PSCAD风机和风电场建模教程

1、PSCAD电力系统仿真从风机到风电场建模目录A 部分：引言.- 2 -1.介绍 .- 2 -2.PSCAD部件 .- 2 -3.仿真建模结构 .- 3 -4.仿真执行 .- 3 -B 部分：建模.- 4 -5.从风到同步发电机 .- 4 -5.1风源 .- 5 -5.2风力发电机组件 .- 6 -5.3风力发电机的调速器组件 .- 9 -5.4同步发电机 .- 12 -5.5涡轮发电机连接：在额定负载下的模拟.- 15 -6.AC/DC/AC：电源和频率转换 .- 17 -6.1二极管整流器 .- 17 -6.2过电压保护 .- 19 -6.3DC母线 .- 20 -6.46-脉冲晶闸管逆变器

2、 .- 23 -6.5与电网的连接 .- 29 -7.配电网.- 31 -7.1定义网络 .- 31 -7.2潮流仿真 .- 34 -C 部分：仿真.- 36 -8. 恒风速研究 .- 36 -8.1架构完整模型 .- 36 -8.2恒风研究 .- 37 -9.故障分析 .- 38 -9.1默认在节点 3.- 38 -9.2默认在节点 2.- 41 -9.3结论 .- 43 -10.变风速研究 .- 44 -10.1 动态变桨控制 .- 44 -10.2 被动变桨控制仿真 .- 47 -10.3 比较被动和动态的桨距控制 .- 48 -11.风电场 .- 50 -11.1 从一个单一风力发电机

3、到风电场.- 50 -11.2 PWM 调节驱动器 .- 53 -D 部分：附录.- 64 -12. 参考文献 .- 64 - 1 -A 部分：引言1.介绍近年来， 风力发电已引起特别的兴趣，许多风力发电站在世界各地的服务。感应电机在风力发电站，通常用作发电机，但新的永磁发电机的发展，改进的AC-DC-AC转换和输出功率质量优势， 使其他的解决方案成为可能。 最近的一个解决方案是使用具有可变速度和转换阶段，这是本技术的纸张的情况下研究了一个永磁发电机。本教程的目的是使用户熟悉PSCAD软件，通过一个完整的例子。PSCAD中包含功能强大的工具，为风力发电机组的仿真。B 部分描述了一步一步的建设周

4、期为一个风力发电机的整个发电。所有组件的尺寸，并连接到彼此。中级验证模型。在 C 部分，不同功率的发电调节方式模拟和分析， 对电网的故障情况进行了研究。 最后，整个风电场的模型。2.PSCAD 部件在 PSCAD，完整的风力发电机周期的组成如下：风源组件：?机械发电机组，以组件“wind turbine ”为代表。?调节调速器发电的输出功率。这项规定可以是被动的（被动变桨控制）或动态（动态俯仰控制）。所不同的是与否叶片转围绕它们的纵向轴线。这两种类型的调节，可以由组件 “ Windturbine governor ”仿真。- 2 -?其他组件均为标准的：synchronous machine同

5、步电机 , transformer 变压器 , rectifier 整流器 ,inverter 逆变器 , Control System 控制系统 , Modelling Functions (CSMF)模拟功能 , .所有这些组件将在B部分作详细介绍3.仿真建模结构B部分包括：?风力发电机组的理论研究?根据中间仿真结果对每个PSCAD 组件的选型，以使其结果与理论比较，并验证模型。本文选择定义连接到一个 100对极的永磁同步发电机的风力发电机。然后执行通过一个完整的 AC / DC / AC 转换器和一个升压变压器连接到电网。这一战略的主要优点是，允许拆下风力发电机组的齿轮箱。当然，不同的技

6、术都可以在PSCAD 中完全仿真。o Induction generator direct connection感应发电机直接连接o Doubly Fed Induction Generator双馈感应发电机本模型中的一些算例可以通过要求CEDRAT 或您当地的 PSCAD分销商获得。在本文档中，可以总结为如下图的整体序列：4.仿真执行在 C 部分，在全球的序列是通过连接的所有组件B 部分的仿真结果进行了分析，如下：?电源产生一个恒定的平均风速（13 米 / 秒）?电源与可变风速和被动变桨控制?产生的功率与变速和变桨控制动态?之间的差异变桨距控制的两种类型的?该风力发电机在网络上的分销网络在故

