離網(wǎng)小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的建模與仿真研究

熊鵬 趙陸林 黃志城

(廣西科技師范學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院 廣西 來(lái)賓 546199)

進(jìn)入21 世紀(jì)后，人們對(duì)能源的需求越來(lái)越多，然而大量地開(kāi)采和利用以煤、石油、天然氣為主的一次能源不僅污染空氣而且隨著時(shí)間的推移它們會(huì)越來(lái)越少直到消耗完畢。能源又是人們賴(lài)以生存的基礎(chǔ)，是人們?cè)谏钪胁豢苫蛉钡囊徊糠郑瑸榱吮３稚鐣?huì)的可持續(xù)發(fā)展使人們更好地生活，世界上許多國(guó)家都投入了大量的資金和人力來(lái)研究新能源，期間在新能源方面取得了許多重大的突破，使新能源能夠被人們開(kāi)發(fā)和利用。風(fēng)能因?yàn)槠淝鍧崯o(wú)污染而受到人們的青睞，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也因此而取得了飛速的發(fā)展。

當(dāng)今社會(huì)人們?cè)絹?lái)越重視對(duì)環(huán)境的保護(hù)，而以清潔和高效著稱(chēng)的新型能源越來(lái)越受到人們的青睞。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，人們對(duì)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究取得了重大的進(jìn)展，一些風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的難題得到了解決，這也使風(fēng)力發(fā)電技術(shù)越來(lái)越成熟[1]。風(fēng)力發(fā)電越來(lái)越成熟的一個(gè)重要標(biāo)志就是風(fēng)力發(fā)電的成本越來(lái)越低。風(fēng)力發(fā)電與水力發(fā)電、火力發(fā)電相比有諸多優(yōu)點(diǎn)，其中最主要的有以下幾點(diǎn)：一是風(fēng)力發(fā)電的建設(shè)周期比較短，風(fēng)力發(fā)電的建設(shè)一般是以周、月來(lái)計(jì)算的，而水力發(fā)電和火力發(fā)電的建設(shè)周期都是以年來(lái)計(jì)算的；二就是火力發(fā)電會(huì)因?yàn)槊旱娜紵a(chǎn)生大氣污染，而風(fēng)力發(fā)電不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染。世界上風(fēng)力發(fā)電的裝機(jī)容量每年的增長(zhǎng)速度都很快，以平均每年31%的速率增長(zhǎng)，甚至有些國(guó)家風(fēng)力發(fā)電的裝機(jī)容量以每年60%的速率高速增長(zhǎng)。近年來(lái)，我國(guó)風(fēng)力發(fā)電的裝機(jī)總量增長(zhǎng)得很快，而且我國(guó)風(fēng)力資源比較豐富，完全可以借助風(fēng)力發(fā)電來(lái)解決我國(guó)用電緊張的問(wèn)題。在我國(guó)西部地區(qū)風(fēng)力資源比較豐富，而且西部地區(qū)地廣人稀，人們居住比較分散，工業(yè)發(fā)展比較緩慢，人均用電量較少，僅靠大電網(wǎng)去給他們供電無(wú)法解決問(wèn)題，所以必須要結(jié)合風(fēng)力發(fā)電才能解決西部地區(qū)用電難的問(wèn)題。總而言之，加大對(duì)風(fēng)力資源的開(kāi)發(fā)和利用不僅可以解決能源短缺問(wèn)題，還可以?xún)?yōu)化現(xiàn)有的以煤炭、石油和天然氣為主的能源結(jié)構(gòu)，保護(hù)環(huán)境，減少能源的消耗，緩解由于溫室氣體的大量排放而導(dǎo)致的全球變暖問(wèn)題。隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的成熟，加大對(duì)風(fēng)力資源的利用不僅可以產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益，而且還能產(chǎn)生比較大的社會(huì)效益，因此風(fēng)力發(fā)電具有很大的市場(chǎng)前景。

