基于pscad的双馈风力发电系统的建模与仿真

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专业新能源科学与工程学生姓名李坤班级能源111学号1110604120指导教师张兰红完成日期2015年1月10日摘要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坐标系以及dq0坐标系下的数学模型，并叙述了本文所采用的常规矢量控制策略的具体控制方法。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组的动态数学模型，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的无功功率。关键词:风电场；双馈型发电机；暂态稳定；目录TOC\o"1-3"\h\z\u21000目录 1256901引言 2255262PSCAD软件简介 3267833PSCAD样例说明 479623.1STATCOM功能与工作原理分析 43743.2STATCOM仿真模型的建立过程 822223.3STATCOM仿真结果分析 12268994.1双馈风力发电机工作原理与控制方法 1489394.1.1定子磁链定向矢量控制 19278364.1.2定子磁链观测 23204594.2双馈风力发电机仿真模型的建立 24123904.3双馈风力发电机仿真结果分析 29197225仿真过程中遇到的问题及解决的方法 33267076结论 351417参考文献 36145附录 3720896附录1：STATCOM原理图 3710636附录2：STATCOM仿真电路图 3717709附录3：双馈风力发电机原理图 3814863附录4：双馈风力发电机仿真电路图 381引言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，无功功率问题逐渐成为电力系统和电力用户都十分关注的问题，也是近年来各方面关注的热点之一，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。

2PSCAD软件简介PSCAD/EMTDC是当前国际上普遍流行的一种电磁暂态分析软件包，它主要用来研究电力系统的暂态过程。该软件包也能适用于一般电气电子线路以及可等价地用电路来描述系统的仿真分析。该软件具有大规模的计算容量、完整而准确的元件模型库、稳定高效的计算内核、友好的界面和良好的开放性等特点。特别是良好的图形用户界面使得用户可通过图形添加的方式来解决一些复杂的电路功能，相对于基于数学模型的Matlab仿真软件而言，更易于被人们接受。PSCAD/EMTDC包括了电路、电力电子、电机等电气工程学科中常用的元件模型，这些元件模型主要分布在以下元件库中：（1）无源元件库(PassiveElements)：集中参数电阻R、电感L、电容C;随时间变化的电阻R、电感L、电容C等；（2）电源模块库(SourcesModels)：各种电压源、电流源和多相谐波源等（3）变压器模块库(TransformerModels)：各种单相、三相变压器；（4）电机模块库(Machines)：电动机、发电机等；（5）测量仪器库(Meters)：单相电压表、电流表、三相电压表(RMS)、瞬时有功功率/无功功率表、频率表及相位(差)表;（6）输入、输出模块库(I/ODevices)：输入的两状态开关，输出示波器等；（7）高压直流输电和柔性交流传输模块(HVDC＆FACTS)：包括二极管、晶闸管、GTO、IGBT及单相桥、三相桥等（8）控制系统模型库(ControlSystemModelingFunctions)：包含91种交/直流控制、数字/模拟控制模型；此外，PSCAD/EMTDC还具有强大的自定义功能，用户可以根据自己的需要创建具有特定功能的电路模块。

3PSCAD样例说明3.1STATCOM功能与工作原理分析静止同步补偿器(StaticSynchronousCompensator,STATCOM)，是目前最先进的无功补偿技术，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。早期有文献称之为静止无功发生器(StaticVarGenerator,SVG)。利用电力电子变流器进行无功补偿的可能性虽然早在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。从理论上分析，STATCOM的直流侧可以采用电容或者电感两种形式。因此，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：图3-1电压源型STATCOM图3-2电流源型STATCOM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构，原因如下：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路的STATCOM。电压源型STATCOM的工作原理，是通过可控的大功率电力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：图3-3电压源型STATCOM接入系统的等效图图中为STATCOM公共接入点(PointofCommonCoupling,PCC)处系统电压，为STATCOM交流侧逆变输出电压，L为连接电抗器，于是STATCOM装置输出的电流为：进而得到STATCOM输出的单相视在功率为：

在理论上，STATCOM只对无功进行补偿，因此与电网之间不存在有功的往返。然而实际上由于开关损耗以及电容和电抗上等效电阻的存在，STATCOM装置还是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输出的电压与电网电压相位相同，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)当＞，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装置向系统输出正的无功功率(Q＞0)，处于容性工况。(2)当＜，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装置向系统输出负的无功功率(Q＜0)，处于感性工况。综上所述，STATCOM的工作原理与以往的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。

3.2STATCOM仿真模型的建立过程简单的6-脉冲的静止同步补偿器（STATCOM）图3-6电压控制与PI控制器主电路搭建：交流系统：电压115kv短电路500mva电压控制装置的电压水平，是：0.78PU正常条件0.61PU故障条件负载：电力88mva功率因数0.884故障：3单相接地阻抗的75与X/R比率等于1-发生在1.5秒和0.75秒图3-7主电路图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图3-9电压控制环检测算法的实现如图3-103-11所示通过PLL模块得到电网电压相角wt图3-10三角波形的交流电压的同步发电系统图3-11参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0.002。图3-12触发脉冲的产生

3.3STATCOM仿真结果分析

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0.1，直流侧电容为300。故障设置在1.5S，三相故障接地，持续时间为0.5S。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。

