基于psc的双馈风力发电系统的建模与仿真文档

基于psc的双馈风力发电系统的建模与仿真精选文档风力发电机组监测与控制课程设计说明书基于PSCAD的双馈风力发电系统的建模与仿真 学生姓名李坤 班级能源111 完成日期2015年1月10日电力是国家的支柱能源和工业经济命脉，经济的飞速发展而导致用电量的急剧增加和国内各大型电厂的建设投产将出现大规模的联合供电系统，这样的供电系统的建立将带来巨大的经济和社会效益，但是，如何保证系统安全、稳定、经济的运行以及保障供电质量是摆在电力科技人员面前的一个重大而迫切的问题。本论文首先介绍了STATCOM具体的工作原理，对STATCOM的电路结构及其无功补偿的原理进行了分析。然后，通过数学推导建立了STATCOM在abc坐标系分析了双馈型风电场接入输电系统后的暂态特性以及对电力系统暂态稳定性的影响。基于PSCAD仿真平台建立了风力机模型和双馈型发电机的动态数学模型，在换流器建模方面，转子侧换流器的矢量控制实现了有功功率和无功功率的解耦控制，网络侧换流器的矢量控制实现了直流母线电压保持恒定以及调节输入系统关键词:风电场；双馈型发电机；暂态稳定；电力是国家的支柱能源和工业经济命脉，经济的飞速发展而导致用电量的急剧增加和国内各大型电厂的建设投产将出现大规模的联合供电系统，这样的供电系统的建立将带来巨大的经济和社会效益，但是，如何保证系统安全、稳定、经济的运行以及保障供电质量是摆在电力科技人员面前的一个重大而迫切的问题。由于配电网结构、运行变化等原因，我国配电网损耗、电压合格率等技术指标与发达国家相比有很大差距，由于电压不合格等原因造成用户电器烧毁的现象仍然存在，而网损过高使得生产的宝贵电能白白浪费，而且影响电力企业的经济效益。在人们日常生活以及工业生产中，感性负载所占据的比例增大，无功功率问题一，功率因数也是衡量电能质量三大指标之一，功率因数也是衡量电能质量三大指标之一。容性负载包括计算机、开关电源、电视、输电线路等，虽然所占比例不大，但是对电力系统的影响也不容忽视。输电线路的电感性无功功率小，由于电容效应，输电线路产生的的容性充电功率大于输电线路吸收的电感性无功功率，必须满足电力系统无功平衡的需要，维持电力系统的电压水平，否则电力系统电压过高，将无法保证安全运行。静止同步补偿器(StaticSynchronousCompensator,STATCOM),是目前无功补偿技术，近年来随着电力电子开关技术的进步而逐渐兴起。STATCOM的原理是利用全控型大功率电力电子器件构成可控的电压源或电流源，使其输出电流超前或滞后系统电压90,从而对系统所需的无功进行动态补偿。早期有文献称之为可能性虽然早在20年前就已经为人们所认识，但限于当时电力电子器件的耐压和功率水平，无法制造出输电系统中具有实用价值的装置。直到近年来，尤其是高压大功率的门极可关断晶闸管GTO的出现，才极大的推动了STATCOM的开发和应用。STATCOM是并联型FACTS设备，它同基于可控电抗器和投切电容器的传统静止无功补偿器SVC相比，性能上具有极大的优越性，越来越得到广泛的重视，必将取代SVC成为新一代的无功电压控制设备。其基本拓扑结构分为电压源型和电流源型，分别如图3-1、3-2所示：实际上，目前STATCOM装置中研究最深入、应用最广泛是电压源型逆变器结1、电流源型逆变器的工作原理，需要采用具有对称特性的大功率开关器件，即双向电压阻断能力。而目前常用的可关断器件存在反向阻断能力差、导通损耗过大的问题；相比之下，电压源型逆变器则不会受到该限制。2、电流源型逆变器直流侧储能电感不具备防止器件过电压的能力，因此需要安装额外的保护电路或者增大取值裕量；相比之下，电压源型逆变器的直流电容本身具备防止功率器件过电压的能力。3、电流源型逆变器的直流侧储能电抗在工作中会产生比较大的损耗，给装置设计带来困难；而电压源型逆变器的储能电容损耗要小的多。电压源型逆变器具有的以上优势使其成为目前条件下更合理的选择，因此本文主要研究基于电压源型逆变电子开关器件将直流侧电压进行逆变，从而在逆变器交流侧输出一个与电网同频的正弦电压。此时STATCOM可以视为一个与电网同步的并且灵活控制的交流电压源，其接入系统时的等效电路如图3-3:输出的电流为：只对无功进行补偿，因此与电网之间不存在有功的往返。