1 離網(wǎng)小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理

在我國(guó)，離網(wǎng)小型風(fēng)力發(fā)電發(fā)展迅速，并且在離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的開(kāi)發(fā)和利用中取得了很好的成果[2]。在我國(guó)的西部和一些比較偏遠(yuǎn)的農(nóng)村，因?yàn)橛脩?hù)居住比較分散，而且其平均用電量較小，用常規(guī)的電網(wǎng)供電很難達(dá)到其要求。這些地區(qū)應(yīng)該大力地推廣和利用小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，利用小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可以比較好地解決這些地區(qū)用電難的問(wèn)題。通過(guò)30 多年的努力研究，我國(guó)在小型風(fēng)力發(fā)電技術(shù)上取得了很大的成功。目前，我國(guó)自行研制的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組性能比較好、成本比較低、適應(yīng)性比較強(qiáng)，可以在中國(guó)大部分地區(qū)使用。

風(fēng)力機(jī)、發(fā)電機(jī)、三相不可控整流電路、三相橋式電壓型逆變電路、濾波器和用戶(hù)端的負(fù)載是構(gòu)成離網(wǎng)小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的主要組成部分。離網(wǎng)小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 離網(wǎng)小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

在離網(wǎng)小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，其工作的過(guò)程是整流電路將風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出來(lái)的交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡瑫r(shí)，與整流電路的直流側(cè)所并聯(lián)的電容對(duì)直流電進(jìn)行濾波而且在很短的時(shí)間里使直流電壓基本保持穩(wěn)定，穩(wěn)定后的直流電再經(jīng)過(guò)逆變電路將其變成交流電，通過(guò)對(duì)逆變電路的設(shè)定可以使其所產(chǎn)生的交流電在經(jīng)過(guò)濾波器的濾波后而供給負(fù)載使用。

1.2 系統(tǒng)中各個(gè)器件的功能原理

1.2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的作用是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，然后再將電能供給電網(wǎng)或者經(jīng)過(guò)調(diào)整后供用戶(hù)直接使用，風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)這兩部分組成了風(fēng)力發(fā)電組[3]。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作原理是，風(fēng)力機(jī)上的風(fēng)輪受到風(fēng)力的作用而使風(fēng)輪發(fā)生旋轉(zhuǎn)，從而將風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，由于風(fēng)力機(jī)的輪轂和發(fā)電機(jī)的機(jī)軸相連接從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，因而就將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)榱穗娔埽l(fā)電機(jī)再將其產(chǎn)生的電能通過(guò)線(xiàn)路傳送給電網(wǎng)或者是供給用戶(hù)使用。風(fēng)力發(fā)電的工作過(guò)程如圖2所示。

圖2 發(fā)電機(jī)的工作過(guò)程

1.2.2 整流電路

在本文中離網(wǎng)小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的網(wǎng)側(cè)采用的整流電路是不可控整流電路，采用不可控整流電路的原因是：不可控整流電路的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、不可控整流電路的可靠性高、采用不可控整流電路可以降低風(fēng)力發(fā)電的成本低、不可控整流電路易于實(shí)現(xiàn)，對(duì)技術(shù)的要求不高。整流的電路圖見(jiàn)圖3。

圖3 整流電路

其工作原理是：在三相不可控整流電路中當(dāng)有一對(duì)二極管導(dǎo)通時(shí)，三相不可控整流電路輸出的直流電壓就是此時(shí)在交流側(cè)線(xiàn)電壓最大的那個(gè)電壓，此時(shí)最大的線(xiàn)電壓不僅給電容充電而且還同時(shí)向負(fù)載提供電能。當(dāng)在三相不可控整流電路中二極管沒(méi)有導(dǎo)通時(shí)，此時(shí)電容放電并且給負(fù)載提供電能，其中電容兩端的電壓ud按照指數(shù)的規(guī)律下降[4]。

設(shè)在二極管VD6 和VD1 開(kāi)始同時(shí)導(dǎo)通的時(shí)刻為時(shí)間零點(diǎn)，二極管在距線(xiàn)電壓過(guò)零點(diǎn)角度開(kāi)始導(dǎo)通，則整流電路中的直流側(cè)線(xiàn)電壓[5]為

式（1）中：uab為直流側(cè)的線(xiàn)電壓；t為時(shí)間；δ為二極管在距線(xiàn)電壓過(guò)零點(diǎn)δ角度開(kāi)始導(dǎo)通；U2為交流側(cè)的線(xiàn)電壓。

相電壓為

式（2）中：ua為直流側(cè)的相電壓；t為時(shí)間；δ為二極管在距線(xiàn)電壓過(guò)零點(diǎn)δ角度開(kāi)始導(dǎo)通；U2為交流側(cè)的線(xiàn)電壓。

