【正文】 ope (示波器 )的接收模塊 ,這里用 Simulink 進行仿真 ,具有像做實驗一般的圖形化顯示效果。 （ 2） Simulink 的模型具有層次性 ,通過底層子系統(tǒng)可以構(gòu)建上層母系統(tǒng)。 （ 3） Simulink 提供了對子系統(tǒng)進行封裝的功能 ,用戶可以自定義子系統(tǒng)的圖標(biāo)和設(shè)置參數(shù)對話框。 啟動 Simulink 后，建模仿真就可以在 Simulink 中實現(xiàn)。 Simulink 建模仿真的主要步驟包括： （ 1）首先將一個空白的 Simulink 預(yù)設(shè)窗口打開。 （ 2）開始對于 Simulink 模塊庫界面進行瀏覽，對于系統(tǒng)中所需 要的模塊應(yīng)該從模塊庫中用鼠標(biāo)拖放到編輯窗中相應(yīng)的位置。完整的操作過程是：將鼠標(biāo)左鍵點選中系統(tǒng)中所需要的模塊，隨后將那個模塊拖動至需要創(chuàng)建仿真模型的窗口里，最后將鼠標(biāo)松開，此時創(chuàng)建仿真模型的窗口中就出現(xiàn)了系統(tǒng)所必須的模塊。 （ 3）根據(jù)系統(tǒng)圖所要求的參數(shù)來改變繪制模型窗口中模塊的參數(shù)。在MATLAB 軟件中的 Simulink 平臺下繪制模塊圖 ,如果不改變參數(shù)的話，此處系統(tǒng)中繪出的模塊只能是默認(rèn)的參數(shù)，為了使用戶的特定需求得到滿足，此時必須重東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 26 新設(shè)置模塊的參數(shù)。當(dāng)用戶重新設(shè)置模塊參數(shù)時，首先用鼠標(biāo)左鍵對模塊進行雙擊，將 模塊的參數(shù)對話框快速的打開。從用戶新打開的設(shè)置參數(shù)對話框可以了解很多，一方面能夠清楚地看到模塊中每項默認(rèn)參數(shù)，另一方面按照系統(tǒng)要求來重新設(shè)置各項參數(shù)。 （ 4）根據(jù)實際系統(tǒng)模型的要求，對于各個模塊框圖按要求適當(dāng)?shù)倪B接起來。 （ 5）將需要輸出的變量與示波器連接起來，用菜單或者選擇命令窗口中的開始鍵開始仿真，當(dāng)仿真結(jié)束后，點開示波器仔細(xì)的觀察仿真結(jié)果，看是否與理論上相一致，如果不一致的話 ,馬上停止仿真，檢查各個模塊參數(shù)設(shè)置是否正確。 Simulink 在電力系統(tǒng)的建模與仿真應(yīng)用 電力系統(tǒng)一般由發(fā)電機、變 壓器、電力線路和電力負(fù)荷構(gòu)成。電力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型一般是由電力系統(tǒng)器件的數(shù)學(xué)模型組合構(gòu)成。在 Matlab 軟件中，提供了power2sys 函數(shù)作為短路模型的結(jié)構(gòu)分析函數(shù)，可以利用 power2sys 函數(shù)將電力系統(tǒng)的電路圖模型向狀態(tài)方程模型和傳遞函數(shù)模型進行變換。 電力專家們在 SimPowerSystems 中的貢獻在于構(gòu)建電力系統(tǒng)分析用到的上百個交互式庫函數(shù)，如用 Matlab 語言編制的 *.mdl 文件，將電力系統(tǒng)分析模塊與Matlab/Simulink 連接起來。電力系統(tǒng)仿真工具箱包括電源模塊、電力元件模塊庫、電力電子 元器件模塊庫、電動機模塊庫、測量模塊庫、應(yīng)用模塊庫、特別模塊庫以及電氣系統(tǒng)仿真分析的圖形用戶接口。 Matlab 的圖形界面具有直觀簡單的特征，能夠描述許多用語言難以表達的信息，可以加快建模速度，提高仿真精度和仿真效率。 雙向直流變換器的 simulink 仿真 在 Matlab 中采用 simulink 仿真軟件對雙向直流變換電路進行仿真，這里我們分別模擬 boost 升壓電路和 buck 降壓電路的運行特性 boost 升壓電路仿真分析 當(dāng)雙向直流電路工作在 boost 狀態(tài)時，超級電容器處于放電狀態(tài)，此時我們可 以將電容儲能元件等效為直流電源，而將電網(wǎng)直流側(cè)等效為負(fù)載，電路工作情況類似于升壓斬波電路，下面我們對升壓斬波電路進行 simulink 仿真分析。 