基于MATLAB/Simulink的风储发电系统设计

赵嘉兴++高伟++上官明霞++刘晋

摘 要 随着智能电网的发展，微电网成为目前研究的热点。风力发电在脱离大电网进入微网运行时，由于其输出功率会发生间歇性波动，引起微电网电压和频率的波动。而微电网中的电池储能系统可以平衡微电网的有功和无功功率。首先介绍风力发电的数学模型和基本控制，然后对电池储能系统结构和下垂控制原理进行分析，研究在风力发电离网运行时，通过加入电池储能系统稳定微电网的电压和频率。最后在MATLAB/Simulink中搭建由一台风电模型和两台储能系统构成的微电网，仿真结果表明所设计的风储发电系统能够稳定运行，学生可以适当修改该系统参数，了解微电网的运行特性。

关键词 微电网；风储发电系统；MATLAB/Simulink

中图分类号：TM614 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2017）10-0035-05

Development of Wind/Storage Generation System based on MATLAB/Simulink//ZHAO Jiaxing， GAO Wei， SHANGGUAN Mingxia， LIU Jin

Abstract With the development of the smart grid， micro-grid has become a hot research. The fluctuation of wind output power will influence the stability of the voltage and frequency. Micro-grid needs

battery energy storage system （BESS） to balance the active and reac-

tive power. This paper studied the mathematic model and the basic control of the wind power generation， and analyzed the structure of the BESS and the theory of the droop control. This paper presented a control strategy for wind/storage system to stable the voltage and

frequency in micro-grid. Finally， this paper built a micro-grid con-

sisted of the wind power model and two BESS in parallel through MATLAB/Simulink. The result of the Simulink verifies the control

strategy of voltage and frequency in wind/storage system. Students

can modify the system parameters， to learn the operating characte-ristics of micro-grid.

Key words micro-grid； wind/storage system； MATLAB/Simulink

1 引言

風力发电系统在并网运行时，有大电网支撑电压和频率，可以采用最大功率输出控制。在孤岛运行时，风力发电系统不能提供稳定的电网电压和频率支撑，可以采用储能系统来支撑微电网的电压和频率。文献[1]提出储能系统和抽水蓄能来平衡微网中风电功率的随机波动，同时采用通信方式来监控功率平衡情况，整个微网系统控制复杂。文献[2]针对双馈感应电机及并联型储能系统组成的孤网，提出孤网能量平衡关系和分层协调控制策略，文中仿真部分风速变化简单，但频率波动较大。在无互联通信线情况下，储能系统离网运行时，可以采用双闭环恒压恒频控制，但是这种控制只适合运用在单机运行模式[3]。当微网负荷容量增大时，储能系统采用多机并联的方式扩大容量，许多文献提出采用下垂控制方法[4-6]，但是下垂控制在线路阻抗不一致时，多机并联储能系统不能实现均分，虚拟阻抗可以克服阻抗不一致时的均流问题[7]。

本文针对微网下，风力发电输出功率随机波动，不能平衡系统功率问题，研究相应的控制策略。首先研究风力发电系统的数学模型和基本控制，然后对电池储能系统结构和下垂控制原理进行分析，研究在风力发电离网运行时，通过加入多机并联电池储能系统稳定微电网的电压和频率。在MATLAB/Simulink中，搭建由一台风电模型和两台储能系统构成的微电网，仿真结果表明所设计的风储发电系统能够稳定运行，学生可以适当修改该系统参数，了解微电网的运行特性。

2 风力发电模型

本文重点研究微电网孤岛运行时，电池储能系统平滑风力发电输出的功率，稳定微电网电压和频率。所以本文采用简单的风力发电模型，主要包括风力机、鼠笼型感应发电机（SCIG）等。风力机将风能转换为机械能，SCIG再将机械能转化为电能，SCIG的定子可以通过变压器直接与电网相连。SCIG一般在其定子侧并联电容器以补偿无功，因为其运行过程中需要吸收无功功率[8]。

风力机输出的机械功率如下所示：

式中，Pm为风力机输出的机械能；vwind为风速，单位为m/s；λ为叶尖速比，其值为ωR/vwind，ω为风力机的旋转角速度，R为风力机桨叶的长度；β为桨距角；cp为风能转换系数，是关于λ和β的函数；ρ为空气密度；A为叶轮扫过的面积。endprint

其中，风能转换系数cp的表达式如下：

其风速vwind、转速ω和输出的机械功率Pm的关系如图1所示。从图中可以看出，当转速恒定时，风力机输出的机械功率随着风速的升高而升高；当风速恒定时，调节SCIG的转速，能够使其输出的有功功率达到最大值。

