CN113364028A - 基于Matlab/Simulink的风光互补分布式电源系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于Matlab/Simulink的风光互补分布式电源系统。该系统包括风力发电模块、光伏发电模块、电路整合模块、电路控制模块和电能输出模块。风力发电模块和光伏发电模块分别与电路整合模块电连接，然后将产生的电能通过电路整合模块输送至电能输出模块；电能输出模块将电能分类分配至用电设备；电路控制模块用于对电路整合模块的电压和频率进行调控。该模型对于模拟连接到电网的混合风光发电系统有重要意义，实现了风力发电模型、光伏发电模型的互补以及能量转换和负荷输出的确定，并给出了仿真结果。

Description

基于Matlab/Simulink的风光互补分布式电源系统
技术领域
本发明涉及发电系统控制技术领域，尤其涉及一种基于Matlab/Simulink的风光互补分布式电源系统。
背景技术
太阳能和风能是分布最广、利用率最高的可再生能源，但受季节、地理、气候等多种因素的制约，呈现出较强的不确定性。然而，二者在时间和地域上有一定的互补性，同时在储能、逆变环节均可共用，适合联合发电，实现资源互补，可以提高系统供电的可靠性，并减小对电网的冲击。与独立光伏或风电系统相比，风光互补发电系统可以获得较稳定的功率输出，提高设备利用率，降低系统造价，在保证同样供电的情况下，可以减少储能设备的配置容量。
但是风光互补发电技术一种新的能源技术，在我国发展和应用的时间都不长，所以从设计开发到实际的工程应用都还有很大的发展空间。目前国内外市场上，常见的风光互补发电系统分为两种：一种是独立风光互补发电系统，它主要是为了提高边远地区和远离电网地区人们的生产生活水平发展而来的微电网系统；另一种是风光互补发电并网系统，该系统是将发电系统转化来的电能经过相关电力设备接口，输出满足并网要求的电能，最终并网发电。
有鉴于此，有必要设计一种改进的基于Matlab/Simulink的风光互补分布式电源系统，以解决上述问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于Matlab/Simulink的风光互补分布式电源系统。该模型对于风光互补系统并网系统的仿真具有参考价值。实现了风力、光伏、能量转换和出力模型，并给出了仿真结果。该能源混合系统实现了提供连续的可再生能源供应。
为实现上述发明目的，本发明提供了一种基于Matlab/Simulink的风光互补分布式电源系统，包括风力发电模块、光伏发电模块、电路整合模块、电路控制模块和电能输出模块；所述风力发电模块和光伏发电模块分别与所述电路整合模块电连接，然后将产生的电能通过所述电路整合模块输送至所述电能输出模块；所述电能输出模块将电能分类分配至用电设备；所述电路控制模块用于对所述电路整合模块的电压和频率进行调控。
作为本发明的进一步改进，所述风力发电模块包括风力发电模型，用于建立风力发电功率与叶片参数、气压以及风速的关系。
作为本发明的进一步改进，所述风力发电模型的函数如式(1)至(3)所示：
Figure BDA0003080707730000021
式中，Cp为功率系数；Cq是扭矩系数，如下式
Cq＝Cp/λ (2)
λ＝Wwt R/V (3)
式中，λ是尖端速度比，ωwt是wt转子的速度。
作为本发明的进一步改进，所述光伏发电模块包括光伏发电模型，用于建立光伏发电功率与光信号参数的关系。
作为本发明的进一步改进，所述光伏发电模型通过等效电路实现，所述等效电路由与二极管并联的电流源组成，电流源代表由光子产生的电流，并且其输出在恒定温度和恒定入射光辐射下是恒定的。
作为本发明的进一步改进，所述光伏发电模型的输出电流根据式(4)至(6)得到：
I＝Isc-Id (4)
其中，Isc是短路电流，等于光子产生的电流，Id是通过本征二极管分流的电流；二极管电流Id是由二极管方程得到：
Id＝Io(e^qV/kT-1) (5)