直流升壓斬波電路仿真模型如圖 所示，直流電源電壓為 100V，負(fù)載為東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 27 帶有電容濾波的電阻負(fù)載，電阻為 25? ，濾波電容為 100 F? ，開關(guān)管采用 IGBT為模型，驅(qū)動信號頻率為 1000Hz，占空比為 70%。 圖 直流升壓斬波電路仿真模型 仿真波形如圖 、圖 所示 圖 直流升壓斬波電路負(fù)載電壓 圖 直流升壓斬波電路負(fù)載電流 該模型仿真時間為 ，電路大約在 時達到穩(wěn)態(tài)，儲能電容器開始向東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 28 電網(wǎng)直流側(cè)供電。 當(dāng) IGBT 管關(guān)斷時，直流電源通過二極管給負(fù)載供電，負(fù)載電壓開始升高；當(dāng) IGBT 管導(dǎo)通時，直流電源側(cè)被短路，只通過電感 L 流通，而負(fù)載側(cè)的 RC 負(fù)載進入放電狀態(tài)，從圖中的仿真圖像可以看出負(fù)載側(cè)的電壓的有效值比直流側(cè)的電壓高，因此叫升壓電路，其中，負(fù)載側(cè)電壓的有效值應(yīng)為： ETU?? （ ） 在上述式子中， T 為 IGBT 管觸發(fā)信號的周期， ? 為占空比。 buck 降壓電路仿真分析 當(dāng)雙向直流電路工作在 buck 狀態(tài)時，超級電容器處于充 電狀態(tài)，此時我們可以將電容儲能元件等效為負(fù)載，而將電網(wǎng)直流側(cè)等效為直流電源，電路工作情況類似于降壓斬波電路，下面我們對降壓斬波電路進行 simulink 仿真分析。 直流降壓斬波電路仿真模型如圖 所示，直流電源電壓為 200V，負(fù)載為電阻電感反電動勢負(fù)載，電阻為 2? ，電感為 5mH ，反電動勢為 80V。開關(guān)采用 IGBT 為模型，驅(qū)動信號頻率為 1000Hz，占空比為 70%。 圖 直流降壓電路仿真模型 仿真波形如圖 、圖 所示 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 29 圖 直流降壓斬波電路負(fù)載電壓 圖 直流降壓斬波電路負(fù)載電流 該模型仿真時間為 ，電路大約在 時達到穩(wěn)態(tài)，電網(wǎng)側(cè)開始向儲能電容器測充電。 當(dāng) IGBT 管導(dǎo)通時，直流電流源給 RL負(fù)載供電，負(fù)載側(cè)電壓升高；當(dāng) IGBT管斷開時，直流電源側(cè)斷路，負(fù)載側(cè)的 RL 負(fù)載和反電動勢通過續(xù)流二極管向外放電，是負(fù)載側(cè)的電壓降低，從圖中的仿真圖像可以看出，負(fù)載側(cè)電壓的有效值比直流電源電壓低，因此該電路為降壓電路。其中，負(fù)載側(cè)的有效值為： ETU ?? （ ） 在上述式子中， T 為 IGBT 管觸發(fā)信 號的周期， ? 為占空比。 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 30 風(fēng)速模型仿真 我們由前文 可知，自然界的風(fēng)主要由自然風(fēng)由基本風(fēng)、陣風(fēng)、階躍風(fēng)以及隨機風(fēng) 4 個部分組成，且風(fēng)速的形式可以由式（ ） ~（ ）所表示，因此，我們可以根據(jù)上述式子，在 simulink 中搭建如下仿真模型，如圖 所示： 圖 風(fēng)速 simulink 仿真模型 在上述的風(fēng)速仿真實驗中，本文設(shè)置基本風(fēng)速為 sm/8 ，陣風(fēng)的起始時間和持續(xù)時間分別為 s3 和 s6 ，漸變風(fēng)的起始終止時間則分別為 s4 和 s11 ，峰值為sm/10 。