風(fēng)電互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的MATLAB建模及仿真分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u5517風(fēng)電互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的MATLAB建模及仿真分析案例 1190551.1光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT控制及Boost電路 127831.2風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)MPPT控制 3258511.3儲(chǔ)能系統(tǒng)的建模和參數(shù)設(shè)置 467361.3.1儲(chǔ)能模塊的建模和參數(shù)設(shè)置 4116531.3.2雙向DC-DC變換器建模和參數(shù)設(shè)置 581261.3.3儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電控制策略 7136251.4風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)仿真分析 885141.1.1系統(tǒng)仿真模型及參數(shù) 8176421.1.2仿真分析 91.1光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT控制及Boost電路光伏電池Boost升壓電路原理圖如下圖1.1所示：圖1.1Boost電路原理圖在電流連續(xù)的工作情況下輸出電壓滿足：（4-1）其中D為開(kāi)關(guān)器件的占空比，D<1,故UL其值始終大于Upv，達(dá)到升壓的目的，通過(guò)調(diào)節(jié)占空比D就可以改變輸出電壓的大小。Boost電路中參數(shù)設(shè)計(jì)主要是升壓電感和輸出濾波電容的設(shè)計(jì)，工作在電流連續(xù)狀態(tài)下，一個(gè)周期內(nèi)電感上充放電相等，假設(shè)無(wú)損耗，Ppv=PRl，Ppv是光伏電池發(fā)出的功率，是負(fù)載上消耗的功率，，，為光伏電池光生電流，為光伏電池端電壓，為流過(guò)負(fù)載的電流，為負(fù)載端電壓，結(jié)合式（4-1）并有，又有，故有，其中為流過(guò)電感的電流，電感電流公式為，最后得到電感公式：(4-2)式中為采樣周期，為電感上的紋波電流系數(shù)，，當(dāng)時(shí)有最大值Lmax，為滿足紋波要求電感的取值應(yīng)滿足電容C的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足下式(4-3)式中為電壓紋波系數(shù)，取1%。根據(jù)上述光伏模型，電導(dǎo)增量MPPT模型,搭建擾動(dòng)觀測(cè)法的Simulink仿真模型如下圖3-4所示。圖1.2擾動(dòng)觀測(cè)法MPPT仿真圖仿真中最開(kāi)始加入的條件是標(biāo)準(zhǔn)狀況，即T=25Co圖1.3擾動(dòng)觀測(cè)法輸出端功率追蹤圖上述波形為擾動(dòng)觀測(cè)法MPPT的輸出的波形。0s仿真開(kāi)始運(yùn)行，模擬光照強(qiáng)度由0W/㎡突增到1000W/㎡的情形，0.5s光照強(qiáng)度下降至800W/㎡，0.8s后光照重新上升至1000W/㎡?？梢钥闯鰯_動(dòng)觀測(cè)算法跟蹤最大功率點(diǎn)的響應(yīng)時(shí)間為0.3s，即在0.3s時(shí)達(dá)到光伏電池的最大功率點(diǎn)附近，功率為3.5kw左右,由于步長(zhǎng)的擾動(dòng)原因，出現(xiàn)一小段的誤擾動(dòng)，最終穩(wěn)態(tài)跟蹤精度約為99.8%。1.2風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)MPPT控制風(fēng)力機(jī)的最大功率跟蹤是風(fēng)速發(fā)生變化時(shí)，在MPPT的控制下，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)能的最大捕獲，并盡可能多的將風(fēng)能轉(zhuǎn)化能電能。根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率與轉(zhuǎn)速曲線，在風(fēng)速一定的情況下，發(fā)電機(jī)存在一個(gè)固定的轉(zhuǎn)速，可以使風(fēng)力發(fā)電機(jī)達(dá)到最大功率輸出，此時(shí)功率與角速度滿足Dp/dω=0。