需要从电网吸收很小的有功电流以维持直流侧电压平衡。由于这部分有功相比无功非常微小，因此在进行理论分析的时候一般忽略不计。最后近似认为STATCOM输出的电压U,与电网电压Us相位相同，从而得到装置输出的单相无功功率为：由以上分析可得，在正常工作时STATCOM具有无功双向调节能力：即容性工况和感性工况，分别如下图所示：图3-4容性工况图3-5感性工况(1)即STATCOM装置交流侧逆变电压幅值大于系统电压幅值，此时流过电抗器的补偿电流超前系统电压90°,STATCOM装置向系统输出(2),即STATCOM装置交流侧逆变电压幅值小于系统电压幅值，此时电抗器上的补偿电流滞后系统电压90°,STATCOM装置向系统输出负无功补偿技术存在本质区别。通过对逆变器交流侧电压的幅值和相位进行调控，或者直接对其补偿电流进行跟踪控制，就能够在容性到感性范围内连续调节无功补偿电流，并且做到精确的稳态跟踪准以及快速的动态响应。6Cv电压115kv短电路500mva电力88mva3单相接地阻抗的75与X/R比率等于1-发生在秒和秒△电力88mva—-wF短电路500mvaABC->G图3-8两电平电压型statcom如图3-9所示将直流侧电压与直流基准电压的差值经PI调节得到直流侧电流ND测得的电压(PU)助x图3-9电压控制环如图3-103-11所示指定模因子Moduloheta图3-10三角波形的交流电压的同步发电系统图3-11图3-11参列6NTay66O6666考波形的同步系统交流电压和偏移角单相生成如图3-12所示对上述差值进行滞环控制得到PWM波其中环宽为。第一种0.1STATCOM阻塞Trgoff触发脉冲的产生发射脉冲产生的使用比较参考信号的三角信号两组信号(参考三角的)是需要的，一套用于接通和第二一个(一个否定该第一组信号)转离看到PWM控制部分1和2两个信号被发送到每个开关，第一个告诉的打开或关闭，该第二个决定切换的瞬间并通过插值程序，使用允许的时间步长之间切换图3-12触发脉冲的产生图3-13为系统仿真主接线图其中仿真参数设置电网电压为115kV,容量为100MVA频率为50HZ,系统等效电阻为2,直流侧电容为300HF。故障设置在，三相故障接地，持续时间为。V=1.017图3-13仿真主接线图图3-14STATCOM无功补偿曲线图从图3-14可以看出STATCOM可以很好的响应系统，在故障期间发出所需要的无功。从图3-15可以看出STATCOM基本不从系统吸收有功，受系统电压源的影响较小。图3-16系统的电压变化从图3-16可以看出STATCOM可以很好的维持系统电压的稳定性11．亚同步运行状态：在此种状态下nn，由转差频率为f的电流产生的旋转2．超同步运行状态：在此种状态下nn，改变通入转子绕组的频率为f的电流相序，则其所产生的旋转磁场的转速n与转子的转速方向相反，因此有2发电机定子侧电压电流的正方向按发电机惯例，转子侧电压电流的正方向按电动机惯例，电磁转矩与转向相反为正，转差率S按转子转速小于同步转速为正，参照异步电机的分析方法，可得双馈发电机的等效电路，如图4-1所示：图4-1双馈发电机的等值电路图⑥U转子励磁电压经过绕组折算后的值，再经过频率折算后的感应电机的转子绕组其端电压为U,此时根据基尔霍夫第二定律，可写出转为转子每相电阻。图4-1表示与式4-20相对应的转转子的电磁功率(转差功率)图4-2普通绕线式转子发电机的等值电路图从等值电路和两组方程的对比中可以看出，双馈电机就是在普通绕线式转子电机的转子回路中增加了一个励磁电源，恰恰是这个交流励磁电源的加入大大改善了双馈电机的调节特性，使双馈电机表现出较其它电机更优越的一些特性。下面我们根据两种电机的基本方程画出各自的矢量图，从矢量图中说明引入转子励磁电源对从矢量图中可以看出，对于传统的绕线式转子电机，当运行的转差率s和转子参数确定后，定转子各相量相互之间的相位就确定了，无法进行调整。即当转子的转速超过同步转速之后，电机运行于发电机状态，此时虽然发电机向电网输送有功功率，但是同时电机仍然要从电网中吸收滞后的无功进行励磁。