7、障情况下的影响?风电场模型和影响的风力发电场的连接上传输网络- 3 -B 部分：建模5.从风到同步发电机在第一部分（ 5.1 至 5.5）中，将以下组分将描述和尺寸：? Wind Source component? Wind Turbine component? Wind Governor? Synchronous Generator然后，进行仿真从而检查wind 模型。首先创建一个新的PSCAD项目： Turbine_generator.psc在项目设置，使单位转换系统（可在PSCAD4.2）以便使用与PSCAD默认单位不同的单位：- 4 -5.1 风源该组件可以在文件夹“Master Li

8、brary/Machines ”中找到。该风源组件会模拟风的每一个条件：?mean wind speed 平均风速? periodic gust with a sinus form 以 sinus 形式的定期阵风? ramp 斜坡? noise 噪音? damper for all the preceding conditions 前面的所有条件阻尼器对于风力发电机 wind turbine ，以下三个风的特性是很重要的：?平均风速：发电机和发电机的额定特性是根据平均风速确定的。经济研究也是基于这个速度。在一般情况下，平均风速为约13m/s。切入风速： 当风速高于切入速度时， 机械制动器被释放

9、， 继而发电机旋转。 一般情况下，切出速度为 4m/s。?切出速度：当风速高于切出风速时，为了不损坏发电叶片，发电机的旋转停止时。一般情况下，切出速度为约25米 /秒。对于动态仿真，风速的仿真是一整天的；因此，风速必须从切入风速到切出风速变化，以便研究风力发电机在所有风力条件下的反应。在这项研究中，低于切入风速下的启动和高于切出风速的停止是不予考虑的。 风的速度被限制在 4m/s和 25m/s 之间。首先，我们将考虑在 13m/ s的恒风。在您的项目中复制风源组件 ,并定义它的参数如图 1所示：- 5 -5.2 风力发电机组件该组件可以在文件夹“Master Library/Machines

10、”中找到。5.2.1 理论研究通过转子叶片的空气的动能是：Ec =122 mWs我们可以从风力发电机获得的理论功率是：Pth =132 SWs其中， 是空气密度（1.22kg/m 3）；S 是转子表面积（m2）；Ws 是风速（ m/s ）。实际上，由于轮毂hub 后的风速不为0，所获得的功率会偏小。这种效率的特征有贝茨系数（由伯努利方程给出）决定，也被称为功率系数Cp：Cp = Preal/Pth12Cp =( 1 - a ) (1 + a)其中， a 是转子后的风速/ 转子前的风速。- 6 -5.2.2 Cp 曲线与 PSCAD标准模型在这项研究中，我们将使用一个标准的3 个叶片的转子。3

11、或 2 叶片的风力发电机的功率系数将小于理论值。在 PSCAD主库中有风力发电机的标准模型，其功率系数根据下面的公式确定（model of PMAnderson1 ）：Cp = 0.5(2-0.17 - 0.022 - 5.6)e=2.237* 风速 / 轮毂速度：叶片的入射角Cp 在 =0 时达到最大， =0 时的曲线Cp(y)如下图所示：- 7 -5.2.3 参数计算该模型的永磁发电机具有以下特点：?额定条件下的Cp 计算无齿轮箱轮毂速度 =永磁同步发电机额定转速在平均风速为13 米 / 秒时，必须达到额定功率。 = 风速 *2.237/ 轮毂速度=13*2.237/3.1416 = 9.

12、25Cp(= 9.25, = 0) = 0.4?汽轮机额定功率：一般而言，在机械周期中，涡轮机的功率比发电机高20%左右：发电机的额定功率：Sngen = 3 MVA发电机额定功率： Snturb = 1.2 *3 = 3.6 MVA?转子半径和面积的计算：在 PSCAD 中，功率由下式给出：3P = 0.5* * S*sW* Cp其中， Cp=0.4， Ws = 13 m/s， = 1.22 kg/m32S =6716 mR =46.2 m5.2.4 定义的风力涡轮机参数复制一个wind turbine到工程中，并确定其参数如下：- 8 -5.3 风力发电机的调速器组件该组件可以在“ Mas

13、ter Library/Machines ”中找到。5.3.1 理论研究?-?.?= ?(?.- ?.- ?)?.根据风力条件，调节 可以调节 Cp 从而可以调节发电机的输出功率。存在两种调整策略，并说明如下：?被动桨距控制：由风力涡轮机制造者确定的? 角，能在一个预定义的平均速度下产生最大的能量的。当低于平均风速时，没有角度控制： Cp 是不是最大的。当高于平均风速时，叶片轮廓创建湍流，以阻止叶片的转速增加。?动态桨距控制：在此配置中， 叶片沿其纵向轴线转动。 调节系统会给出参考功率， 并每一秒系统都会转动叶片，从而以此来调节输出功率，如下面的曲线所示：?区域 I： Vwind Vcut-i

