[发明专利]含风机和光伏发电的直流微电网数字物理仿真平台及方法

权利要求书

1.一种直流微电网的数字物理仿真方法，其特征在于：

直流微电网由微电源、接口装置和负荷三部分组成；其中微电源包括直流发电形式的光伏发电、交流发电形式的风力发电机组以及储能装置，负责为直流微电网提供电能；接口装置是指各微电源接入直流微电网时必需的转换设备，为微电源接入直流微电网在电压电能匹配上提供了保证；其中，光伏发电系统通过Boost变换器与直流母线相连；储能设备经Boost-Buck双向换流器接入直流微电网，实现充放电功能，平衡功率的流动，稳定直流母线电压；AC/DC换流器将风力发电系统发出交流电变换为直流电汇入直流母线；最后直流母线通过DC/AC接口并入交流主电网，实现直流微电网的并网运行；直流微电网的负荷类型包括直流负荷和交流负荷；

光伏发电系统包括光伏阵列，光伏最大功率控制以及光伏阵列与直流微电网的接口电路；光伏电池利用光伏效应将光能转换为电能，是光伏发电系统中实现光伏特性最基本的单元；光伏电池的开路电压和短路电流受光照强度和电池温度的影响很大，导致系统工作点不确定，从而使系统效率降低；此外，串联电阻对光伏电池的输出也有影响；为此，光伏电池必须实现MPPT，以便其在任何条件下不断获得最大功率输出；扰动观察法具有结构简单，测量参数少，易于实现的优点，因此采用扰动观察法实现光伏阵列的MPPT控制；扰动观察法是扰动光伏电池的端口电压，并根据公式P＝V*I计算扰动前后光伏电池的输出功率，将扰动后的输出功率同扰动前的输出功率进行比较；

Boost电路是指平均直流输出电压高于直流输入电压的变换电路；Boost电路在电路结构上容易实现，控制比较简单，通过改变功率开关管的占空比，就可调节输出电压和输入电压比值；Boost电路和光伏MPPT控制结合，可以很容易实现光伏阵列最大功率的控制；Boost电路两侧的传输功率相同，因此将Boost电路右侧的负荷R等效成左侧的；通过扰动观察法不断调整晶闸管的占空比，就可不断改变等效负荷值，进而追踪到光伏发电系统的最大输出功率对应的电压值；

蓄电池模型可等效为一个受控电压源与一个定值电阻串联；蓄电池的输出电压不仅与电流有关还与蓄电池SOC状态有关，其具有非线性特性；对蓄电池的接口采用双PI环控制，将直流母线电压测量值与给定值比较，得到电压环的控制输入量，通过控制器产生电流控制环的输入参考值；然后经控制器后，经产生触发脉冲；

风力机是风力发电系统中重要的部件之一，它的作用就是截获流动空气所具有的动能，并将其中一部分风能转换机械能，且以转组形式输出到发电机；它决定了整个风力发电系统装置有效功率的输出；

风力机的机械输出转矩与风速的关系：

T_m＝0.5ρπr³V²C_p(λ,β)/β

ρ为空气密度；r为风力机转子半径；β为桨叶的桨距角；C_p为与桨距角β和叶尖速比λ有关的功率系数；叶尖速比其中ω为风力机转子的转速；

风力发电机组传动系统数学模型如下：

其中，J是机组的等效传动惯量；B_m是传动粘滞系数；T_e为电磁转矩；ω_g为发电机转子的转速；且ω_g＝ω；

采用永磁发电机作为风力发电机，需要具有一定攻角和速度的风力作用在风力机的桨叶上，该风力产生旋转力矩带动风力机的桨叶旋转，风能转化为机械能；永磁同步发电机与风力机同轴相连，故此时永磁同步发电机也被带动起来，发出幅值和频率都随着风速的变化而变化的交流电，机械能转化为电能；永磁同步机发出的交流电经过背靠背双PWM变流器转化成与幅值、频率符合要求的三相交流电，再经升压变压器接入公共联结点；

仿真方法包括：

步骤1，在LabVIEW和StarSim仿真开发平台中分别编写上位机Host程序、下位机RT程序，选用LabVIEW自带的功率计算元件进行计算；

步骤2，设置光伏发电系统的温度、光照强度、最大功率及其对应的电压值；设置储能系统的初始荷电、蓄标称电压及额定容量；设置风机系统的额定机械输出功率、风速及额定直流电压；

步骤3，运行RT程序，数字仿真模型与外部物理接口在PXI上进行部署；

步骤4，运行Host程序，发出控制指令；

步骤5，数据流传输到下位机，CPU、FPGA对模型进行仿真计算；

步骤6，计算结果返回上位机，在Host主界面进行显示；或者通过PXI外部模块输出至接线盒，在示波器显示。