1—5.XUEYu—shi,HANLi,LIHui.Overviewpermanentondirect—driveQing-qing,ZHULing,ZHANGXiang-yu.Maximummagnetsynchronousgeneratorforwindpowertrackingofdirectdrivewindpowersystembasedsystem[J].Electric35(4):1-5inMachines&ControlApplication,2008,uneonlledrectifier[J].ElectricinPowerScienceandEngin-Chinese),eering,2011,27(2):1-5Chinese).收稿日期:2011-11—25。作者简介:唐江丰(1986一),男,硕士研究生,研究方向:地方电力系统及【6】魏毅立,韩素贤,时盛志.风力发电系统中组合风速的建模及仿真[J】.可再生能源,2010,28(4):18—20.WEIYi-li'HANSu-xian.SHISheng-zhi.Themodelingandsimulationofthecombinedwindspeedinthewind其自动化;王立地(1974--),男,博士,副教授,从事智能电网和模式识别研究。powersystem[J].RenewableEnergyRecourses,2010,28(4):18-20(inChinese).【7】王心尘.基于Matlab/simulink的垂直轴风力发电系统设(编辑董小兵)∈暑-葺XH}∈_EX}∈∈_E}E}暑《一EX}∈仨{}葺}∈∈{{X目}善1联芒《{《暑《{-毒C《专{鲁}∈E{X三一∈E{X}《葺{X}∈E_EX}∈《_EX}亭ee《-∈-e・暑《氍{X}∈仨_EX}∈岳{{}∈∈{{{■}代.I:—∈(上接第73页)【37】SUNDARESANMJ,SCHULZMJ,GHOSHALA,et81.能源工程,2010(4):38—44.KANGHong,TIANRui,ZHANGYi-zhi.De8咖of1.5MWAnintelligentbladeforwindAerospaceSciencesturbines[C1_39thAIAMASMEandSCADAsystemforwindpowerplant田EnergyEngineering,2010(4):38—“finChinese).MeetingExhibit,WindEnergySymposium,2001.【38】李清勉,范旭娟.中国近海风力发电的发展及技术体系探讨叨.陕西电力,2010,38(8):65—68.LI收稿日期:2011--09—16。作者简介:Qing—mian,FANXujuan.Probeintodevelopmentand肖雅丽(1985一),女,硕士研究生,研究方向为电气设备在线监测与故障诊断;technologysystemofoffshorewindpowerinChina[J].ShaanxiElectricPower,2010,38(8):65-68(inChinese).方瑞明(19r72一)。男,博士,教授,研究方向为电气设备在线监测与故障诊断、新能源发电技术。[391康宏,田瑞,张义智.15Mw风力发电场scADA系统{殳mJ】.(编辑徐花荣)万方数据离网小型风力发电系统的建模与仿真
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):
唐江丰, 韩春成, 王萍, 王立地, TANG Jiang-feng, HAN Chun-cheng, WANG Ping, WANG Li-di唐江丰,王萍,王立地,TANG Jiang-feng,WANG Ping,WANG Li-di(沈阳农业大学信息与电气工程学院,辽宁沈阳,110866), 韩春成,HAN Chun-cheng(辽宁省鞍山供电公司,辽宁鞍山,114200)电网与清洁能源
Advances of Power System & Hydroelectric Engineering2012,28(3)
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