14、nP = 0 (涡轮机不转动 )? 区域 II：P Vcut-outP = 0 (涡轮机受机械制动而停止转动 )- 9 -5.3.2 定义风机调速器参数复制一个风机调速器组件到您的项目，并确定其参数如下：- 10 - 11 -5.4 同步发电机该同步发电机由以下组件描述：该组件可以在“ Master Library/Machines ”中找到。?计算的参数：在本研究中，我们使用的是是永久磁铁发电机，所以其励磁恒定为1 p.u：注意：1. p.u 值：在 PSCAD中所有的内部值被定义为标幺值，因此，一个新的基准值的修改将改变所有的内部参数，用户并不需要计算出所有的新值。2. PSCAD中同步机

15、的启动： PSCAD允许在发电机作为电源或者其转子转速恒定时启动仿真。在我们的研究中，启动是在平均风速，及初始机器速度下完成的。3. 永磁发电机的建模：为使用一个静电的同步模型来模拟一个永磁同步发电机，我们选择了以下条件：? 恒定励磁电压： 1 p.u.? 一个大的不饱和瞬态时间Tdo，这增加了磁场泄漏：10 秒? 一个非常小的不饱和瞬变时间Tdo，它模拟了一个大的阻尼电阻的效果：0.0001s?初始励磁电流等于它的永久值- 12 -复制一个同步电机组件到您的项目，并确定其参数如下：- 13 - 14 -5.5 涡轮发电机连接：在额定负载下的模拟现在，连接所有的组件如下：注意：额定负载的计算风

16、速 =额定值 = 13 m/s为了达到最大功率且风机输出功率为3.6 MW， = 0发电机的额定负载是: R = 0.257 。仿真参数及分析:? Duration: 40s? Time step: 100 s? Plot step: 1000 s? Startup method: Standard? Scale Factors ( to display Tand P with 有名值 and non 标幺值 )曲线的演变遵循基本的机械规则：- 15 -? 机械转矩 电磁转矩 = J*dw/dt + f*w启动时，机械转矩电磁转矩，速度增加；?风机功率有Cp 值决定，而Cp 是风速与轮毂速度的

17、函数在本例中，风速是常数：13m/s，因此， Cp仅是轮毂速度决定。随着速度增加，功率系数25.6)e-0.17Cp = 0.5( - 0.22 -降低。风机功率降低? 最终稳定状态：机械转矩电磁转矩 = f*wTturb = 1 173 000 NmTelecGene = 1 156 000 Nmf*w = 1 173 000 1 156 000 = 17 000 Nmw = 3.06 rad/sand f = 0.02 pu = 0.02 * 955000 = 19100 Nmf*w = 19100 * 3.06 / 3.14 = 18 600 Nm ? 17000 Nm? 风机功率对应的

18、额定功率（ 3.6 MW ）? 发电机的功率从 0 开始到风机的额定功率? 速度接近额定速度（ 3.06 rad/s）- 16 -6.AC/DC/AC ：电源和频率转换风源的速度是可变的， 而为把同步发电机连接到电网， 需要恒定的频率和恒定电压， 因此必须通过一个 AC-DC-AC级转换器，从而把同步发电机的输出（频率和电压可变）连接到电网。在下面的部分中，将对功率转换级进行说明和参数定义。它由以下部分构成：一个二极管整流器一条直流母线（有存储电容电压）一个 6 脉冲晶闸管逆变桥由于模型只表示一个单一的风力发电机，晶闸管的触发角不是控制在电网连接点的电压的函数，但能使 DC 母线电压保持在 +

19、/-10% 的额定电压。这将涉及到下面所示的 HVDC控制系统的建模。6.1 二极管整流器在 PSCAD中，可以用以下组件对三相二极管整流器建模：6pulse_bridge 组件可以在文件夹“Master Library/HVDC&FACTS”中找到。复制发电机和风机到子页面中，然后连接到整流器上。- 17 -6-pulse bridge (6-脉冲桥 )可用于作为晶闸管桥或一个二极管桥，但触发角(AO)恒定设为 0 。整流器参数：- 18 -6.2 过电压保护直流电压的额定值是：3 ? Vn ? 63 ? 690 ? 6= 1600 VVDCbus =一台发电机的输出电压与其速度成正比，发电