但从图4-4中可以看出引入了转子励磁电压之后，定子电压和电流的相位发生了变化，因此使得电机的功率因数可以调整，这样就大大改善了发电机的运行特性，对电力系统的安全运图4-3转子中不加励磁时的相量图图4-4转子中加入励磁电源后的相量图矢量控制理论产生于20世纪60年代末，随着电力电子学、计算机控制技术和磁链方向定为同步坐标系d轴；同步电动机矢量控制系链矢量与定子电压矢量的相位差正好90度，由同步旋转d-q-0坐标系下的定子电压电压空间矢量正好落在超前d轴90度的q轴上，如图4-5所示：图4-5空间矢量示意图的电机模型重写如下(定子绕组图4-5空间矢量示意图动机惯例):转子磁链方程：运动方程：如图3-16所示，如果将d轴恰好选在定子磁链矢量平上，也即d轴的转速和相位都与出相同，则屮=ψ,那,又因为出感应的电压超前于出90度由上式可知，在定子磁链定向下，双馈发电机定子输出有功功率P、无功功率Q分别与定子电流在d、q轴上的分量iids成正比，调节iids可分别独立调节P、Q,两者实现了解耦控制。因此，常称i为有功分量，为无功分量。因为对于P、Q的控制是通过交流励磁发电机转子侧的变换器进行的，应该推导转子电流、电压和i、i之间的关系，以便实现对交流励磁发电机有功、无功的独立控制。把出=Y、屮=0代入定子磁链方程，整理可得：上式建立了转子电流分量与定子电流分量之间的关系。将上式代入转子磁链方程，整理可得：再将上式代入转子电压方程，进一步可整理得到：式中，u'、u'为实现转子电压、电流解耦控制的解耦项，为d-q轴转子电压、电流分量间交叉耦合的补偿项。将转子电压分解为解耦项和补偿项后，既简化了控制，又能保证控制的精度和动态响应的快速性。有了u、uUU44PIPe电压d.哪转子侧w,定子磁链观测既然是以定子磁链定向的矢量控制系统，则必然涉及到定子磁链观测的问题，也就是检测定子磁链的幅值和相位。在本章论述的交流励磁变速恒频风力发电系统中，采用的是定子磁链定向的矢量控制方法，在前面已经分析过，在取定子磁链定向后，若忽略定子电阻，则定子电压矢量和定子磁链矢量之间的相位相差90度，幅度相差一个同步转速w的倍数。因此我们可以用一种简单的方法来计算定子磁链。这种方法中的定子电压矢量和定子磁链矢量之间相位相差90度是在忽略了定子电阻之后得出的，会有一定的误差，但误差较小。这种方法也是与定子磁链定向的矢量控制策略相一致。需要指出的是，上图中的K/P变换是指直角坐标系和极坐标系之间的变换，K/P变换表达式为：双馈风力发电机仿真模型的建立并网过滥过程中Wnd.风力机模块网二近中图4-9风力机模块桨距角控制模块___桨距角控制模块日图4-10距角控制模块JctcPDP图4-11转子侧变换器控制模块转子侧变换器模块图4-13转子侧变换器模块网侧变换器模块图4-14网侧变换器模块图4-1512m/s的风速下风机的转速如图，给出的风速等于12m/s的基本风速下，对双馈风力发电系统进行功率控制时的输出功率、定子输出的电压、电流、功率波形，转子电压、电流波形，有功、无功功率波形。双馈风力发电系统在基本风速稳态运行下，从图中可以看出：1)在本文设计的滞环矢量控制策略下，双馈风力发电机能够追踪到最大风能。输入功率(),输出有功功率(),风能追踪率%;2)无功功率可独立控制，有功功率几乎不受影响，双馈风力发电系统具有按电网需要进行功率因素调节的功能，无功功率；3)转子励磁电图4-17定子电压、电流、功率图4-18转子电压、电流图4-19有功功率、无功功率在三相短路故障下的仿真波形如图5-1、图5-2和图5-3所示。风电场没有投入STATCOM进行无功补偿时，发生三相短路故障后，由于公共并网点电压跌落，发电机的电磁转矩因而降低，此时，转矩不平衡，机械转矩大于电磁转矩，产生加速转矩，因此风电机组转子持续加速，风电机组机端电压由于长时间无法恢复正常，风电场为了自我保护因而脱网。就公共并网点电压而言，如图5-1,故障清除后，公共并网点电压8s时只恢复到电网电压的70%。就发电机转子转速而言，如图5-2,发生故障后，发电机转子持续不断升速，最后必然导致风电机组保护脱网。p压电点网并共公üp压电点网并共公速转u速转p图5-2发电机转子转速食功食功Q-10图5-3无功功率风电场投入STATCOM进行无功补偿后，发生短路故障后，虽然公共并网点电压跌落也造成了电磁转矩降低，但是STATCOM在检测到公共并网点电压跌落后立刻开始进行无功补偿，使公共并网点电压