基于MATLAB的风力发电系统单相整流/逆变电路仿真研究

李伟栋

(中南勘测设计研究院，湖南 长沙 410014)

基于MATLAB的风力发电系统单相整流/逆变电路仿真研究

李伟栋

(中南勘测设计研究院，湖南 长沙 410014)

介绍了风力发电的能量转换，风力发电机的发展，以及并网换流器。搭建了基于MATLAB/Simulink的单相整流/逆变电路仿真模型，并对该模型进行仿真，仿真结果表明，搭建的单相整理/逆变电路能较好的模拟风力发电系统变流器的工作过程，对进一步提高变流器的性能具有促进作用。

风力发电机;整流/逆变电路;换流器;MATLAB/Simulink

1 引言

随着能源危机的不断加剧，环境的日益恶化，可再生能源尤其是风能的开发利用得到各国的广泛关注。从上世纪80年代至今的三十多年中，系列风力发机的额定功率与直径增长十分迅速[1]。目前的风力发电系统发电过程为先将风电机发出的交流电整流成直流，再将直流电逆变为频率为50Hz的交流电，这其中，整流/逆变电路是风力发电系统的核心模块之一，因此对该模块进行研究具有重要的意义。本文通过MATLAB/Simulink仿真软件对单相/逆变电路进行研究，并搭建一个仿真模型。

2 风力发电系统介绍

2.1 风力发电的能量转换

人类在数千年前已经开始利用风能，早期主要利用风力或风力机直接将风力转化为机械能提供动力，例如，帆船、风车磨面、风车碾米等。而风力发电则是风机通过利用风能转化为机械能，再利用发电机将机械能转换为电能。风机的类型有许多，发电机的类型也比较多，但是其基本能量转化过程是一样的[2]，如图1所示。

图1 风电系统能量转化过程

2.2 风力发电机的发展[3]

最初阶段，风力发电机采用的是同步发电机，之后慢慢转向鼠笼式异步发电机。无论是传统的同步发电机或是鼠笼式异步发电机都是直接并网恒速运行。采用这种并网运行方式最大的优点是投资小、系统配置简单，然而其对电力系统的影响比较大，降低了电能质量。因为这种方式会由于风速波动引起气动转矩波动使风轮机叶片、传动链和塔架等承受很高的机械应力，并且造成发电机输出功率波动。

所以，直接并网恒速运行方式仅适合小规模、小型风力发电机并入无穷大电网。

随着发电机、风轮机、控制技术以及电力电子技术迅速发展，风力发电系统已经能够实现变速运行。变速运行具有如下优点：

(1) 允许对桨距控制的时间常数较大，从而减小了所需的最大调节功率以及降低桨距控制的复杂性；

(2) 提高了电能质量；

(3) 减小了噪音；

(4) 降低了机械应力；

(5) 提升了系统效率。

图2所示为变速运行风力发电系统的发电机和电力电子配置方式。

图2 变速运行风力发电系统中的发电机和电

2.3 风电系统并网换流器

由于风速的不稳定会使风力发电机输出的电压和频率也不稳定，现阶段最好的解决办法是在发电机定子绕组和电网之间配置变频换流器。目前的变频换流器一般是交-直-交结构，就是一个整流电路和一个逆变电路的结合。其工作过程为：先将风力发电机发出的交流电压整成直流电压，再将直流电压逆变成频率，幅值以及相位都符合要求的交流电，并输送至电网。由于电力电子能够实现快速和精确的控制，因此由于风速变化造成的电压与频率的波动不会对电网造成太大的影响[2，4]。典型的单相变流电路如图3所示。

图3 风力发电系统单相变流电路

2 基于MATLAB/Simulink单相整流/逆变电路仿真模型搭建

本文通过MATLAB/Simulink平台搭建一个风力发电机单相整流/逆变电路，来对风力发电系统的变流器进行研究[5]。图4所示为风力发电系统整流/逆变电路仿真模型。

图4 风力发电系统整流/逆变电路仿真模型

系统参数设置为：

(1) 采用一个电压源代替风力发电机，该电压源的频率为40Hz,幅值为1500V；

(2) L1与C1构成了一个低通滤波器，L1=100mH,C1=2000μF；

(3) L2与C2构成一个低通滤波器，L1=15mH,C2=600μF;

(4) 负载Load为有功功率10kW。

具体仿真波形如下图所示。

(1)图5为Scope5所输出波形，表示电压源所输出电压。

图5 电压源所输出的电压波形

(2)图6为Scope4所输出波形，表示为整流桥输出的电流。

图6 整流桥输出的电流波形

(3)图7为Scope3输出波形，表示为整流桥输出的电压。

图7 整流桥输出的电压波形

(4)图8为Scope1输出波形，表示为风电系统注入电网的电流。

图8 风电系统注入电网的电流波形图

(5)图9为Scope2输出波形，表示为风电系统输出到电网电压的波形。

图9 风电系统输出到电网电压的波形

由图5～图9可知，本文所搭建的基于MATLAB/Simulink单相逆变仿真模型能较好的反应风电系统变流器的工作过程，为研究风电单相变流器提供了一种参考方案。

3 结论

本文通过搭建MATLAB/Simulink平台搭建了单相逆变电路仿真模型。在仿真过程中通过研究电压源输出波形、整流桥输出的电流波形、整流桥输出的电压波形、风电系统注入电网的电流波形图、风电系统输出到电网电压的波形可知，本文搭建的模型是正确的，可为研究风力发电系统变流器提供一种参考方案。

[1] 廖明夫，R.Gasch，J.Twele.风力发电技术[M].西安:西北工业大学出版社，2009.

[2] 朱永强，张旭.风电场电气系统[M].北京：机械工业出版社，2010.

[3] 孙春顺.风力发电系统运行与控制方法研究[D].湖南大学，2008.

[4] 李建林，许洪华,等.风力发电中的电力电子变流技术[M].北京：机械工业出版社，2008.

[5] 李维波.MATLAB在电气工程中的应用[M].北京：中国电力出版社，2007.

Simulation Study on the Single-Phase Commutating/ContravaviantCircuit of Wind Power Generation System

LIWei-dong

(Zhongnan Survey Design Reserach Institute,Changsha 410014,China)

The paper presents the energy conversion of wind power generation,development of wind power generator and combined network converter.A singl-phase commutating/contravaiant circuit simulation model based on MATLAB/Simulink was built and simulate the model.The simulation shows that the single-phase arrangement/contraviant circuit wich has been built can better simulate the process of wind power generation system inverter and has facilitation increasing inverter performance.

wind power generator;commutating/contrant circuit;converter;MATLAB/Simulink

安友彬(1986-)，男，硕士，主要研究方向为风力发电控制及自适应控制； 李春茂(1963-)，男，博士，教授，主要研究方向智能控制、网络化控制系统、非线性系统自适应控制。

1004-289X(2014)02-0033-03

TM46

B

2013-09-11