东北电力大学本科毕业设计论文

第5章 超级电容器在风力发电中的应用仿真

5.1 仿真内容概述

本章将在前面章节介绍的基础上对算例进行仿真分析，主要根据第三章介绍的buck/boost双向直流电路建立仿真模型，分别分析buck/boost双向直流电路工作在boost升压状态和buck降压状态时的等效电路，并建立相应的仿真模型观察其在两种工作状态时的电压电流的变化；根据第二章介绍的双馈感应风力发电机的工作原理及功率曲线，建立风速模型和风力发电机模型，模拟其输出功率；根据第四章介绍的超级电容器的模型，对超级电容器接入风力发电机进行仿真，并根据该案例的仿真图像对超级电容器的容量参数进行分析。

5.2 Matlab仿真软件的概述

Matlab是一门准确度特别高的科学技术的计算机语言课程，它将数字计算、可视化和编程结合起来放在一个特别方便应用的平台中。在上面的平台中，使用者能够用平常容易认识的数学符号用另一种方式表示出问题的提出和解决，Matlab仿真软件的有下面几种典型的使用模式：

(1)数学的各种计算。 (2)运算法则 (3)建模和仿真

(4)数据分析、数据研究和可视化 (5)科学工程图形

(6)应用程序开发，包括创建图形用户接口。

能够准确、快速的解决具有特定应用问题的程序组是Matlab的一个非常重要的特征之一，意思就是指TOOLBOX （工具箱），这些工具箱包括：信号处理方面的工具箱、控制系统方面的工具箱、神经网络方面的工具箱、模糊逻辑方面的工具箱、Simulink方面的工具箱、通信方面的工具箱和数据采集方面的工具箱等许多专用工具箱，这款软件主要由MATLAB主程序、Simulink动态系统仿真和MATLAB工具箱三大部分组成。MATLAB软件明显的特点有编程效率快、计算能力强、使用简单。

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5.2.1 Matlab及Simulink的仿真基础

Simulink于20世纪90年代初有Mathworks公司开发，是Matlab环境下对动态系统进行建模、仿真和分析的一个软件包。Simulink给用户提供清晰的图形界面，用户很方便的拿鼠标来进行操作，标准模块可以从模块库中被调用出来，将需要的标准模块准确的连接起来就可以构成用户所希望的动态系统模型，双击每个模块找到各自的参数对话框图来设置系统中每个模块的参数。设置完系统中所有的模块参数以后，一个动态系统模型就建立起来了。假如其中一个模块没来的急进行参数设置，这种情况就说明此时这个系统中的这个模块使用的参数是Simulink中原先给这这个模块设置的参数，即为默认参数值。

Simulink模块库中有非常丰富的模块。除包括输入信号源（Sources）模块库、输出接收（Sinks）模块库、连续（Continuous）系统模块库、离散（Discrete）系统模块库、数学运算（Math Operations）模块库等许多标准模块外，用户还可以自定义和创建模块。

Simulink仿真模型的基本特点可归纳如下：

（1） Simulink里提供了许多Scope (示波器)的接收模块,这里用Simulink进行仿真,具有像做实验一般的图形化显示效果。

（2） Simulink的模型具有层次性,通过底层子系统可以构建上层母系统。 （3） Simulink提供了对子系统进行封装的功能,用户可以自定义子系统的图标和设置参数对话框。

启动Simulink后，建模仿真就可以在Simulink中实现。Simulink建模仿真的主要步骤包括：

（1）首先将一个空白的Simulink预设窗口打开。

（2）开始对于Simulink模块库界面进行浏览，对于系统中所需要的模块应该从模块库中用鼠标拖放到编辑窗中相应的位置。完整的操作过程是：将鼠标左键点选中系统中所需要的模块，随后将那个模块拖动至需要创建仿真模型的窗口里，最后将鼠标松开，此时创建仿真模型的窗口中就出现了系统所必须的模块。

（3）根据系统图所要求的参数来改变绘制模型窗口中模块的参数。在MATLAB软件中的Simulink平台下绘制模块图,如果不改变参数的话，此处系统中绘出的模块只能是默认的参数，为了使用户的特定需求得到满足，此时必须重

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新设置模块的参数。当用户重新设置模块参数时，首先用鼠标左键对模块进行双击，将模块的参数对话框快速的打开。从用户新打开的设置参数对话框可以了解很多，一方面能够清楚地看到模块中每项默认参数，另一方面按照系统要求来重新设置各项参数。

（4）根据实际系统模型的要求，对于各个模块框图按要求适当的连接起来。 （5）将需要输出的变量与示波器连接起来，用菜单或者选择命令窗口中的开始键开始仿真，当仿真结束后，点开示波器仔细的观察仿真结果，看是否与理论上相一致，如果不一致的话,马上停止仿真，检查各个模块参数设置是否正确。

5.2.2 Simulink在电力系统的建模与仿真应用

电力系统一般由发电机、变压器、电力线路和电力负荷构成。电力系统的数学模型一般是由电力系统器件的数学模型组合构成。在Matlab软件中，提供了power2sys函数作为短路模型的结构分析函数，可以利用power2sys函数将电力系统的电路图模型向状态方程模型和传递函数模型进行变换。

电力专家们在SimPowerSystems中的贡献在于构建电力系统分析用到的上百个交互式库函数，如用Matlab语言编制的*.mdl文件，将电力系统分析模块与Matlab/Simulink连接起来。电力系统仿真工具箱包括电源模块、电力元件模块库、电力电子元器件模块库、电动机模块库、测量模块库、应用模块库、特别模块库以及电气系统仿真分析的图形用户接口。Matlab的图形界面具有直观简单的特征，能够描述许多用语言难以表达的信息，可以加快建模速度，提高仿真精度和仿真效率。

5.3 双向直流变换器的simulink仿真

在Matlab中采用simulink仿真软件对双向直流变换电路进行仿真，这里我们分别模拟boost升压电路和buck降压电路的运行特性

5.3.1 boost升压电路仿真分析

当双向直流电路工作在boost状态时，超级电容器处于放电状态，此时我们可以将电容储能元件等效为直流电源，而将电网直流侧等效为负载，电路工作情况类似于升压斩波电路，下面我们对升压斩波电路进行simulink仿真分析。

直流升压斩波电路仿真模型如图5.1所示，直流电源电压为100V，负载为

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带有电容滤波的电阻负载，电阻为25?，滤波电容为100?F，开关管采用IGBT为模型，驱动信号频率为1000Hz，占空比为70%。

图5.1 直流升压斩波电路仿真模型

仿真波形如图5.2、图5.3所示

图5.2 直流升压斩波电路负载电压

图5.3 直流升压斩波电路负载电流

该模型仿真时间为0.03s，电路大约在0.01s时达到稳态，储能电容器开始向

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