白噪聲模擬的隨機風(fēng)采樣時間為 。仿真時間設(shè)置為 s12 ，仿真的結(jié)果如圖 所示。 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 31 圖 風(fēng)速的 simulink 仿真結(jié)果 圖 顯示，風(fēng)速模型的仿真輸出很好的模擬了自然風(fēng)的四個 基本組成成份?；撅L(fēng)速在 sm/8 ，有風(fēng)速的躍升和驟降，也有風(fēng)速隨機變化的特點。 風(fēng)力發(fā)電機輸出功率模型仿真 本文第二章詳細(xì)介紹了雙饋感應(yīng)發(fā)電機的原理和風(fēng)力發(fā)電機輸出功率隨時間變化的曲線（如圖 所示），因此，我們根據(jù)式（ ）建立在該風(fēng)速下風(fēng)力發(fā)電機輸出功率的 simulink 仿真模型，如圖 所示。 圖 風(fēng)力發(fā)電機 simulink 仿真模型 在上述風(fēng)力發(fā)電機模型中，本文設(shè)置風(fēng)力發(fā)電機額定功率為 kw300 ，風(fēng)機切入 風(fēng)速、切出風(fēng)速分別為 sm/10 、 sm/20 。用該模型風(fēng)機對 所模擬的風(fēng)速進行仿真，仿真結(jié)果如圖 所示。 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 32 圖 風(fēng)力發(fā)電機輸出功率 simulink 仿真模型 圖 顯示，該風(fēng)力發(fā)電機在 12s 的仿真時間里，完整的集合了零出力、欠出力和額定出力三種風(fēng)機的運行狀態(tài)，符合風(fēng)力機的輸出特點，下文我們將使用超級電容器儲能技術(shù)對該風(fēng)力發(fā)電機的輸出功率進行平抑仿真。 超級電容器平抑功率波動仿真 我們結(jié)合 風(fēng)力機輸出功率模 型，并在其后加上超級電容器儲能元件，在simulink 中搭建仿真模型。如圖 所示。 圖 超級電容器儲能仿真模型 在圖 中，“ wind”和“ wind turbine”是子程序仿真模塊，分別是圖 風(fēng)速仿真模型和圖 風(fēng)力機輸出功率仿真模型；示波器 1 顯示的是經(jīng)儲能元件東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 33 平抑后的輸出功率的波形，示波器 2 表示電容器在平抑功率波動過程中吞吐的功率；在這里，我們?nèi)r間常數(shù) ? 的值分別為 和 ，仿真時間為 12s。將經(jīng)過儲能元件平抑后的輸出 功率波形和未加儲能元件時的輸出功率波形進行比較，結(jié)果如圖 所示： 圖 經(jīng)儲能元件平抑后輸出功率仿真圖像 此時，對應(yīng)的 ? 的值為 和 時，對應(yīng)的超級電容器在平抑功率波動時的吞吐功率的功率變化曲線仿真圖像如圖 所示： 圖 儲能元件吞吐功率仿真圖像 比較圖 和圖 ，我們可以得到如下結(jié)論： 對于平抑輸出功率波動而言，超級電容器能夠平抑輸出功率的波動，但是它的作用效果與其電容器的時間常數(shù)有關(guān)。時間常數(shù) ? = 時的輸出功率的圖像比時間常數(shù) ? = 時的輸出功率的圖像更加平滑，平抑的效果更為明顯。即時間常數(shù) ? 越大，輸出功率平抑的作用效果越明顯。 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 34 對于超極電容器本身而言，當(dāng) ? = 時流入超級電容器內(nèi)的功率比? = 時流入超級電容器內(nèi)的功率小，換言之， ? =6,28 時，需要的超級電容器的容量比 ? = 時需要的超級電容器的容量大。即時間常數(shù) ? 越大，流入儲能元件中的功率越多。 基于以上兩個時間常數(shù)的比較分析來看，若想更好地平抑功率波動，我們需要將時間常數(shù) ? 設(shè)置的越大越好，這樣輸出的功率會月平滑；但是，時間常數(shù) ?越大，在儲能過程中注入電容器中的功率就越多，所需要的電容器的 容量就越大，電容器的建造成本就越高。