1.2.3 逆變電路

在離網(wǎng)小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中選用的逆變電路是三相電壓型橋式逆變電路。其原理如圖4所示。

圖4 逆變電路

輸出電壓為

式（3）中：Ud為直流側(cè)的電壓；t為時(shí)間；n表示n=6k±1，其中k為自然數(shù)。

輸出的線(xiàn)電壓的有效值為

基波的幅值為

基波的有效值為

負(fù)載兩端的相電壓為

式（7）中：Ud為直流側(cè)的電壓；t為時(shí)間；n=6k+1，其中k為自然數(shù)。

負(fù)載相電壓的有效值為

基波幅值為

基波有效值為

1.2.4 PWM（Pulse Width Modulation）控制技術(shù)

PWM控制技術(shù)在電子方面的應(yīng)用非常廣泛，其中PWM 技術(shù)最主要的是應(yīng)用在電壓型逆變的電路中[6]。從近現(xiàn)代開(kāi)始世界上許多的國(guó)家都投入了很大的人力和物力來(lái)研究發(fā)電技術(shù)，在此期間發(fā)電技術(shù)取得了巨大的成功，又因?yàn)镻WM控制廣泛地應(yīng)用于電壓型逆變電路中，因此PWM 控制技術(shù)也比較成熟。可以說(shuō)，正是因?yàn)镻WM 控制技術(shù)廣泛應(yīng)用于逆變電路中才使其得到了迅速的發(fā)展。

PWM控制的載比為

式（11）中：fc為載波頻率；fr為調(diào)制信號(hào)的頻率。

PWM 控制的方式有同步調(diào)試和異步調(diào)試。區(qū)分是異步調(diào)試還是同步調(diào)制的方法是載波和信號(hào)波是否同步以及載波比的變化情況，如果載波和信號(hào)波不保持同步則是異步調(diào)試，同步調(diào)試的另一個(gè)條件就是載波比N為常數(shù)[7]。在離網(wǎng)小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中對(duì)于三相橋式電壓型逆變所選用的調(diào)制方式是同步調(diào)試的方法，這是因?yàn)榕c異步調(diào)制的方法相比較同步調(diào)制的方式更加地容易實(shí)現(xiàn)。

2 數(shù)學(xué)模型建立

2.1 風(fēng)力機(jī)模型

風(fēng)力機(jī)的葉尖速比和風(fēng)能系數(shù)是風(fēng)力機(jī)最重要的特性。葉尖速比的表達(dá)式為

式（12）中：w為葉片轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械角速度；R為風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的半徑；V為風(fēng)速。

Cp是風(fēng)能的利用系數(shù)，其大小與葉尖速比和槳距角的大小有關(guān)，它們之間的關(guān)系比較復(fù)雜，在本文中為了簡(jiǎn)單把風(fēng)能利用系數(shù)設(shè)定為常數(shù)[8]。在本文中風(fēng)能利用系數(shù)取一個(gè)常數(shù)為

風(fēng)輪機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械功率為

式（14）中：ρ為空氣的密度；A=πR2為風(fēng)輪機(jī)掃風(fēng)的面積；R為風(fēng)輪機(jī)的半徑；V為風(fēng)速。

風(fēng)輪機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為

將式（10）、式（11）代入式（12）中可得

通過(guò)對(duì)風(fēng)力機(jī)的介紹以及其求風(fēng)力機(jī)所產(chǎn)生的機(jī)械功率和其所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩公式，在MATLAB2014b/Simulink環(huán)境中建立的模型如圖5所示。

圖5 風(fēng)力機(jī)仿真模型

2.2 發(fā)電機(jī)模型

根據(jù)不同的方法，可以將發(fā)電機(jī)分為同步發(fā)電機(jī)和異步發(fā)電機(jī)。如果交流電機(jī)滿(mǎn)足方程以下方程，則稱(chēng)這種電機(jī)為同步電機(jī)，否則稱(chēng)這種電機(jī)為異步電機(jī)。

式（17）中：p為發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù)；f為定子電流的頻率，單位為Hz；n為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，單位為r/min。

