基于MATLAB的風力發電模擬實驗系統設計

何佳旺 魏立明

（吉林建筑大學電氣與計算機學院 長春 130118）

引言

風力發電由于風能的不確定性，使風力發電系統對風能的有效利用造成困難，且風力發電系統的實際操作困難性造成很難在低成本的條件下觀察不同風速下風機的各部分運行參數[1，2]。故本文通過MATLAB模擬實驗仿真平臺對風力發電系統一次回路進行設計與仿真，采取PLC控制策略，在得出占空比與有功功率的關系基礎上，進行MATLAB仿真實驗，進一步分析虛擬仿真平臺的的使用效果，以及驗證風機各部分運行參數的準確性。

1 風力發電模擬實驗系統的結構與組成

風力發電是通過渦輪機獲得的風能轉換成機械能用來驅動風力機，再將此種機械能傳給發電機，用來驅動發電機的快速旋轉來產生電能[3，4]。依據此原理，本文所設計模擬實驗平臺系統主要是由三菱FX1n60MR PLC、觸摸屏、頻率轉換器、中繼組、風電場操作狀態的顯示單元、輸出顯示單元、端子塊、可調電阻器、斷路器、網架等相關模塊構成。該系統是在實驗室內無外界風力干擾的條件下運行，因此可以在手動情況下，調節此風場的風速，對風力的順時針順時針和逆時針控制，還可以隨時進行啟動或者停止偏航系統等操作，忽略外界條件干擾因素。在操作系統觸摸屏時，當輸入風場的種種信息以后，關于系統的運行狀態和偏航狀態等就會在觸摸屏中顯現出來，風場的實時風速和移動方向等信息便可以進行查看與記錄，根據所得數據能夠進一步研究與分析。

2 實驗平臺總體設計方案

本次設計是為解決風電實驗中那些較難實現的困難，首先要建立一套切近實際的平臺作為實驗對象，前提是絕對靜止條件下，對其給風，模型會由于受到風的作用而開始產生電，觀察實驗對象工作流程以及特定性。本文選用的PLC是三菱，它的標準電壓為220 V交流電。它的作用較多，也是整個系統的控制中心，不但能接收、收集風能，確定信號位置和風速大小，以及風源位置，還可利用這些信號，再配合所對應的程序實現精準控制的效果，它能通過程序讀出所有信號的對應設備。

一次回路也是此次實驗比不可少的一部分，它是利用將數個一次設備進行連接制造出一個有效電氣回路。圖1顯示的是由三臺電機構成的一次回路連線圖。電源選擇三相開關接入，當對其施加一個低電壓斷路器時電路中繼電器KA1和KA2會產生220 V的交流電，將電壓傳送到交流電動機內部。

圖1 風力發電模擬實驗系統一次回路

3 風力發電模擬實驗系統建模及仿真

3.1 風力機模型及系統仿真模型

風力機和永磁同步機的連接方式是同軸相連，其中發電機機械角速度m需與風輪轉動速度r相同。利用等式可知其輸出功率為pm時，所對應的機械扭矩為：

風力機仿真模型參數：其中風輪的半徑為R =2 m，空氣密度為 1.225 kg/m3，根據所給參數建立仿真模型，如圖2所示。

圖2 風力機仿真模型

3.2 MPPT控制策略模型

圖3為本文所設計的小型風力發電系統直流-直流降壓斬波器，還稱Buck電路。

圖3 Buck 降壓斬波器

1）輸出功率的采樣模型

比較前后時刻的輸出功率差值，由MPPT 控制策略反饋輸出功率，進行下一步的處理。其中前一采樣時刻的輸出功率是P(n 1)，此刻的實時輸出功率是P(n)，瞬時輸出功率是P(t)。采用平均值濾波方法，對P(n1) 和 P(n)各采樣五次，然后取平均值。控制采樣次數是Ts，周期為1/5輸出功率采樣時間。當采樣次數達到5次時，如圖4所示。

圖4 輸出功率采樣模型

2）變步長擾動法 MPPT 仿真模型

比較圖4中 P(n) 和 P(n-1)值的大小。當 P(n)＜P(n-1)時，則輸出功率趨向于減少方向跟蹤；反之則輸出功率趨向于增加方向跟蹤。如圖5所示。

圖5 占空比調整模型

圖6是將圖4、圖5兩圖的模型合成一起，組成為 MPPT 控制模型。將多次采集的P(n1)和P(n 1)時刻的輸出功率信息取平均值，將計算后的數據進行比較，采用變步長擾動法追蹤最大功率點，保證系統在任何條件下都能夠保持最佳運行狀態，輸出功率保持唯一最大值。可通過 Dcontrol 單元設置MPPT 策略是擾動觀察法還是變步長 MPPT 控制策略。

圖6 MPPT 控制模型

4 實驗仿真結果

4.1 Buck 電路仿真結果與分析

對最大和最小值分別進行詳細討論和仿真模擬，選擇7 m/s的風速對Buck電路進行電壓與電流的輸入，其中發電機可以產生710 V的電壓，而逆變器對應的電壓則為900 V，調節斬波器占空比為α=0.45，斬波器輸出大小為 400 V 的直流電，但斬波器的輸入電流僅為1.9 A上下。

本文所選用基波是50 Hz，頻率是20 kHz的逆變器，其所自由的低次、高次諧波能夠實現頻率的變換，在SPWM波中有3倍基波在其附近，其中150 Hz諧波的周圍居多，為使其滿足正選撥要求，在使用前需要進行濾波設置，通過LC濾波電路進行諧波過程叫做低通濾波器。

4.2 輸出功率與占空比特性曲線分析

當風速V分別為7～10 m/s時， 輸出有功功率與占空比D特性曲線，如圖 8所示。

圖7 斬波器輸入電壓和輸出電壓，電流波形(D=0.7)

圖8 不同風速下的輸出有功功率與占空比曲線

由圖8可知，隨著風力的加大，有功功率輸出與占空比比值逐漸增大，風能利用系數提高，從而可以得出本文設計的系統具有良好的穩定性，此結果說明本文設計的小型風力系統具有實際意義。利用多種不同風速控制法比較，找到提高功率因數且實現跟蹤的快速性，極大的穩固了系統的穩定性。

5 結論

本文針對風力發電實驗系統進行設計，分別對風力發電原理、實驗臺控制系統、風力發電實驗模型構建以及系統中一次回路仿真等問題進行了詳細地闡述，采用PLC作為技術方法對其進行參數設置與控制，利用MATLAB軟件進行系統仿真，在不同風速下、不同占空比情況下的發電機輸出功率，通過仿真結果分析表明系統在低成本、低消耗下可以實時查看風機各部分運行中參數的變化，以及輸出功率定量變化。本文所設計風力發電實驗系統具有較好的穩定性、可靠性和實用性，為該領域中科研和實驗教學提供了較好的平臺，具有良好的推廣價值和應用前景。