风力发电系统输出功率随机波动的仿真分析

潘晓悦

（上海市电力公司奉贤供电公司，上海 201400）

0 引言

风能是一种自然资源，风电功率取决于风速，具有不可控和不可预期性，因此风电并网功率波动很大，会对电网安全运行的稳定性及经济性带来影响。蓄电池储能系统是风力发电系统中保持电力平衡和电能质量的关键系统。在一个典型、独立的风力发电系统中，应用蓄电池的充放电特性，在风速变化以及负荷瞬变时进行功率平衡的调节，可以使风力发电系统正常供电。

为了验证风电场的直流侧蓄电池储能系统在这个典型、独立的风力发电系统中，在瞬态负载和可变风速条件下满足系统电能的平衡要求，采用MATLAB／Simulink对固定负载，变化风速工况；固定风速，负荷瞬变工况；风速和负荷同时变化工况；通过建模进行了仿真试验和分析。

1 建模参数

1.1 风力发电系统

风轮采用3叶片，选用玻璃钢纤维，层流翼型，升阻比高，性能优良。发电机采用永磁同步发电机（PMSG），通过轴系直接耦合在轮毂上，由叶轮直接驱动发电，不需要齿轮箱等中间传动部件。永磁同步发电机经背靠背式全功率变频器系统与电网相连，通过变频控制系统来实现风电机组的变速运行。

风力发电系统的发电机功率为1.5MW；空载反电动势为894.45V；齿部磁密度为1.744T；电压为690.23V；电流为1.26kA；铁心损耗为8.075kW；电枢铜损为74.215W；效率为94.24%；短路电流为2.17kA。

1.2 蓄电池储能系统

蓄电池采用全钒氧化还原液流电池，电池安放两舱。在每个舱室内有离子膜硫酸钒酸电解质，由两个独立的电解质槽的舱室泵将电解质溶液平行流过电极表面并发生电化学反应，通过双电极板收集和传导电流。这个反应过程可以逆反进行，对电池进行充电、放电和再充电。蓄电池储能系统的储能容量为1 100kWh；持续4h的输电功率为200kW；峰时10s的最大输出功率为400kW、5min为300kW。

2 MATLAB仿真分析

使用MATLAB／Simulink软件进行仿真和模拟的风力发电系统框图，如图1所示。在构建风力发电系统动态模型框图的基础上，设计详细的每个模块仿真图［1，2］。

图1 风力发电系统建模框图

为了验证风力发电系统中直流侧储能系统的作用，根据定量分析的原理进行了3种工况的仿真试验［3，4］。

2.1 固定负载，变化风速的仿真

设负荷为1.1MW，保持不变；风速为12m／s，t为0s，并考虑了稳态条件。仿真开始后2s，风速从12m／s下降至7m／s，t为4s，保持2s，风速从7m／s上升至12m／s，保持2s，仿真结束时t为10s。固定负载，变化风速的仿真波形，如图2所示。

从图2可以看出，发电机的转速和输出功率，随着风速的变化而变化。发电机的输出电压和输出电流的波形（电压和电流图放大显示为0.05s一个周期的波形），可以看出发电机的输出电压和输出电流还算平稳。

在负荷不变的情况下，流经电池的电流，随风速变化而变化。与预计的一样，当发电机风速降低而输出功率降低时，由于负荷侧的负载不变，此时需要蓄电池向负荷侧供电。

从固定负载，变化风速时仿真波形图可以清晰地看到，蓄电池从原来的充电状态转变为放电状态（电流由正变负）。当风速回复到原来的状态，蓄电池又恢复到充电状态。

电池容量从原来的容量不断增加，到后来容量减少，再到容量增加，都是随着流经电池电流的变化而变化。

图2 固定负载，变化风速时的仿真波形

为了直观地看出固定负载，变化风速时发电机输出功率、负荷侧功率和电池的功率变化情况，将3条曲线整合到一张图中，如图3所示。

图3 固定负载，变化风速时的功率曲线图

从图3可以看到，电池的功率加上负荷侧功率等于发电机输出功率，说明仿真成功。

2.2 固定风速，负载瞬变的仿真

设风速恒定为12m／s，并考虑了稳态条件。仿真开始时t为0s，负荷为1.2MW，1s后负荷从1.2MW下降至0.8MW，保持2s，负荷很快从0.8MW上升至1.2MW，保持2s，负荷从1.2 MW上升至1.6MW，保持2s，仿真结束时t为10s。固定风速，负载瞬变的仿真波形，如图4所示。