叶尖速比λ、桨距角β对风能转换系数cp的影响如图2所示。从图中可以看出，当叶尖速比λ处于一定范围内时，随着桨距角β的增加，风力机的风能利用系数cp迅速下降。

在MATLAB/Simulink中搭建风力发电机模型，单台鼠笼型感应发电机的额定输出功率为275 kVA，其定子侧的线电压为380 V，频率为50 Hz，且忽略了能量传递过程中的损耗，整个风力发电机的模型如图3所示。因为忽略了传动系统和其他类型的损耗，风力机输出的机械功率与鼠笼型感应发电机产生的有功功率相等。该模型通过瞬时有功理论（）来计算风力发电机所产生的有功功率。

由图3所示，在MATLAB/Simulink中，风力发电机模型可以模拟风速的随机波动，从而仿真风力发电输出功率的间歇性波动。

3 电池储能系统多机并联控制

随着微电网容量的增大，电池储能系统目前普遍采用多机并联的方式。电池储能系统多机并联方式目前有两种方法：有互联通信线并联和无互联通信线并联。无互联通信线并联方式由于控制简单，能够实现储能系统即插即用，成为目前研究的热点。所以本文主要研究储能系统多机无互联通信线并联控制。下垂控制是无互联通信线并联方式广泛采用的方法，可以测量本地的有功和无功功率，根据下垂曲线合理分配多机之间功率。图4为并联储能系统传输线潮流图，把储能系统等效成受控电压源，储能系统与母线之间的阻抗称为引线阻抗，可以配置成强感性，设为Zn=|Z|ejθ=Rn+jXn，图中PCC表示公共连接点母线。

传输潮流与引线阻抗的关系为：

令引线阻抗呈强感性，即可忽略阻性，同时储能系统相对于母线的相角也很小，则上式可化简为：

实际中，并联系统输出电压幅值的变化范围不会很大，可近似认为是个常数，求微分可得：

由上式可以看出，有功功率的大小主要取决于Δδ，无功功率的大小主要取决于ΔE，由此可以得到基于电压—频率的下垂特性公式：

式中，f*、E*分别为由下垂控制得到的频率和幅值参考值，f0、E0分别为变流器空载输出频率和电压幅值，kfp、keq分别为变流器输出角频率和电压幅值的下垂系数，P、Q分别为变流器输出有功和无功功率，Pref、Qref分别为功率参考值，可以调节储能系统并网时输出的功率。

4 风储系统MATLAB/Simulink仿真

在MATLAB/Simulink中建立包含额定功率为200 kW两机并联储能系统和额定功率为275 kW的风机模型，负载为恒功率负载。两台并联储能系统仿真参数如下：

逆变器容量：100 kVA

直流侧电压：700 V

滤波器电感：1 mH

滤波器电容：150 μF

开关频率：5000 Hz

控制器参数k2：0.5

控制器参数kp：2

控制器参数ki：100

引线阻抗：0.45 Ω

有功下垂系数：0.5e-5

无功下垂系数：6e-4

仿真系统如图5所示。

在t=0～5 s风机输出功率随机波动，仿真开始，投入P=100 kW，Q=10 kVar负载，功率和频率变化波形如图6所示。

由图6可知，储能系统能够抑制风电输出功率的波动，使风储系统的功率得到平衡。

如图7所示，风储系统的频率和电压会发生波动，但能够保持在国家标准规定的允许范围内。

5 結论

本文首先阐述风力发电系统能量转换的基本原理，在MATLAB/Simulink中进行模型搭建，采用电池储能系统来平衡风力发电系统在孤网下功率不平衡问题。电池储能系统采用下垂控制，实现无互联通信线情况下的多机并联稳定运行。最后在MATLAB/Simulink中搭建孤网情况下的风储发电系统，仿真结果验证了所提出的风储发电系统的有效性和可行性。学生可以适当修改该系统参数，了解微电网的运行特性。

参考文献

[1]Cendoya M G， Toccaceli G M， Battaiotto P E. Microgrid for

remote areas with Water Pumping， based on wind-diesel DER and Energy Storage[J].Innovative Smart Grid Technologies Latin America （ISGT LATAM），2015：154-159.

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[3]朱观炜，谭伟璞，闫涛，等.基于RT-LAB的储能系统离网运行控制策略研究[J].现代电力，2016（6）：33-36.

[4]谢玲玲，时斌，华国玉，等.基于改进下垂控制的分布式电源并联运行技术[J].电网技术，2013（4）：992-998.

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[6]Wu Q， Sun X， Hao Y. A SoC control strategy based on wire-less droop control for energy storage systems in ac islanded micro

grid[R].IEEE International Power Electronics and Motion Control

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[8]郭瑞宙.电池储能变流器半实物仿真平台构建及其控制机理研究[D].北京：华北电力大学，2013.endprint