在Boost升壓電路中電路為例，通過(guò)改變占空比就可以實(shí)現(xiàn)最大功率的控制。(1)最佳葉尖速比法當(dāng)風(fēng)速發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)控制方法使葉尖速保持最大，這樣在任何風(fēng)速下保持風(fēng)能利用率最大，輸出功率保持在最大功率點(diǎn)。它將風(fēng)速與風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速作為輸入信號(hào)，通過(guò)計(jì)算得出實(shí)際的葉尖速比，然后與給定的最佳葉尖速比進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)對(duì)偏差的不斷調(diào)整，直到實(shí)際葉尖速比達(dá)到最優(yōu)葉尖速比。該方法控制原理簡(jiǎn)單，只需一個(gè)控制器就能滿足要求，不過(guò)需要對(duì)風(fēng)速進(jìn)行精確測(cè)量，并要求對(duì)最佳葉尖速比進(jìn)行配置，增加了執(zhí)行難度。（a）最佳葉尖速比法（2）功率反饋法功率反饋法不需要風(fēng)速檢測(cè)裝置，運(yùn)用了能量平衡的原理，根據(jù)風(fēng)機(jī)的最大功率曲線控制發(fā)電機(jī)的功率輸出。該方法需要提前知道風(fēng)力機(jī)的功率轉(zhuǎn)速曲線，通過(guò)測(cè)量實(shí)際轉(zhuǎn)速得到實(shí)際功率，與最優(yōu)功率比較，通過(guò)不斷調(diào)節(jié)功率誤差，使系統(tǒng)工作在最大功率點(diǎn)處。該算法的優(yōu)點(diǎn)在于無(wú)需測(cè)量風(fēng)速，避免了風(fēng)速檢測(cè)環(huán)節(jié)的諸多誤差，缺點(diǎn)在于需要預(yù)先得到機(jī)組最大功率曲線，同時(shí)隨著使用年限的增加，機(jī)組特性發(fā)生變化，控制精度將會(huì)下降。（b）功率反饋法（3）爬山搜索法爬山搜索法不需要專(zhuān)門(mén)的裝備去測(cè)量風(fēng)速，也不需要對(duì)風(fēng)機(jī)的最大功率曲線進(jìn)行研究，應(yīng)用簡(jiǎn)單便捷。該方法通過(guò)對(duì)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速人為施加擾動(dòng)，然后通過(guò)測(cè)量功率變化，自動(dòng)搜索發(fā)電機(jī)最優(yōu)轉(zhuǎn)速點(diǎn)，控制方法簡(jiǎn)單，控制過(guò)程基本由軟件編程實(shí)現(xiàn)，具有自動(dòng)追蹤與自適應(yīng)能力。本文風(fēng)力發(fā)電最大功率跟蹤采用爬山搜索法，設(shè)置固定步長(zhǎng)為0.48，擾動(dòng)步長(zhǎng)為0.001，圖5-8為爬山搜索發(fā)法仿真模型，采用該模型進(jìn)行風(fēng)力機(jī)最大功率跟蹤。（c）爬山法MPPT控制1.3儲(chǔ)能系統(tǒng)的建模和參數(shù)設(shè)置本文設(shè)計(jì)的儲(chǔ)能系統(tǒng)包括：基于雙向DCDC變換器的儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電控制的主電路、蓄電池模塊、超級(jí)電容模塊、雙向DCDC變換器。下面將分別討論蓄電池模塊、超級(jí)電容、雙向DCDC變換器及控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置的模型搭建。1.3.1儲(chǔ)能模塊的建模和參數(shù)設(shè)置首先，從圖d中所示的ExtraSources中選中我們所需要的蓄電池（Battery）模塊，具體模塊的參數(shù)設(shè)置如圖4-2所示。（d）Simulink中的電源模塊圖4-2給出了蓄電池模塊的模塊和參數(shù)設(shè)置。通過(guò)Parameters中的“type”選擇目前常用的鉛酸電池，參數(shù)設(shè)置為：標(biāo)稱(chēng)電壓為300V，額定容量為9.6Ah，內(nèi)部電流為90%，蓄電池的響應(yīng)時(shí)間為30s，其他參數(shù)設(shè)置參數(shù)采用默認(rèn)值。