图4 固定风速，负载瞬变时的仿真波形

从图4可以看到，由于风速恒定为12m／s，所以发电机转速非常稳定，保持在20r／min。由于发电机输出功率稳定，保持在1.25MW。从发电机的输出电压和输出电流的仿真波形（电压和电流图放大显示为0.08s一个周期的波形）可以看出，输出电压和输出电流都比较平稳。随着负荷侧电流的变化，流经电池的电流也随之变化。当发电机风速不变，负荷侧按照设定的参数变化时，蓄电池向负荷侧供电。当负荷侧电流大于设定值时蓄电池充电，当负荷侧电流小于设定值时蓄电池转为放电状态，电池容量的有序变化也说明了这一点。

为了直观地看出固定风速，负载瞬间变化时发电机输出功率、负荷侧功率和电池的功率变化情况，将3条曲线整合到一张图中，如图5所示。

图5 固定风速，负载瞬变时的功率曲线图

从图5可以看到，电池的功率加上负荷侧功率等于发电机输出功率，说明仿真成功。

2.3 风速和负荷同时变化的仿真

设风速为12m／s，t为0s，并考虑了稳态条件。仿真开始后2s，风速从12m／s下降至7m／s，t为4s，保持2s后风速从7m／s上升至12m／s，保持2s，仿真结束时t为10s，风速变化的仿真曲线图，如图6所示。

图6 风速变化图

设初始负荷为1.2MW，仿真开始时t为0s，1s后负荷从1.2MW下降至0.8MW，保持2s，负荷从0.8MW上升至1.2MW，保持2s，负荷从1.2MW上升至1.6MW，保持2s，仿真结束时t为10s，负载瞬间变化的仿真曲线图，如图7所示。

图7 负荷瞬间变化图

风速和负荷同时变化的仿真波形，如图8所示。

图8 风速和负荷同时变化的仿真波形

从图8可以看到，随着风速的变化，发电机转速和发电机输出功率随之变化。发电机的输出电压和输出电流的仿真波形（输出电压和输出电流图放大显示为0.08s一个周期的波形），可以看出输出电压和输出电流都比较平稳，同时也显示了与设定值有关的负荷侧电流变化仿真波形。随着发电机风速和负荷侧电流的变化，流经电池的电流，也随之变化并向负荷侧供电，电池容量有序变化。

为了直观地看出风速和负荷同时变化时发电机输出功率、负荷侧功率和电池充放电功率变化情况，将3条曲线整合到一张图中，如图9所示。

这次仿真是在风速和负荷同时变化的情况下，要求蓄电池正常充放电，在发电机输出功率不足时放电，功率过剩时充电。从图9可以清楚地看到，电池的功率加上负荷侧功率等于发电机输出功率，说明仿真成功。

图9 风速和负荷同时变化时的功率曲线

3 结语

1）仿真结果表明，在不同的控制策略下，风力发电系统的蓄电池储能系统，能够很好地发挥平衡功率的作用，不仅可以在系统出现功率过剩时有效储存由风力发电机提供的电能，而且能够在风速扰动下快速平滑风电场的功率输出，降低风电波动对电网的冲击，并在风速过低导致风电发电不足时，作为补充电源向重要负荷提供电能，以平衡整个系统。

2）通过风力发电系统输出功率随机波动的仿真试验，提出了一种使用蓄电池的风力发电系统直流侧能源存储设备的独立风能转换系统，并对稳定输出电压及功率进行了分析。采用一个双向的充电／放电控制器，使得蓄电池能够保持负载电压，同时也能限制流向蓄电池的电流过高。仿真结果表明，在瞬态负载和可变风速条件下的系统电能能够满足平衡。蓄电池的应用从技术上来说是可行的，而且蓄电池很适合作为储能手段应用于可再生能源。

为了最大限度地利用风能发电，采用直流储能是个好方法。相信在不久的将来，储能会更加方便快捷，存储容量也会更大，储能新设备的诞生，可以更好地应用于电能削峰填谷，维护电力系统的安全稳定运行，发挥更大的作用。

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