其中，Io是二极管的反向饱和电流，q是电子电荷(1.602×10-19C)，V是二极管的电压(单位V)，k是玻尔兹曼常数(1.381×10-23J/K)，t是开尔文温度(单位K)；
用方程(5)代替方程(4)中的Id，可得光伏电池的电流-电压关系；
I＝Isc-Io(e^qV/kT-1) (6)
作为本发明的进一步改进，所述电路整合模块包括依次连接的直流母线单元、逆变器和滤波器。
作为本发明的进一步改进，所述电路整合模块还包括与所述滤波器相连的三相电压电流测量单元。
作为本发明的进一步改进，所述电路控制模块包括依次电连接的参考电压、调压器、脉宽调制发电机和单位延时单元，所述单位延时单元与所述逆变器电连接。
作为本发明的进一步改进，所述电能输出模块包括有功与无功功率测量单元、电压测量单元、电流测量单元和非线性负载单元。
本发明的有益效果是：
1.本发明提供的基于Matlab/Simulink的风光互补分布式电源系统，主要包括风力发电模块、光伏发电模块、电路整合模块、电路控制模块和电能输出模块。通过在Matlab/Simulink平台建立风力发电模型和光伏发电模型，能够实现风力发电和光伏发电的高度运算和配合，从而实现能源最优化配置。还可以添加燃料电池，以便在夜间太阳能无法提供时，燃料电池可以作为备用电源，最终实现可再生能源的连续供应。
2.本发明提供的基于Matlab/Simulink的风光互补分布式电源系统，对于模拟连接到电网的混合风光发电系统有重要意义，实现了风力发电模型、光伏发电模型的互补以及能量转换和负荷输出的确定，并给出了仿真结果，证明了相电压波形中存在非线性的谐波分量。能够实现可再生能源电气参数、可再生能源结构参数、电压和频率控制和电气能量转换等参数的运算和控制，配合度高。
附图说明
图1为本发明光伏发电模型的电路结构示意图。
图2为本发明另一种改进的光伏发电模型的电路结构示意图。
图3为本发明改进的光伏发电模型的数学模型结构图。
图4为本发明风力发电模型的数学模型结构图。
图5为本发明风光互补分布式电源系统的仿真模型。
图6为基于Matlab/Simulink的风光互补分布式电源系统在交流母线上测得的三相电压波形。
图7为本发明基于Matlab/Simulink的风光互补分布式电源系统的A相电压波形的谐波仿真分析结果。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施例对本发明进行详细描述。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在具体实施例中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
本发明提供了一种基于Matlab/Simulink的风光互补分布式电源系统，包括风力发电模块、光伏发电模块、电路整合模块、电路控制模块和电能输出模块；所述风力发电模块和光伏发电模块分别与所述电路整合模块电连接，然后将产生的电能通过所述电路整合模块输送至所述电能输出模块；所述电能输出模块将电能分类分配至用电设备；所述电路控制模块用于对所述电路整合模块的电压和频率进行调控。
所述风力发电模块包括风力发电模型，用于建立风力发电功率与叶片参数、气压以及风速的关系。风力发电通过施加在驱动系统上的扭矩将风能转化为机械能。为了评估给定风速下的扭矩和功率以及风速变化对扭矩的影响，需要进行建模，如图4所示。在给定风速范围内[vmin，vmax]，v为平均风速，所产生的扭矩Twt和功率Pwt是叶片半径R、气压、风速以及相关系数的函数。
所述风力发电模型的函数如式(1)至(3)所示：
Figure BDA0003080707730000051
式中，Cp为功率系数；Cq是扭矩系数，如下式
Cq＝Cp/λ (2)
λ＝Wwt R/V (3)
式中，λ是尖端速度比，ωwt是wt转子的速度。
请参阅图1所示，所述光伏发电模块包括光伏发电模型，用于建立光伏发电功率与光信号参数的关系。
