【风电互补发电系统的MATLAB建模及仿真分析案例4100字】

风电互补发电系统的MATLAB建模及仿真分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u5517风电互补发电系统的MATLAB建模及仿真分析案例 1190551.1光伏发电系统MPPT控制及Boost电路 127831.2风力发电系统MPPT控制 3258511.3储能系统的建模和参数设置 467361.3.1储能模块的建模和参数设置 4116531.3.2双向DC-DC变换器建模和参数设置 581261.3.3储能系统充放电控制策略 7136251.4风光互补系统仿真分析 885141.1.1系统仿真模型及参数 8176421.1.2仿真分析 91.1光伏发电系统MPPT控制及Boost电路光伏电池Boost升压电路原理图如下图1.1所示：图1.1Boost电路原理图在电流连续的工作情况下输出电压满足：（4-1）其中D为开关器件的占空比，D<1,故UL其值始终大于Upv，达到升压的目的，通过调节占空比D就可以改变输出电压的大小。Boost电路中参数设计主要是升压电感和输出滤波电容的设计，工作在电流连续状态下，一个周期内电感上充放电相等，假设无损耗，Ppv=PRl，Ppv是光伏电池发出的功率，是负载上消耗的功率，，，为光伏电池光生电流，为光伏电池端电压，为流过负载的电流，为负载端电压，结合式（4-1）并有，又有，故有，其中为流过电感的电流，电感电流公式为，最后得到电感公式：(4-2)式中为采样周期，为电感上的纹波电流系数，，当时有最大值Lmax，为满足纹波要求电感的取值应满足电容C的设计应满足下式(4-3)式中为电压纹波系数，取1%。根据上述光伏模型，电导增量MPPT模型,搭建扰动观测法的Simulink仿真模型如下图3-4所示。图1.2扰动观测法MPPT仿真图仿真中最开始加入的条件是标准状况，即T=25Co图1.3扰动观测法输出端功率追踪图上述波形为扰动观测法MPPT的输出的波形。0s仿真开始运行，模拟光照强度由0W/㎡突增到1000W/㎡的情形，0.5s光照强度下降至800W/㎡，0.8s后光照重新上升至1000W/㎡。可以看出扰动观测算法跟踪最大功率点的响应时间为0.3s，即在0.3s时达到光伏电池的最大功率点附近，功率为3.5kw左右,由于步长的扰动原因，出现一小段的误扰动，最终稳态跟踪精度约为99.8%。1.2风力发电系统MPPT控制风力机的最大功率跟踪是风速发生变化时，在MPPT的控制下，风力发电系统可以实现对风能的最大捕获，并尽可能多的将风能转化能电能。根据风力发电机的功率与转速曲线，在风速一定的情况下，发电机存在一个固定的转速，可以使风力发电机达到最大功率输出，此时功率与角速度满足Dp/dω=0。在Boost升压电路中电路为例，通过改变占空比就可以实现最大功率的控制。(1)最佳叶尖速比法当风速发生变化时，通过控制方法使叶尖速保持最大，这样在任何风速下保持风能利用率最大，输出功率保持在最大功率点。它将风速与风力机转速作为输入信号，通过计算得出实际的叶尖速比，然后与给定的最佳叶尖速比进行比较，经过对偏差的不断调整，直到实际叶尖速比达到最优叶尖速比。该方法控制原理简单，只需一个控制器就能满足要求，不过需要对风速进行精确测量，并要求对最佳叶尖速比进行配置，增加了执行难度。（a）最佳叶尖速比法（2）功率反馈法功率反馈法不需要风速检测装置，运用了能量平衡的原理，根据风机的最大功率曲线控制发电机的功率输出。该方法需要提前知道风力机的功率转速曲线，通过测量实际转速得到实际功率，与最优功率比较，通过不断调节功率误差，使系统工作在最大功率点处。该算法的优点在于无需测量风速，避免了风速检测环节的诸多误差，缺点在于需要预先得到机组最大功率曲线，同时随着使用年限的增加，机组特性发生变化，控制精度将会下降。（b）功率反馈法（3）爬山搜索法爬山搜索法不需要专门的装备去测量风速，也不需要对风机的最大功率曲线进行研究，应用简单便捷。该方法通过对风力机转速人为施加扰动，然后通过测量功率变化，自动搜索发电机最优转速点，控制方法简单，控制过程基本由软件编程实现，具有自动追踪与自适应能力。本文风力发电最大功率跟踪采用爬山搜索法，设置固定步长为0.48，扰动步长为0.001，图5-8为爬山搜索发法仿真模型，采用该模型进行风力机最大功率跟踪。（c）爬山法MPPT控制1.3储能系统的建模和参数设置本文设计的储能系统包括：基于双向DCDC变换器的储能系统充放电控制的主电路、蓄电池模块、超级电容模块、双向DCDC变换器。下面将分别讨论蓄电池模块、超级电容、双向DCDC变换器及控制系统的参数设置的模型搭建。1.3.1储能模块的建模和参数设置首先，从图d中所示的ExtraSources中选中我们所需要的蓄电池（Battery）模块，具体模块的参数设置如图4-2所示。（d）Simulink中的电源模块图4-2给出了蓄电池模块的模块和参数设置。通过Parameters中的“type”选择目前常用的铅酸电池，参数设置为：标称电压为300V，额定容量为9.6Ah，内部电流为90%，蓄电池的响应时间为30s，其他参数设置参数采用默认值。