因此，我們在選擇電容器的時間常數(shù) ? 時，需要綜合考慮。 在本文中，以本文風(fēng)力發(fā)電機為例，綜合以上兩種因素的限制，經(jīng)過各種實驗數(shù)據(jù)的比較，我們?nèi)r間常數(shù)最優(yōu)值 ? =2，此時仿真圖像如圖 、 所示： 圖 2?? 時輸出功率圖像 2?? 電容器吞吐功率圖像如圖 所示： 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 35 圖 2?? 時電容器吞吐功率 由圖 和圖 我們可以看出， 2?? 時電容器可以對輸出功率波動產(chǎn)生較好的平抑效果，而且由圖 可以看出，在 2?? 時，流入電容器的最大功率大約為 170W，完全在超級電容器容量承受范圍之內(nèi)，因此，在本文的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，讓時間常數(shù) 2?? ，可以較好的平抑輸出功率波動，提高電能質(zhì)量，且符合經(jīng)濟型的要求。 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 36 結(jié) 論 本文針對 風(fēng)電場輸出功率隨機性和波動性問題，研究了利用儲能系統(tǒng)平抑風(fēng)電功率波動的新型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，對儲能系統(tǒng)在風(fēng)電場配置方式、儲能技術(shù)的選取、風(fēng)電場功率波動平抑策略、儲能技術(shù)中相關(guān)參數(shù)的選取等問題進行了深入的研究，主要研究內(nèi)容和結(jié)論總結(jié)如下： 介紹了現(xiàn)如今使用的各種儲能技術(shù)，并分析各種儲能技術(shù)的優(yōu)缺點，結(jié)合風(fēng)電場輸出功率的特性，最后選用超級電容器儲能技術(shù)對風(fēng)電場的電能質(zhì)量進行改善。 給出了風(fēng)電場兩種儲能系統(tǒng)配置方案，集中式配置和分布式配置，并比較這兩種方式的各自優(yōu)缺點，結(jié)合超級電容器儲能技術(shù)的特點，最后得出超 級電容器應(yīng)運用于分布式儲能系統(tǒng)中。 分析了超級電容器儲能系統(tǒng)中的電路結(jié)構(gòu)，即雙向 buck/boost 直流變換器，介紹了該變換器工作在不同狀態(tài)時的電路結(jié)構(gòu)，并提出了基于定時間平均功率比較的直流變換器控制策略。 分析了風(fēng)電功率波動對系統(tǒng)的影響，給出了大型并網(wǎng)風(fēng)電場輸出功率波動平抑目標(biāo)和策略，結(jié)合仿真圖像分析了超級電容器儲能對風(fēng)電功率波動平抑效果和儲能容量的關(guān)系，最后結(jié)合本文模擬的風(fēng)力發(fā)電機模型，給出了一個超級電容器儲能的最佳時間常數(shù)，并通過仿真驗證了該方法的可行性。 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 37 參 考 文 獻 [1] 杜松懷，溫步壕，蔣傳文 .電力市場 .北京：中國電力出版社 [J], ~22. [2] Shuttleworth G,Williams I. Allocation Transmission Losses： Methods and Criteria. A Submission to the DICG Prepared by NERA. London： 1999. [3] Mutale J， Strbac G, Curcic S， et al. Allocation of Losses in Distribution Systems with Embedded Generation. IEEE Proc on Genre， Transmamp。 Disturb[J]， 2021，147(l)： 7~14. [4] Baldick R， Kahn E. Contract Paths， Pathshifters， and Efficient Electricity trade[J] .IEEE Trans