光伏电池由半导体材料制成，经过特殊处理可形成正负两面的电场。太阳能电池的模型可以通过等效电路实现，该等效电路由与二极管并联的电流源组成。电流源代表由光子产生的电流(通常表示为Iph或IL)，并且其输出在恒定温度和恒定入射光辐射下是恒定的。对于理想模型，可以忽略Rs和Rsh分量。
该太阳能电池模型由电流源和二极管并联构成的等效电路实现。电流源代表光子产生的电流，其输出在恒定温度和恒定光照强度下是恒定的。理想模型可以忽略Rs和Rsh分量。
有两个关键参数经常用来描述光伏电池。电池短路时，光子产生的电流为电池的短路电流(Isc)。因此，Iph＝Isc。当光伏电池开路时，产生的光子电流被内部的p-n结型固有二极管分流。由基尔霍夫电流定律可求出光伏电池的输出电流(I)。
所述光伏发电模型的输出电流根据式(4)至(6)得到：
I＝Isc-Id (4)
其中，Isc是短路电流，等于光子产生的电流，Id是通过本征二极管分流的电流；二极管电流Id是由二极管方程得到：
Id＝Io(e^qV/kT-1) (5)
其中，Io是二极管的反向饱和电流，q是电子电荷(1.602×10-19C)，V是二极管的电压(单位V)，k是玻尔兹曼常数(1.381×10-23J/K)，t是开尔文温度(单位K)；
用方程(5)代替方程(4)中的Id，可得光伏电池的电流-电压关系；
I＝Isc-Io(e^qV/kT-1) (6)
二极管的反向饱和电流(Io)在恒定温度下是恒定的，可以通过设置开环条件确定。对式(6)，取I＝0(无输出电流)，求出Io。
Figure BDA0003080707730000061
在实际的光伏电池中，半导体材料、金属栅极、触点和电流收集母线的电流通路中存在一系列电阻。这些电阻损耗集中在一起作为一个串联电阻(Rs)。在由多个串联电池组成的光伏组件中，电阻值需乘以电池数目。
并联电阻与串联电阻相比，在光伏组件中的作用要小得多，而且只有当多个光伏组件并联在一个较大的系统中时，它才会变得显著。基于这个假设，设计了一个更精确的太阳能电池模型，如图2和3所示。
请参阅图5所示，所述电路整合模块包括依次连接的直流母线单元、逆变器和滤波器。直流母线是在变频器中承载整流后将交流变成直流，在逆变器中将直流转变为交流。
所述电路整合模块还包括与所述滤波器相连的三相电压电流测量单元。
所述电路控制模块包括依次电连接的参考电压、调压器、脉宽调制发电机和单位延时单元，所述单位延时单元与所述逆变器电连接。脉宽调制发电机发电机PWM)是利用微处理器的数字输出，来对模拟电路进行控制，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形(含形状和幅值)，即通过改变导通时间占总时间的比例，也就是占空比，达到调整电压和频率的目的。
所述电能输出模块包括有功与无功功率测量单元、电压测量单元、电流测量单元和非线性负载单元。无功功率是指在具有电抗的交流电路中，电场或磁场在一周期的一部分时间内从电源吸收能量，另一部分时间则释放能量，在整个周期内平均功率是零，但能量在电源和电抗元件(电容、电感)之间不停地交换。交换率的最大值即为“无功功率”。有功功率是指单位时间内实际发出或消耗的交流电能量，是周期内的平均功率。
非线性负载单元用于为具有非线性阻抗特性的用电设备供电。具有非线性阻抗特性的用电设备，其阻抗随外施电压或电流的变化而变化，或者说其阻抗是电压或电流的函数。
请参阅图6和7所示，图6显示了在交流母线上测量的电压波形。可以看到由电子设备DC/AC模块中用于能量转换的逆变器引起的电压波形失真。
图7显示了相电压中的谐波失真。由于非线性负载的存在，电力系统发生了大量的谐波失真。图7也证明了相电压波形中存在非线性的谐波分量。
采用本发明基于Matlab/Simulink的风光互补分布式电源系统能够进行如下研究：
1、可再生能源电气参数(功率、电压、电流等)；
2、可再生能源结构参数(风力发电机的叶片长度和数量，光伏板的数量)；
3、电压和频率控制(控制算法)；
4、电气能量转换(直流/交流转换类型)；
5、用户建模和控制。