（e）Battery模塊的參數(shù)設(shè)置1.3.2雙向DC-DC變換器建模和參數(shù)設(shè)置根據(jù)前文所介紹的如圖1.4所示的半橋DCDC變換器的電路圖。從圖可以看到，該電路主要包括電感L，電容C，以及2個(gè)開(kāi)關(guān)管，仿真中開(kāi)關(guān)管采用IGBT。圖1.4雙向DCDC變換器的電路圖圖1.5給出了蓄電池和雙向半橋DCDC變換器的連接電路圖的仿真模型。另外，為了便于仿真模型的管理和美觀處理，文中采用子系統(tǒng)的封裝方法，封裝后的模塊如圖f所示。圖1.5蓄電池和雙向半橋DCDC變換器的連接電路圖的仿真模型下圖為蓄電池和雙向半橋DCDC變換器的連接電路圖的仿真模型子系統(tǒng)封裝圖如下所示：（f）蓄電池和雙向半橋DCDC變換器子系統(tǒng)封裝圖圖f中，S1和S2分別為DCDC變換器中開(kāi)關(guān)管的PWM脈沖信號(hào)輸入，Isc和SOC分別為蓄電池電流和蓄電池的含電量。+和-分別為DCDC變換器的正極和負(fù)極。1.3.3儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電控制策略蓄電池充放電的控制框圖，具體如圖1.6所示。該控制策略采用電壓環(huán)和電流環(huán)控制的雙閉環(huán)控制，且電流環(huán)和電壓環(huán)均采用PI調(diào)節(jié)器。對(duì)于電壓環(huán)控制而言，其主要作用就是讓實(shí)際電壓實(shí)時(shí)跟蹤參考電壓，即使受到外界擾動(dòng)；電流環(huán)的作用就是讓實(shí)際電流實(shí)時(shí)跟蹤參考電流值，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。為保證電池的使用壽命，防止電池過(guò)放和過(guò)充，這里的設(shè)計(jì)中取電池的SOC在20%~80%。當(dāng)蓄電池的電量SOC大于100或者小于20時(shí)，此時(shí)控制算法就會(huì)封鎖PWM脈沖，讓雙向變換器停止工作，即在低于20%時(shí)停止放電，高于80%時(shí)停止充電。另外，同樣對(duì)該控制算法進(jìn)行了封裝，如圖1.6所示。圖1.6充放電控制的控制框圖1.7雙閉環(huán)控制的仿真模型（g）蓄電池雙閉環(huán)控制的子系統(tǒng)封裝圖圖中，輸出S1和S2分別為DCDC變換器中開(kāi)關(guān)管的PWM脈沖信號(hào)輸入，輸入Vdc、Isc和SOC分別為負(fù)載電壓、蓄電池電流和蓄電池的含電量。1.4風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)仿真分析本文所建的風(fēng)光互補(bǔ)直流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功率分布示意圖如圖1.9所示主要包括：(1)微電源：光伏發(fā)電系統(tǒng)提供直流形式的電能，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出交流電，二者均是直流微電網(wǎng)的重要組成部分。通常，為了提高分布式電源的利用效率，PV系統(tǒng)和PMSG系統(tǒng)一般工作在MPPT狀態(tài)，但在特殊情況下對(duì)其按需做降功率處理。(2)儲(chǔ)能系統(tǒng)：蓄電池通過(guò)雙向DC-DC變換器并入直流微電網(wǎng)。若大電網(wǎng)發(fā)生故障，直流微電網(wǎng)脫網(wǎng)運(yùn)行，DG發(fā)出功率過(guò)多，系統(tǒng)內(nèi)負(fù)荷無(wú)法消納時(shí)，導(dǎo)致直流母線電壓上升，此時(shí)采用儲(chǔ)能系統(tǒng)存儲(chǔ)剩余功率，恢復(fù)母線電壓恒定；反之，當(dāng)系統(tǒng)功率有缺額造成直流母線電壓下降時(shí)，蓄電池通過(guò)恒壓放電控制，來(lái)恢復(fù)母線電壓的穩(wěn)定，維持系統(tǒng)內(nèi)功率的平衡。(3)接口電路：PV系統(tǒng)通過(guò)Boost升壓變換器接口與直流微電網(wǎng)相連；PMSG系統(tǒng)通過(guò)整流電與直流微電網(wǎng)相連；儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)雙向DCDC變換器接入直流母線.1.1.1系統(tǒng)仿真模型及參數(shù)圖1.9整體系統(tǒng)仿真模型建立系統(tǒng)仿真模型如圖1.9所示，其中，光伏電池在額定溫度光照條件下輸出的功率為12.5kW；母線電壓設(shè)置為400V；采用蓄電池作為儲(chǔ)能系統(tǒng)，充放電控制方式采用電壓電流雙閉環(huán)控制策略；風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用PMSG；光照模擬條件：初始光照設(shè)置1000W/m2，在0.5s光照強(qiáng)度下降至500W/m2；初始風(fēng)速設(shè)置10m/s，在1s后上升至14m/s。