风电并网仿真

1、风电并网课程作业用digsilent软件仿真分析含风电场的单机无穷大系统的潮流与动态过程班级：研电1105姓名：郭威(1112201057)李彦宾(1112201063)0仿真系统参数如下双馈电机参数：变压器参数:额定容量SN=1.5MVA额定电压UN =0.69kV正常转速 n =1490.565rpm级对数p=2惯性时间常数（集中参数）TQ定子电阻 Rs =0.00598989pu转子电抗孔=0.125pu同步速时转子电阻 Rr =0.00619137pu转子电抗土 =0.105368pu静止时转子电阻 Rr =0.02623123pu额定容量SN =63MVA额定电压 UN =242kV

2、/10.5kV短路损耗404 kW空载损耗93 kW短路电压14.45%空载电流2.41%直流电容参数：C=48137.6pF E=1.15kV系统参数：无限大系统:f =50Hz负荷参数：P=35MW，cos =0.9输电线路：LGJ400，200km, r1=0.08 Q/km,x1=0.04 Q/km.变压器参数计算：选择电力变压器型号为SSPL-63000/220，额定容量为63000kVA，额 定电压242土 2x 2.5% kV，低压10.5kV，短路损耗404kW，空载损耗93 kW，短路电压14.45%，空载电流2.41%，经过计算：P U 21000SN404 x 24221

3、000 x 632=5.96QX = U %UN2T100SN14.45 x 2422100 x 63= 134.33。G =Po=93=1.588 x10一 6 ST 1000 x U 21000 x 2422NB = 4 = 2.41x 63 = 2.59x10-5 ST 100U 2100 x 2422N搭建的单机无穷大系统潮流图，该系统中无穷大系统由内阻为0、电压标么值为1的50Hz交流电压源进行等值。发电机采用经典二阶模型。设Xd后暂态电势E恒定、机械功率Pm恒定，D为定常阻尼系数，忽略线路损耗及分布电容，则对于单机无穷大系统有如 下运动方程:d七一D 0T)d 61=一1、dt下图

4、中是digsilent潮流计算之后的潮流图（单线图），图中记录了母线电压、相角以及标幺值，而变压器与线路都显示了有功、无功及负载率。RlndLCMG5Ul 220.00 kVUI9.96 kVu 0.95 p.u.phiu 4.25 degouculpljasP 30.00 MWQ 18.60 Mvar loading 99.99 %P 35.00 MWQ 16.95 MvarP-2.61 MW Q -1.38 MvarI匚旧ding 口旬UI219.30kV u 1.00 p.u. pihiu -li.WW 日巳gP 2.61 MW Q 1.39 .Mvar . loading 0.50 %

5、u 1.00 p.u. phiu 0.00 deg:6凸_00巨ODO.EM巨ooo-=-_:=-二阳-1-?1?:-巨雷03 00 000 0 M 吕O图0-3风机并网后的潮流计算图DC在digsilent中，由上图看出双馈电机的转子直接接到了一个直流母线上缺少了转子侧变 流器的逆变作用，而不是我们所学习的转子通入三相交流电源，实际上在digsilent中原理上 仍然是转子通入三相交流电，只是我们通过搭建模块将转子变流器以及其控制策略集成在控 制模块中，所以在拓扑结构图中没有显示出来。2双馈机的基本原理双馈机的等值电路如图2-1所示。 ussx，u/s图2-1双馈机等值电路其中jXm为激磁电

6、抗，R+jXs为定子阻抗，Rr为转子电阻，Xr为转子漏抗，U,为转子电 压，以上所有转子量均为折算到定子侧的数值。忽略定子电阻，从定子侧输入的电磁功率可表示为P = -1 R 2 -ReU I (1)s s r r Sr r其中前面一项对应一般异步电机的电磁功率，该值完全取决于异步电机的滑差，滑差为 正时吸收电磁功率，运行于电动机状态；滑差为负时发出电磁功率，运行于发电机状态。双 馈机则可以通过控制后面一项，使得电机的滑差为正时也能实现发电；实际中，双馈发电机 的转速变化范围可达同步速的土30%。式(1)也表明，双馈机的定子功率控制是通过调节转 子回路的励磁电压或电流实现的，具体调节过程通过矢

