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2.1.3光伏电池仿真模型
以数学公式(2-1)-(2-8)为依据,用MATLAB/Simulink搭建如图2-4所示的模型。
其中,PV-module为封装的光伏电池模块,如图2-5所示。
仿真参数如表2-1所示。
图2-6为光伏电池的P-U曲线。最大输出功率值用Pmax表示,其大小为367W对应的坐标(103.08,3.56)称为最大功率点,其中Umax=103.08V,称为最大功率输出点对应的电压值,Imax=3.56A称为最大功率输出点对应的电流值。为使光伏电池能够持续输出最大值,在光伏投入使用时,尽量保证光伏电池输出稳定在最大功率点。
综合分析图2-6、图2-7仿真结果可知:光伏电池不是线性特点的电流源。当输出电压小于最大功率点对应的电压时,输出的电流也随着电压的增加保持稳定;当输出的电压大于最大功率点对应的电压时,输出的电流随电压的增加而减小。
根据上述仿真模型,在光照强度不同,温度为298K(25°C)时,光伏电池输出的I-U特性曲线如图2-8,P-U特性曲线图如图2-9。
由图2-8及图2-9可知:当温度恒为298K(25°C)时,光照强度从1000W/m2降低到600W/m2,随着光照强度的降低,光伏电池对应的短路电流将逐渐减小,从3.78A降低到2.28A,最大功率值Pmax也逐渐降低,从379.1W降低到220.5W,然而开路电压变化却很小。
根据上述仿真模型,在光伏电池温度变化,光照强度为定值1000W/m2时,光伏电池输出的I-U特性曲线见图2-10,P-U特性曲线见图2-11。
从图2-10和图2-11,当光照强度保持1000W/m2不变时,温度从25°C降低到5°C时,当温度逐渐减小时,开路电压值也不断减小,而短路电流变化不显著,维持在3.77A左右,而最大功率值Pmax从379.1W降低到354.9W。
2.2风力发电系统
风能是一种清洁能源,风力发电不污染环境,这是比火力发电突出的优势,并且风力发电的建设周期也很短,比如,一个10兆瓦级的风电场建设期不到一年就可以竣工,而火力发电的建设周期却不止一年。其次,风电场还有装机灵活的优点,所以在微电网构成中,风电是不可缺席的。
当实际风速小于切入风速时,风力发电机组未启动,输出功率为0;若实际风速处于切入风速与额定风速之间时,风电机组开始发电,其输出功率取决于风速的大小;当实际风速大于切出风速时,为了防止发生故障,机组会停机,输出功率为0,由此可知风速的大小决定着风力发电机的实际输出功率[13]。
2.2.1永磁直驱风力发电机的原理和特性
风力发电就是将风能转换为电能,转换装置有两种,分别是双馈风力发电机和永磁直驱风力发电机,图2.12所示为永磁直驱风力发电机,没有齿轮箱,结构简单,传动效率也更加高,其工作过程为:风力机将风能转换为动能,直接驱动永磁发电机产生高频交流电,因高频交流不能直接并网,必须经过全功率变流+器及LC滤波电路,得到频率、幅值稳定的交流电后再并入电网[14]。
2.2.2永磁直驱风力发电机的数学模型
2.2.2.1风机捕获功率
风速决定着风力发电机的输出功率,风是时刻不规则变化着的,所以造成风机的输出功率不稳定。风机在风力发电系统中扮演着重要的角色,承担着获得风能并将风能转换为电能的能量转换设备的作用,根据空气动力学相关知识可得风机的输出功率如式(2-9):
不同桨距角下风能利用系数Cp与叶尖速比λ的关系图如图2-13所示:
从图2-13中可以看出,当桨距角θ一定的情况下,Cp的值随λ不断变化,且均存在一个对应的最佳值使λopt使Cp取得最大值Cpmax。由此可见,在任何风速下,只要使得风力机的叶尖速比λ=λopt,便可使风力机维持在Cpmax状态下工作,使风力机捕获得的机械功率持续最大[13]。根据式子(2-13)和图2-13可以得到,一个桨距角就相对应一个λopt的值,且能够得到最大值Cpmax,而且当θ越小,Cpmax越大。
风机的控制通过PLC来实现。当风速传感器测量的风速小于设定的切入风速时,风速过小并没有达到工作所需的风速,所以桨距角保持90°不改变,风机不工作,等待至风速大于切入风速时开始工作[16]。当风速达到大于切入风速低于额定风速时,风机工作,桨距角为0°,当风速大于额定风速,由于额定功率的限制,控制系统工作,调整功率在额定值。当风速大于切出风设定值时,风力发电机直接停机。
2.2.3永磁直驱风力发电机的仿真模型
根据以上分析,在MATLAB/Simulink中,用Simulink风机模块搭建模型如图2-14所示,其中输入量有风速\风机转速,并且将桨距角设置为0°,输出的是风机捕获的功率和电磁转矩。
在改变风速的情况下,观察风力发电机的输出功率变化从而验证风力发电机模型搭建的正确性。风机的额定风速为12m/s,在0-0.5s给定风速为5m/s,0.5-1s风速达到12m/s,1s以后分速为9m/s。根据式(2-10)得到功率变化曲线如图2-16所示。
根据图2-16可以得到,在风速低于额定风速时的功率小于额定风速的时的风机功率,从而验证了永磁同步风力发电机模型搭建的正确性。
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