（e）Battery模块的参数设置1.3.2双向DC-DC变换器建模和参数设置根据前文所介绍的如图1.4所示的半桥DCDC变换器的电路图。从图可以看到，该电路主要包括电感L，电容C，以及2个开关管，仿真中开关管采用IGBT。图1.4双向DCDC变换器的电路图图1.5给出了蓄电池和双向半桥DCDC变换器的连接电路图的仿真模型。另外，为了便于仿真模型的管理和美观处理，文中采用子系统的封装方法，封装后的模块如图f所示。图1.5蓄电池和双向半桥DCDC变换器的连接电路图的仿真模型下图为蓄电池和双向半桥DCDC变换器的连接电路图的仿真模型子系统封装图如下所示：（f）蓄电池和双向半桥DCDC变换器子系统封装图图f中，S1和S2分别为DCDC变换器中开关管的PWM脉冲信号输入，Isc和SOC分别为蓄电池电流和蓄电池的含电量。+和-分别为DCDC变换器的正极和负极。1.3.3储能系统充放电控制策略蓄电池充放电的控制框图，具体如图1.6所示。该控制策略采用电压环和电流环控制的双闭环控制，且电流环和电压环均采用PI调节器。对于电压环控制而言，其主要作用就是让实际电压实时跟踪参考电压，即使受到外界扰动；电流环的作用就是让实际电流实时跟踪参考电流值，提高系统的动态响应速度。为保证电池的使用寿命，防止电池过放和过充，这里的设计中取电池的SOC在20%~80%。当蓄电池的电量SOC大于100或者小于20时，此时控制算法就会封锁PWM脉冲，让双向变换器停止工作，即在低于20%时停止放电，高于80%时停止充电。另外，同样对该控制算法进行了封装，如图1.6所示。图1.6充放电控制的控制框图1.7双闭环控制的仿真模型（g）蓄电池双闭环控制的子系统封装图图中，输出S1和S2分别为DCDC变换器中开关管的PWM脉冲信号输入，输入Vdc、Isc和SOC分别为负载电压、蓄电池电流和蓄电池的含电量。1.4风光互补系统仿真分析本文所建的风光互补直流系统的结构和功率分布示意图如图1.9所示主要包括：(1)微电源：光伏发电系统提供直流形式的电能，风力发电系统输出交流电，二者均是直流微电网的重要组成部分。通常，为了提高分布式电源的利用效率，PV系统和PMSG系统一般工作在MPPT状态，但在特殊情况下对其按需做降功率处理。(2)储能系统：蓄电池通过双向DC-DC变换器并入直流微电网。若大电网发生故障，直流微电网脱网运行，DG发出功率过多，系统内负荷无法消纳时，导致直流母线电压上升，此时采用储能系统存储剩余功率，恢复母线电压恒定；反之，当系统功率有缺额造成直流母线电压下降时，蓄电池通过恒压放电控制，来恢复母线电压的稳定，维持系统内功率的平衡。(3)接口电路：PV系统通过Boost升压变换器接口与直流微电网相连；PMSG系统通过整流电与直流微电网相连；储能系统通过双向DCDC变换器接入直流母线.1.1.1系统仿真模型及参数图1.9整体系统仿真模型建立系统仿真模型如图1.9所示，其中，光伏电池在额定温度光照条件下输出的功率为12.5kW；母线电压设置为400V；采用蓄电池作为储能系统，充放电控制方式采用电压电流双闭环控制策略；风力发电系统采用PMSG；光照模拟条件：初始光照设置1000W/m2，在0.5s光照强度下降至500W/m2；初始风速设置10m/s，在1s后上升至14m/s。1.1.2仿真分析总限值设定的功率肯定大于单个太阳能和风能提供的功率，并根据实际情况而定（天气，规模等）。而下限设定值则是根据设备的经济效益来设定的，如果风能或太阳能提供的功率小于设定的下限值，那么则无需工作，因为工作设备本身也需要电能，或者其他的比如使用的越多设备的寿命也会随之降低，从综合角度来考虑，停止设备工作节省的电能和经济价值反而比使用来得经济划算。而上限设定值则是根据以往经验或者年均能量值来设定的。根据以上原则，确定本风光系统的功率限值互补控制策略，即根据功率控制策略将太阳能和风能功率与设定值进行一定的比较，此设定值根据设备的规模，当地的天气情况而预先设定，太阳能和风能的上限设定值各不相同。（h）风光互补系统母线电压（i）有风有光时系统供电情况（1）有风有光的情况如图i所示，系统由风力发电部分与光伏发电共同向负载与储能系统供电。由图h、图i可知，离网系统开始运行时。在光伏，储能电池，风力发电系统之间，功率进行分配，风力机，光伏电池板在0.16s左右功率达到最大，母线电压达到稳定值400V。此时蓄电池处于充电状态，吸收功率。光伏和风机的输出功率等于负荷和储能系统的功率和，有功率关系式PV+PF=PB+PL。PV为光伏输出功率，PF为风机功率。PB为储能系统功率，PL为负荷功率。在0.5s时，由于光照强度下降，光伏的输出功率下降，不足以支撑母线电压的稳态值，会有所降低；若没有蓄电池的恒压控制，那么母线电压将会一直保持较低的电压等级。所以储能系统可以实现能量的存储和释放，从而使得母线电压再次维持到稳态值。在1s后由于风速增加，风机功率增大，储能系统吸收更多的能量来维持光伏、风电系统、负荷、储能系统四者之间的功率平衡，反应在母线电压上，就是母线电压再次达到稳态值。（2）有风无光是系统供电如图j所示，在0.5s之后我们设定光照强度变小（几乎为零），然后光伏系统停止工作，风力发电系统正常运行，此时负载由风力发电部分与蓄电池进行供电。（j）有风无光时系统供电情况（3）有光照强度，但是没有风