6、电能质量失真现象及分析。
因此，本发明可以混合两个或多个类型的电源，并通过改进模型的方式满足实际仿真需求。
综上所述，本发明提供的基于Matlab/Simulink的风光互补分布式电源系统，通过在Matlab/Simulink平台建立风力发电模型和光伏发电模型，能够实现风力发电和光伏发电的高度运算和配合，从而实现能源最优化配置。能够实现可再生能源电气参数、可再生能源结构参数、电压和频率控制和电气能量转换等参数的运算和控制，配合度高。还可以添加燃料电池，以便在夜间太阳能无法提供时，燃料电池可以作为备用电源，最终实现可再生能源的连续供应。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于Matlab/Simulink的风光互补分布式电源系统，其特征在于，包括风力发电模块、光伏发电模块、电路整合模块、电路控制模块和电能输出模块；所述风力发电模块和光伏发电模块分别与所述电路整合模块电连接，然后将产生的电能通过所述电路整合模块输送至所述电能输出模块；所述电能输出模块将电能分类分配至用电设备；所述电路控制模块用于对所述电路整合模块的电压和频率进行调控。
2.根据权利要求1所述的基于Matlab/Simulink的风光互补分布式电源系统，其特征在于，所述风力发电模块包括风力发电模型，用于建立风力发电功率与叶片参数、气压以及风速的关系。
3.根据权利要求2所述的基于Matlab/Simulink的风光互补分布式电源系统，其特征在于，所述风力发电模型的函数如式(1)至(3)所示：
Figure FDA0003080707720000011
式中，Cp为功率系数；Cq是扭矩系数，如下式
Cq＝Cp/λ (2)
λ＝Wwt R/V (3)
式中，λ是尖端速度比，ωwt是wt转子的速度。
4.根据权利要求1所述的基于Matlab/Simulink的风光互补分布式电源系统，其特征在于，所述光伏发电模块包括光伏发电模型，用于建立光伏发电功率与光信号参数的关系。
5.根据权利要求4所述的基于Matlab/Simulink的风光互补分布式电源系统，其特征在于，所述光伏发电模型通过等效电路实现，所述等效电路由与二极管并联的电流源组成，电流源代表由光子产生的电流，并且其输出在恒定温度和恒定入射光辐射下是恒定的。
6.根据权利要求4所述的基于Matlab/Simulink的风光互补分布式电源系统，其特征在于，所述光伏发电模型的输出电流根据式(4)至(6)得到：
I＝Isc-Id (4)
其中，Isc是短路电流，等于光子产生的电流，Id是通过本征二极管分流的电流；二极管电流Id是由二极管方程得到：
Id＝Io(e^qV/kT-1) (5)
其中，Io是二极管的反向饱和电流，q是电子电荷(1.602×10-19C)，V是二极管的电压(单位V)，k是玻尔兹曼常数(1.381×10-23J/K)，t是开尔文温度(单位K)；
用方程(5)代替方程(4)中的Id，可得光伏电池的电流-电压关系；
I＝Isc-Io(e^qV/kT-1) (6)
7.根据权利要求1所述的基于Matlab/Simulink的风光互补分布式电源系统，其特征在于，所述电路整合模块包括依次连接的直流母线单元、逆变器和滤波器。
8.根据权利要求7所述的基于Matlab/Simulink的风光互补分布式电源系统，其特征在于，所述电路整合模块还包括与所述滤波器相连的三相电压电流测量单元。
9.根据权利要求7所述的基于Matlab/Simulink的风光互补分布式电源系统，其特征在于，所述电路控制模块包括依次电连接的参考电压、调压器、脉宽调制发电机和单位延时单元，所述单位延时单元与所述逆变器电连接。
10.根据权利要求7所述的基于Matlab/Simulink的风光互补分布式电源系统，其特征在于，所述电能输出模块包括有功与无功功率测量单元、电压测量单元、电流测量单元和非线性负载单元。
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