基于交流母線的獨立風電系統建模與仿真*

張子皿，馮賓春

（中國水利水電科學研究院 北京中水科水電科技開發有限公司，北京 100038）

基于交流母線的獨立風電系統建模與仿真*

張子皿，馮賓春

（中國水利水電科學研究院 北京中水科水電科技開發有限公司，北京 100038）

本文介紹了基于交流母線的獨立風電系統的組成及結構，并利用matlab/simulink建立了完整的系統模型，對交流電網的建立、風電機組并網、蓄電池充放電、電子卸荷環節進行了仿真研究。仿真結果表明了該系統模型的正確性與有效性。

交流母線； 獨立風電系統；仿真

0 引言

在遠離電網的地區，獨立供電系統成為人們最需要的供電方式。隨著近些年來風力發電技術的快速發展，獨立運行的小型風力發電設備得到了廣泛的應用。基于交流母線的獨立風電系統是將風力發電系統、儲能裝置及控制裝置等集成而形成的可控獨立供電系統。該系統具有結構復雜、多工況運行、包含大量電力電子設備等特點，因此建立系統的仿真模型是分析其復雜的電磁機電暫態過程、優化運行、系統穩定性等各項技術研究的必要手段。

目前，針對獨立電網系統仿真模型的研究不是很多，文獻[1]建立了基于直流母線的風光互補微網系統仿真模型，并對電網并網和獨立運行兩種模式的過渡狀態及功率流向進行了研究。文獻[2] 只對研究了獨立電網從并網模式向孤網模式轉換的動態過程進行了仿真研究，沒有對蓄電池的充放電特性進行研究。本文介紹了基于交流母線的獨立風電系統的組成及結構，并建立了完整的系統模型，對系統中獨立電網的建立、風力發電并網、蓄電池充放電、電子卸荷等環節進行了仿真研究。

1 系統結構

基于交流母線的獨立風電系統包括由風電機組、卸荷裝置、并網逆變器組成的動力子系統，由雙向逆變器、蓄電池組組成的電網子系統，以及用電負載子系統。整套系統用電完全由風力發電設備提供能源，交流母線間通過電力電子設備進行能量交換以保證系統穩定運行。系統結構如圖1所示。

圖1 基于交流母線的獨立風電系統

2 獨立交流電網數學模型

2.1 動力子系統

2.1.1 風電機組模型

風電機組的功率輸出由式（1）給出：

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

2.1.2 發電機模型

在電機模型的電氣部分和機械部分組成。其電氣系統方程為：

機械系統方程為：

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為轉子角速度；λ為定子每相磁通峰值；p為電機極對數；Te為電磁轉距；J為電機軸側的轉動慣量；F為電機軸側的粘滯摩擦；θ為電機轉子角度位置；Tm為機械轉矩。

通過采用SimPowerSystem的模塊建立風電機組模型如圖2所示。

2.1.3 并網逆變器

圖2 風電機組仿真模型

并網逆變器由3個單相逆變器組合成為一個三相逆變器，如圖3所示。3個單相逆變器的參數完全相同，3個N線端子連接在一起形成中性點，3個L端子對應A, B, C三相，連接三相電網，如圖4所示。并網逆變器的輸出濾波器開環特性由一階慣性環節傳遞函數表示，并網逆變器輸出電流通過鎖相環與電網電壓保持同步，實現功率輸出。

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致的母線電壓過壓。當母線電壓保護裝置檢測到母線電壓信號超過一定值時，觸發保護裝置，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 電網組建子系統

2.2.1 雙向逆變器

圖3 三相并網逆變器

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個相位互差120°的單相逆變器組成。3個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L1，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勢和電阻的串聯[3]。由于電動勢和電阻受蓄電池初始狀態、溫升以及蓄電池電量等因素的影響，是一個變化的量，所以單從數學表達式對其描述是比較復雜的。本文通過查閱蓄電池廠商提供的反映相關參數間對應關系的測試數據表格或曲線，使用Matlab/Simulink 中的模塊通過查表的方法來實現蓄電池的充電/放電曲線。圖8給出了根據蓄電池模型輸入參數計算的鉛酸蓄電池放電曲線。

3 系統仿真結果

將以上各部分整合，利用 Matlab提供的電力系統模塊在 Simulink環境下對設計的獨立交流母線風電系統建了了仿真模型如圖9所示[4]，并對系統各工作環節進行了仿真。獨立交流電網系統的負載為4臺1.5 kW電機。

3.1 獨立電網建立及風電機組并網過程仿真

雙向逆變器在獨立電網系統啟動過程中最先啟動，建立穩定的三相輸出電壓。仿真中設置系統在0.02s時刻啟動，啟動波形見圖10。當雙向逆變器建立起穩定的輸出電壓后，并網逆變器即可以并網，開始發電運行。圖11為并網逆變器的并網發電過程。發電時刻的風電機組參數為：風速12m/s，初始轉速0m/s,最大發電功率10kW（2x5kW），并網逆變器輸出功率上升斜率限制10kW/s。從仿真中可以看到，在并網逆變器設計參數合適的情況下，風電機組發出的功率可以平穩地并入電網中。

3.2 蓄電池充放電過程仿真

圖7 DC/AC變換器仿真模型

圖8 鉛酸蓄電池放電曲線

并網逆變器并網后對蓄電池的影響，分為兩種情況：即蓄電池充滿的情況和蓄電池沒有充滿的情況。對于蓄電池沒有充滿的情況，隨著并網功率的增加，蓄電池充電電流增加，直到穩態充電電流，同時蓄電池輸出電壓緩慢上升，直到蓄電池電量充滿。這個過程見圖12，仿真中設置初始電量50%。當蓄電池電量已經充滿，如果沒有任何保護措施，雙向逆變器將繼續向蓄電池充電，引起過充，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給出了在風速突增的情況下并網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，電壓基本穩定。因此對于獨立電網應用，系統設計必須考慮選擇功率匹配的卸荷裝置以避免風力發電輸入功率過大引起的蓄電池過充問題。

圖9 系統仿真模型

圖10 雙向逆變器三相電壓建立過程（三相，相-地）

圖11 并網逆變器的發電過程（上：獨立電網電壓；下：并網電流）

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

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

圖14 甩負荷時的并網逆變器輸入直流電壓

4 結論

本文通過matlab/simulink建立了包括風電機組、并網逆變器、電子卸荷裝置、雙向逆變器、蓄電池的完整交流母線獨立風電系統仿真模型，該模型可以對獨立電網的建立、獨立電網并網、蓄電池充放電、電子卸荷過程進行仿真研究。仿真結果表明了系統模型建立的正確性，通過該模型的仿真可以進一步研究基于交流母線的獨立電網系統各工況的系統特性及控制方式的優化，具有實際意義。

[1]郭天勇,趙庚申,趙耀等.基于風光互補的微網系統建模與仿真[J].電力系統保護與控制,2010,38（21）:104-108.

[2]郭力,王成山.含多種分布式電源的微網動態仿真[J].電力系統自動化, 2009,33（2）:82-86.

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

[4]薛定宇.基于 MATLAB/Simulink 的系統仿真技術與應用[M].北京：清華大學出版社,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

中國水利水電科學研究院科研專項（技集1249）。

2013-05-02。

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