同步電機(jī)與異步電機(jī)相比較其優(yōu)點(diǎn)有：同步電機(jī)的功率因數(shù)較高，在運(yùn)行時(shí)不僅不會(huì)降低電網(wǎng)的功率因數(shù)，而且還能夠改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。因此在本文中選用的發(fā)電機(jī)是同步發(fā)電機(jī)。

永磁同步發(fā)電機(jī)具有效率高運(yùn)行可靠、噪聲小、維護(hù)量小、風(fēng)速適應(yīng)范圍寬以及控制簡(jiǎn)單、有功和無(wú)功控制靈活等優(yōu)點(diǎn)。基于以上優(yōu)點(diǎn)在本文中采用了永磁同步發(fā)電機(jī)。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組占主導(dǎo)地位的有兩種，分別是雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)和雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)相比，其優(yōu)點(diǎn)有：直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相比較其噪聲小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于維護(hù)，運(yùn)行可靠性更強(qiáng)，機(jī)械效率比較高；由于直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組比雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的優(yōu)點(diǎn)更多，因此在離網(wǎng)小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中選用的發(fā)電機(jī)為直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)。綜上所述在離網(wǎng)小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中使用的發(fā)電機(jī)是直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)。

直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)基于d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸建立起的直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型如下[9]：

電壓方程為

式（18）中：ud、uq分別為電機(jī)端電壓在d-q軸上的分量；ψd、ψq分別為定子磁鏈在d-q軸的分量；id、iq分別為電子電流在d-q軸的分量；ωe為電角速度。

磁鏈方程為

式（19）中，ψf為在發(fā)電機(jī)中永磁體所建立的磁鏈幅值。

電磁轉(zhuǎn)矩方程為

式（20）中，P為轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)。

2.3 離網(wǎng)小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的建模

在2.1節(jié)已經(jīng)完成了對(duì)風(fēng)力機(jī)模型的搭建，在本文中所用到的其他模型還有永磁同步發(fā)電機(jī)模型、三相不可控整流電路模型、三相橋式電壓型逆變模型等。這些模型在MATLAB 2014b 中都有，需要時(shí)可以直接調(diào)用。把以上建立好的模型按照預(yù)先設(shè)定好的方案進(jìn)行連接，這樣就完成了對(duì)離網(wǎng)小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型的建立。在Simulink環(huán)境中建立的離網(wǎng)小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的模型如圖6所示。

圖6 離網(wǎng)小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的模型

3 仿真結(jié)果與分析

假設(shè)在離網(wǎng)小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中風(fēng)力機(jī)在恒定的風(fēng)速V=11 m/s下運(yùn)行，此時(shí)風(fēng)能利用系數(shù)Cp=0.2365。在恒定風(fēng)速的情況下，其工作的過(guò)程是整流電路將風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出來(lái)的交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡瑫r(shí)與整流電路的直流側(cè)所并聯(lián)的電容對(duì)直流電進(jìn)行濾波而且在很短的時(shí)間里使直流電壓基本保持穩(wěn)定，穩(wěn)定后的直流電再經(jīng)過(guò)逆變電路將其變成交流電，通過(guò)對(duì)逆變電路的設(shè)定可以使其所產(chǎn)生的交流電在經(jīng)過(guò)濾波器的濾波后而供給負(fù)載使用。負(fù)載兩端的電壓和電流都是正弦波，其波形的變化如圖7所示。

由圖7 可知，小型離網(wǎng)風(fēng)力系統(tǒng)能夠在恒定風(fēng)速的情況下持續(xù)穩(wěn)定地運(yùn)行，其給負(fù)載提供的電壓和電流波形都是正弦波而且提供的電壓也是穩(wěn)定的。

4 結(jié)語(yǔ)

在MATLAB 2014b/Simulink 中建立離網(wǎng)小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的模型然后再對(duì)其模型進(jìn)行仿真，仿真的結(jié)果表明：在恒定風(fēng)速的情況下離網(wǎng)小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地運(yùn)行，并且能夠?yàn)橛脩?hù)負(fù)載端提供穩(wěn)定的電壓供負(fù)載正常地工作。由負(fù)載兩端電壓和電流的波形圖可知，負(fù)載兩端電壓和電流的波形都是正弦波而且電壓和電流的相位基本保持相同，由此可以得出其功率因數(shù)比較接近于1。