1.1.2仿真分析總限值設(shè)定的功率肯定大于單個(gè)太陽(yáng)能和風(fēng)能提供的功率，并根據(jù)實(shí)際情況而定（天氣，規(guī)模等）。而下限設(shè)定值則是根據(jù)設(shè)備的經(jīng)濟(jì)效益來(lái)設(shè)定的，如果風(fēng)能或太陽(yáng)能提供的功率小于設(shè)定的下限值，那么則無(wú)需工作，因?yàn)楣ぷ髟O(shè)備本身也需要電能，或者其他的比如使用的越多設(shè)備的壽命也會(huì)隨之降低，從綜合角度來(lái)考慮，停止設(shè)備工作節(jié)省的電能和經(jīng)濟(jì)價(jià)值反而比使用來(lái)得經(jīng)濟(jì)劃算。而上限設(shè)定值則是根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)或者年均能量值來(lái)設(shè)定的。根據(jù)以上原則，確定本風(fēng)光系統(tǒng)的功率限值互補(bǔ)控制策略，即根據(jù)功率控制策略將太陽(yáng)能和風(fēng)能功率與設(shè)定值進(jìn)行一定的比較，此設(shè)定值根據(jù)設(shè)備的規(guī)模，當(dāng)?shù)氐奶鞖馇闆r而預(yù)先設(shè)定，太陽(yáng)能和風(fēng)能的上限設(shè)定值各不相同。（h）風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)母線電壓（i）有風(fēng)有光時(shí)系統(tǒng)供電情況（1）有風(fēng)有光的情況如圖i所示，系統(tǒng)由風(fēng)力發(fā)電部分與光伏發(fā)電共同向負(fù)載與儲(chǔ)能系統(tǒng)供電。由圖h、圖i可知，離網(wǎng)系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)。在光伏，儲(chǔ)能電池，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)之間，功率進(jìn)行分配，風(fēng)力機(jī)，光伏電池板在0.16s左右功率達(dá)到最大，母線電壓達(dá)到穩(wěn)定值400V。此時(shí)蓄電池處于充電狀態(tài)，吸收功率。光伏和風(fēng)機(jī)的輸出功率等于負(fù)荷和儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率和，有功率關(guān)系式PV+PF=PB+PL。PV為光伏輸出功率，PF為風(fēng)機(jī)功率。PB為儲(chǔ)能系統(tǒng)功率，PL為負(fù)荷功率。在0.5s時(shí)，由于光照強(qiáng)度下降，光伏的輸出功率下降，不足以支撐母線電壓的穩(wěn)態(tài)值，會(huì)有所降低；若沒(méi)有蓄電池的恒壓控制，那么母線電壓將會(huì)一直保持較低的電壓等級(jí)。所以?xún)?chǔ)能系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)能量的存儲(chǔ)和釋放，從而使得母線電壓再次維持到穩(wěn)態(tài)值。在1s后由于風(fēng)速增加，風(fēng)機(jī)功率增大，儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收更多的能量來(lái)維持光伏、風(fēng)電系統(tǒng)、負(fù)荷、儲(chǔ)能系統(tǒng)四者之間的功率平衡，反應(yīng)在母線電壓上，就是母線電壓再次達(dá)到穩(wěn)態(tài)值。（2）有風(fēng)無(wú)光是系統(tǒng)供電如圖j所示，在0.5s之后我們?cè)O(shè)定光照強(qiáng)度變小（幾乎為零），然后光伏系統(tǒng)停止工作，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)正常運(yùn)行，此時(shí)負(fù)載由風(fēng)力發(fā)電部分與蓄電池進(jìn)行供電。（j）有風(fēng)無(wú)光時(shí)系統(tǒng)供電情況（3）有光照強(qiáng)度，但是沒(méi)有風(fēng)