20、机的速度不能被控制，DC 母线必须实行过电压保护。使用安全裕量为10%：Maximum voltage= 1.1 ? 1600 =1760 V为了确保母线的安全，在过电压的情况下，通过单输入电平比较器，把整流器封锁。该组件可以在“Master Library/CSMF ”中找到。Figure 13: Single input level comparator characteristics- 19 -Figure 14: Rectifier and overvoltage protection6.3 DC 母线6.3.1 建立 DC 母线1）存储容量：在直流母线中储存的能量，必须能够承受1 秒

21、的电压骤降。存储的能量为：W = Pn ? 1s = 3MJE = 1 ? C ? V_DCbus22C_DCbus = 1600 V?= 2 ?W2 =2 ? 3 ? 1e6/1600 2VDCbus2）电阻器：电容器未充电时可建模为短路， 因此我们必须加入一个电阻， 当低电压时， 以限制峰值电流在额定值附近。VDCbus = Vres + Vcap Vres at low chargeR = VDCbus= 1600= 1.1 In14503）断路器：该系统为一阶系统，其负载时间常数为Tr = 3 ? ( =RC)Tr = 3 ? RC = 3 ? 1.1 ? 2.3 = 7.5s为减少热

22、量损失，该电阻必须在7.5s 后被短路。使用 single_phase breaker （单相断路器）来控制电阻的短路（该组件可以在文件夹“Master Library/Breakers ”中找到）- 20 -断路器的参数配置如下：Figure 15: Breaker characteristics为控制断路器，可以使用下面的序列发生器：Figure 16: Breaker operation sequencers按如下配置：- 21 -6.3.2 模型验证为检查系统是否正确结算，准备距离和范围，以可视化的下列值：Figure 18: Scale Factors and RMS constan

23、ts for measured quantities仿真参数：Duration: 60s sTime step: 100 sPlot step: 1000- 22 -Figure 19: Curves obtained with“ turb_gen_DC_Connection.psc”电机的转矩一直高于阻力矩，从而速度增加。随着速度增加，Cp 降低，从而风机的功率和转矩降低。在 t=7.5s 时，电阻被短路，电容器充电，过电压调节限制母线电压在1760 V， Idc 降至 0，因此发电机的输出功率降为0，当Tturb -0 = f ? w时，将到达一个新的稳态。6.4 6-脉动晶闸管逆变器6.

24、4.1 演示在此项研究中， 模型化的逆变器是一个电流逆变器与晶闸管（单向电流， 双向的电压） 。同时，增加了一个电感，以模拟逆变器输入出的电流源。?电感器：直流母线必须能够承受1 秒的电压骤降W= 3 000 000 J 。在自电感中存储的能量为W =12 ? L ? Idc2E3000000由于 Idc = Pdc/Vdc = 3 ? 1e6/1600= 1875 AL = 2 ? Idc 2 = 2 ? 18752 2 = 1.7 ?选择一个电感，并粘贴到模型中。?逆变器：对于整流器， 为了获得一个晶闸管电流逆变器，请选择的6 脉冲桥组件。 其特性如下图所示：- 23 -Figure 20

25、: Thyristor Inverter characteristics?逆变器必须提供两个额外的功能：?在配电系统故障下DC 母线线电压崩溃限制?DC 母线电压控制6.4.2 电压崩溃的限制在配电网故障的情况下，必须对母线进行短路保护，否则电压就会崩溃。而过电压限制的安全余量是10%。低电压极限值 =09*1600=1440 V为保证母线安全防止低电压，我们会停止整流器。这是通过单输入电平比较器(Singleinput level) 组件完成的，其定义如下图所示：- 24 -Figure 21: Single Input Level Comparator characteristics 可以

26、把单输入电平比较器与逆变器相连，已得到如下方案：6.4.3 电压调节在此，使用单一的风力发电机建模。风机连接到电网的弱冲击会使对DC 母线的电压控制启动，而不是直接作用于连接点。DC母线的电压波动必须保持在0.95p.u. 到 1.05p.u. 之间。?Vdv-5% V_Dcbus Vdv+5%?1520 V V_Dcbus1680 V该控制将通过HVDC控制系统 (HVDC control system)组件执行，该组件可以在PSCAD的Master library 中找到 (在 HVDC, FACTS & Power Electronics中 )：? “Voltage Dependent current limits”? “Generic current controller”,- 25 -? Voltage Dependent Current Limits:用户将定义的两个电压值之间以保持直流电压。这些值被称为“Applying Limit ”（ Von）和“ Removing Limit ”（VOFF）。用户还输入最小电流值，被称为“Current Limit ”，然后：?如果?如果VD ” Removing Limit”Current: Order CO= Current Inp