7、量控制技术实现。从双馈机转子输出到电网的电磁功率为(2)P = ReU I = sP I R 2rr rs r r忽略转子损耗，则有 TOC o 1-5 h z P = sP(3)即在忽略双馈电机定子和转子损耗的条件下，通过转子回路馈入电网的功率为通过电网 流入定子回路功率的s倍。据图2-1所示的参考方向，有P = P + P(4)由式(3)和(4)，可以得到 s m rP = (1 s) P(5)式(3)和(5)即构成了双馈机的功率关系方程。当0VsV1时，双馈机运行于亚同步状态；当s1时，双馈机运行于超同步状态，(a)亚同步发电(b)亚同步电动(d)超同步电动不同运行状态下双馈机的实际功率

8、流向如图12所示。(c)超同步发电图2-2不同运行状态下双馈机功率流向由图2-2可知，不论是发电机状态还是电动机状态，亚同步运行时双馈机的定子功率和 转子功率流向相反；超同步运行时双馈机的定子功率和转子功率流向相同。实际上，双馈机 在滑差为0的情况下也可实现发电，这时转子回路电流频率为0，即为直流电，而转子回路 馈入电网的有功功率为0，双馈机的运行状态等同于同步发电机；由于其特殊性，一般不将 其列为一种独立的运行状态。从第一部分的潮流图可知，转子功率和定子功率都往电网流，可见DFIG处于超同步状 态，转子转速大于同步速。(6)双馈机的dq电压、磁链方程如下：usd=PVsd-w V1 sq+

9、RLusq=PVsq+ wv1 sd+ Rsisqurd= PVrd-s*V + R i durq= PVrq+ sw V + R i= L i + L isds sdm rd= L i + L isqs sqm rq= L i + L irdr rdm sd= L i + L irqr rdm sq由于双馈机的定子接在频率恒定的大电网上，定子电阻比电抗小很多，可以忽略不计，这时定子磁链与定子电压矢量近似互相垂直。把dq坐标系的d轴定向在定子磁链上时，定子 磁链的q轴分量为0；这时d向定子电压为0，而q向定子电压为常数，即W =W sd 1W = 0 u = 0 u = u将式(7)代入磁链方

10、程，可以得到(8)(10)i =W 广 Lh sd Lsi =土sq L在同步旋转坐标系下，有定子功率3/ .、=(u i + u i )2 sd sd sq sq3=(u i + u i )2 sd sq sq sd将（7）、（8）代入（9），可以得到P =-当土 is2 L rqs3u Q =（W - L i ） s2 L1 m rds式（10）即构成了双馈机转子变流器矢量控制的数学模型。由式可见，在定子磁链 或定子电压保持恒定时，定子有功功率与irq成正比，而定子无功功率则完全由ird决定; 转子变流器矢量控制实现了定子有功功率和无功功率控制的解耦，或者说实现了电磁转 矩与转子励磁控制的

11、解耦，这就是转子变流器的矢量控制。转子变流器的控制策略是功率、电流双闭环系统。在功率闭环中，有功功率P*的参 考值可以根据风力机和双馈电机的特性按捕获最大风能的原则给出，无功Q*的参考值可 以根据电网要求的最大功率因数需求设定，也可从发电机功率框图消耗的角度求得。反 馈功率P，Q则是通过对发电机定子输出电压、电流检测和坐标旋转变换后计算求得； P*、Q*的参考值与反馈值先进行比较、差值再经过PI型功率调节器运算，输出定子电 流有功分量及无功分量的参考值，通过计算又可得出转子电流的有功分量和无功分量的 参考值和，将它们与转子电流反馈值进行电流控制（PI调节），可以得到相应的有功无 功的改变值，然

12、后通过坐标变换，得到控制PWM的调制信号，从而使得通过调节电流就能调节发电机发出有功功率和无功功率。图2-3基于定子磁链定向的DFIG的P、Q解耦矢量控制策略 利用该原理我们得到digsilent中转子变流器的控制策略框图：图2-4 digsilent中转子变流器矢量控制模块网侧PWM变换器的主要功能是保持直流母线的电压稳定、输入电流正弦和控制输入功率 因数。这直接取决于直流侧和交流侧有功功率是否平衡。如果能控制交流侧输入的有功功率， 就能保持直流母线电压的稳定。由于电网电压基本上是恒定，所以对交流侧有功功率的控制实际上就是对输入电流有功分量的控制。输入功率因数的控制就是对输入电流无功分量的控

