基于MATLAB的风力发电模拟实验系统设计

何佳旺 魏立明

（吉林建筑大学电气与计算机学院 长春 130118）

引言

风力发电由于风能的不确定性，使风力发电系统对风能的有效利用造成困难，且风力发电系统的实际操作困难性造成很难在低成本的条件下观察不同风速下风机的各部分运行参数[1，2]。故本文通过MATLAB模拟实验仿真平台对风力发电系统一次回路进行设计与仿真，采取PLC控制策略，在得出占空比与有功功率的关系基础上，进行MATLAB仿真实验，进一步分析虚拟仿真平台的的使用效果，以及验证风机各部分运行参数的准确性。

1 风力发电模拟实验系统的结构与组成

风力发电是通过涡轮机获得的风能转换成机械能用来驱动风力机，再将此种机械能传给发电机，用来驱动发电机的快速旋转来产生电能[3，4]。依据此原理，本文所设计模拟实验平台系统主要是由三菱FX1n60MR PLC、触摸屏、频率转换器、中继组、风电场操作状态的显示单元、输出显示单元、端子块、可调电阻器、断路器、网架等相关模块构成。该系统是在实验室内无外界风力干扰的条件下运行，因此可以在手动情况下，调节此风场的风速，对风力的顺时针顺时针和逆时针控制，还可以随时进行启动或者停止偏航系统等操作，忽略外界条件干扰因素。在操作系统触摸屏时，当输入风场的种种信息以后，关于系统的运行状态和偏航状态等就会在触摸屏中显现出来，风场的实时风速和移动方向等信息便可以进行查看与记录，根据所得数据能够进一步研究与分析。

2 实验平台总体设计方案

本次设计是为解决风电实验中那些较难实现的困难，首先要建立一套切近实际的平台作为实验对象，前提是绝对静止条件下，对其给风，模型会由于受到风的作用而开始产生电，观察实验对象工作流程以及特定性。本文选用的PLC是三菱，它的标准电压为220 V交流电。它的作用较多，也是整个系统的控制中心，不但能接收、收集风能，确定信号位置和风速大小，以及风源位置，还可利用这些信号，再配合所对应的程序实现精准控制的效果，它能通过程序读出所有信号的对应设备。

一次回路也是此次实验比不可少的一部分，它是利用将数个一次设备进行连接制造出一个有效电气回路。图1显示的是由三台电机构成的一次回路连线图。电源选择三相开关接入，当对其施加一个低电压断路器时电路中继电器KA1和KA2会产生220 V的交流电，将电压传送到交流电动机内部。

图1 风力发电模拟实验系统一次回路

3 风力发电模拟实验系统建模及仿真

3.1 风力机模型及系统仿真模型

风力机和永磁同步机的连接方式是同轴相连，其中发电机机械角速度m需与风轮转动速度r相同。利用等式可知其输出功率为pm时，所对应的机械扭矩为：

风力机仿真模型参数：其中风轮的半径为R =2 m，空气密度为 1.225 kg/m3，根据所给参数建立仿真模型，如图2所示。

图2 风力机仿真模型

3.2 MPPT控制策略模型

图3为本文所设计的小型风力发电系统直流-直流降压斩波器，还称Buck电路。

图3 Buck 降压斩波器

1）输出功率的采样模型

比较前后时刻的输出功率差值，由MPPT 控制策略反馈输出功率，进行下一步的处理。其中前一采样时刻的输出功率是P(n 1)，此刻的实时输出功率是P(n)，瞬时输出功率是P(t)。采用平均值滤波方法，对P(n1) 和 P(n)各采样五次，然后取平均值。控制采样次数是Ts，周期为1/5输出功率采样时间。当采样次数达到5次时，如图4所示。

图4 输出功率采样模型

2）变步长扰动法 MPPT 仿真模型

比较图4中 P(n) 和 P(n-1)值的大小。当 P(n)＜P(n-1)时，则输出功率趋向于减少方向跟踪；反之则输出功率趋向于增加方向跟踪。如图5所示。

图5 占空比调整模型

图6是将图4、图5两图的模型合成一起，组成为 MPPT 控制模型。将多次采集的P(n1)和P(n 1)时刻的输出功率信息取平均值，将计算后的数据进行比较，采用变步长扰动法追踪最大功率点，保证系统在任何条件下都能够保持最佳运行状态，输出功率保持唯一最大值。可通过 Dcontrol 单元设置MPPT 策略是扰动观察法还是变步长 MPPT 控制策略。

图6 MPPT 控制模型

4 实验仿真结果

4.1 Buck 电路仿真结果与分析

对最大和最小值分别进行详细讨论和仿真模拟，选择7 m/s的风速对Buck电路进行电压与电流的输入，其中发电机可以产生710 V的电压，而逆变器对应的电压则为900 V，调节斩波器占空比为α=0.45，斩波器输出大小为 400 V 的直流电，但斩波器的输入电流仅为1.9 A上下。

本文所选用基波是50 Hz，频率是20 kHz的逆变器，其所自由的低次、高次谐波能够实现频率的变换，在SPWM波中有3倍基波在其附近，其中150 Hz谐波的周围居多，为使其满足正选拨要求，在使用前需要进行滤波设置，通过LC滤波电路进行谐波过程叫做低通滤波器。

4.2 输出功率与占空比特性曲线分析

当风速V分别为7～10 m/s时， 输出有功功率与占空比D特性曲线，如图 8所示。

图7 斩波器输入电压和输出电压，电流波形(D=0.7)

图8 不同风速下的输出有功功率与占空比曲线

由图8可知，随着风力的加大，有功功率输出与占空比比值逐渐增大，风能利用系数提高，从而可以得出本文设计的系统具有良好的稳定性，此结果说明本文设计的小型风力系统具有实际意义。利用多种不同风速控制法比较，找到提高功率因数且实现跟踪的快速性，极大的稳固了系统的稳定性。

5 结论

本文针对风力发电实验系统进行设计，分别对风力发电原理、实验台控制系统、风力发电实验模型构建以及系统中一次回路仿真等问题进行了详细地阐述，采用PLC作为技术方法对其进行参数设置与控制，利用MATLAB软件进行系统仿真，在不同风速下、不同占空比情况下的发电机输出功率，通过仿真结果分析表明系统在低成本、低消耗下可以实时查看风机各部分运行中参数的变化，以及输出功率定量变化。本文所设计风力发电实验系统具有较好的稳定性、可靠性和实用性，为该领域中科研和实验教学提供了较好的平台，具有良好的推广价值和应用前景。