13、 制。通过PARK变换我们可以实现解耦控制，从而控制id与iq可分别控制有功和无功功率， 从而控制直流环节电压和交流侧功率因数。uDFIGuLdc*uauuqri*i网侧变换器机侧变换器L+u dcudel F-, +i * du *idr*.qrid iqu *a】rPlf0uS SaPuj 申 u abcabcSVPWM0auu aPIPIPI图2-5基于定子电压定向矢量控制策略 在digsilent中相对应的网侧变流器的控制模块为：Grid Side Converter:i_lc_rei *Iq.rei *Cunverter 日mS产Current Cuntrol 日 mCur1Tran

14、sfanTfltiXi 日 mDq-I Current hifeasurement StalmeaPLLBmPir, BmPhP口匚:Vbtt逆 Cuntrul日mUc x.DC l,J:tage rreasurpn-Krt 编Ute*图2-6digsilent中网侧变流器的控制模块3动态仿真故障前双馈机运行于超同步发电状态or=1.2p.u.,为了便于分析假设风速保持恒定不变。 双馈机并网处发生三相金属瞬时性短路，故障发生时刻为25s，持续200ms后故障消失，仿 真结果如图0-图10所示。rTJI4-V4-T 图0风速数据1.13751.125D1.11251.08751 .LI75LI

15、I24.D526.05Gid: Speed in p.u.28.053D.D532.05s34.D5图1转子转速23.9924.4924.9925.4925Jjg526.49BK兴淖馈阱却哭溯Itm弱，gnrtuderminal AC in p.u.3泌;炬*子电寸压2.502.LILI1.501.00Li.5D0 0023 TJ4TL-6 .LILI23.9924.49PQ Control: Q图5定子无功一24.9925.4923.9924.49Current iVfeasurement: id24.gg25.4925.99526.49-1717VL 1图6转子d轴电流HJT LI.LIL

16、I25.4924.4924.99Gid: Positive-Sequence Current, hgnitude/Terminal AC in p.u.25.99s26.49图9定子电流图10直流电压3.1仿真结果分析故障后双馈机的电磁转矩急剧下降，而此时风速保持恒定，可认为输入机械转矩保持不 变，发电机转子转速将迅速上升到一个较大的值。定子输出有功功率取决于机端电压，两者 的变化轨迹趋近于一致，都是先降后恢复。定子电流和转子电流均出现过电流，与此同时变 流器中的直流电容出现过电压。3.1.1定子功率分析首先分析定子有功功率:3u L i（10）2L qs3U (y- L i )2 L 1 m

17、 rds可知，定子有功与定子电压（定子磁链）成正比，故障后定子磁链的减小造成定子有功 功率数值上减小。ird下面来分析定子无功功率。双馈机的运行性能一大优点就是双馈机可以实现无功功率的 控制及有功和无功控制的解耦。由上式（10）可知，双馈机定子既可以从电网吸收无功功率， 也可以向电网送出无功功率，而且其大小可以调节。当定子无功功率为0时，双馈机定子与 电网间没有无功功率交换，这时应满足(11)而定子回路发出和吸收无功功率的条件为(12)i *，发出无功功率rd Lmy，吸收无功功率m系统故障时，定子磁链下降，由上式可知，将有id ，此时定子回来将会发出大 m量无功。这从图5可以看出。3.1.2

18、故障电流分析故障后双馈机的定子电流和转子电流如图8和图9所示。由于三相对称，只取其中一相 分析。由图8、9可见，故障后定、转子电流都包含有很大的直流分量且衰减很快，而衰减一段 时间后又增大的现象则是由控制系统的作用引起的：故障后由于定子无功功率和转子转速的 变化，引起ird和irq的变化，如图6和图7所示；可以看到，故障后ird变化不大而i/曾大。这就是故障后直流分量衰减一段时间后开始增大的原因。3.2小结本节用Disilent建立了完整的双馈机发电系统模型，对电网发生故障后双馈机的暂态特 性进行了详尽的仿真和分析，可得到如下结论：双馈机的矢量控制系统基于稳态运行状态设计，暂态过程中会出现一些不利于其运行的 电磁暂态过程，主要为转子电流器的过电流和直流电容的过电压问题（当网侧输入的功率大 于转子侧消耗的功率时，多余的功率会使直流母线电压升高；反之，会使电压降低。只要能 快速地控制交流侧输入的有功电流分量，就可以控制有功功率的平衡，从而保持直流母线电 压的稳定。）。出于经济和技