图3-15STATCOM吸收的有功功率从图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

4双馈风力发电机仿真模型的建立4.1双馈风力发电机工作原理与控制方法设双馈电机的定转子绕组均为对称绕组，电机的极对数为，根据旋转磁场理论，当定子对称三相绕组施以对称三相电压，有对称三相电流流过时，会在电机的气隙中形成一个旋转的磁场，这个旋转磁场的转速称为同步转速，它与电网频率及电机的极对数的关系如下： （4-1）同样在转子三相对称绕组上通入频率为的三相对称电流，所产生旋转磁场相对于转子本身的旋转速度为： （4-2）由式4-2可知，改变频率，即可改变，而且若改变通入转子三相电流的相序，还可以改变此转子旋转磁场的转向。因此，若设为对应于电网频率为50Hz时双馈发电机的同步转速，而为电机转子本身的旋转速度，则只要维持，见式4-3，则双馈电机定子绕组的感应电势，如同在同步发电机时一样，其频率将始终维持为不变。 （4-3）双馈电机的转差率，则双馈电机转子三相绕组内通入的电流频率应为： （4-4）公式4-4表明，在异步电机转子以变化的转速转动时，只要在转子的三相对称绕组中通入转差频率（即）的电流，则在双馈电机的定子绕组中就能产生50Hz的恒频电势。所以根据上述原理，只要控制好转子电流的频率就可以实现变速恒频发电了。根据双馈电机转子转速的变化，双馈发电机可有以下三种运行状态：亚同步运行状态：在此种状态下，由转差频率为的电流产生的旋转磁场转速与转子的转速方向相同，因此有。超同步运行状态：在此种状态下，改变通入转子绕组的频率为的电流相序，则其所产生的旋转磁场的转速与转子的转速方向相反，因此有。同步运行状态：在此种状态下，转差频率，这表明此时通入转子绕组的电流频率为0，也即直流电流，与普通的同步电机一样。下面从等效电路的角度分析双馈电机的特性。首先，作如下假定：只考虑定转子的基波分量，忽略谐波分量只考虑定转子空间磁势基波分量忽略磁滞、涡流、铁耗变频电源可为转子提供能满足幅值、频率、功率因数要求的电源，不计其阻抗和损耗。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根据等效电路图，可得双馈发电机的基本方程式： （4-5）式中：、分别为定子侧的电阻和漏抗、分别为转子折算到定子侧的电阻和漏抗为激磁电抗、、分别为定子侧电压、感应电势和电流、分别为转子侧感应电势，转子电流经过频率和绕组折算后折算到定子侧的值。转子励磁电压经过绕组折算后的值，为再经过频率折算后的值。频率归算： 感应电机的转子绕组其端电压为，此时根据基尔霍夫第二定律，可写出转子绕组一相的电压方程： =〉=〉式中，为转子电流；为转子每相电阻。图4-1表示与式4-20相对应的转子等效电路。为转子不转时的感应电动势。

绕组归算： 转子的电磁功率（转差功率），由此机械功率其中，为同步转速、为机械转速。由上两式可看出，机械转矩与电磁转矩一致。普通的绕线转子电机的转子侧是自行闭合的，图4-2普通绕线式转子发电机的等值电路图

根据基尔霍夫电压电流定律可以写出普通绕线式转子电机的基本方程式： （4-6） 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有功和无功的影响。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行就有重要意义。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4.1.1定子磁链定向矢量控制矢量控制理论产生于20世纪60年代末，随着电力电子学、计算机控制技术和现代控制理论的发展，矢量控制技术逐步得到了应用。最初它是从电动机交流调速的应用中发展起来的，通常异步电动机矢量控制系统是以转子磁链为基准，将转子磁链方向定为同步坐标系d轴；同步电动机矢量控制系统是以气隙合成磁链为基准，将气隙磁链方向定为同步坐标轴d轴。但是变速恒频发电系统有别于电动机调速系统，若仍以转子磁链或气隙磁链定向，由于定子绕组中漏抗压降的影响，会使得钉子端电压矢量和矢量控制参考轴之间存在一定的相位差。这样定子有功功率和无功功率的计算将比较复杂，影响控制系统的实时处理。电网的电压频率被认为是不变的，当发电机并入这样的电网后，它的定子电压是常量，只有定子的电流时可以受到控制的，对发电机功率的控制，在并网的条件下，可以认为就是对电流的控制。并网运行的双馈风力发电机，其定子绕组电流始终运行在工频50Hz，在这样的频率下，定子绕组的电阻比其电抗要小的多，因此通常可以忽略电机定子绕组电阻。由静止坐标系下定子电压表达式可以看出，略去定子电阻后，发电机的定子磁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方程同样可以验证这一点，如果取定子磁链矢量方向为d-q-0坐标系d轴，则定子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： 将上一节我们得到的同步旋转d-q-0坐标系下用于矢量控制的电机模型重写如下（定子绕组按发电机惯例，转子绕组按照电图4-5空间矢量示意图动机惯例）：定子电压方程： 转子电压方程： 定子磁链方程： 转子磁链方程： 运动方程： 定子输出功率方程： 如图3-16所示，如果将d轴恰好选在定子磁链矢量上，也即d轴的转速和相位都与相同，则，那么，又因为感应的电压超前于90度相位，所以全部落在ｑ轴上。又因为上述方程组是在同步旋转坐标系d-q-0下建立的，所以各量都变成了直流量，所以：．通过以上分析可以得出如下结论： ；将上式代入定子输出功率方程，有： 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、无功功率分别与定子电流在d、q轴上的分量、成正比，调节、可分别独立调节、，两者实现了解耦控制。因此，常称为有功分量，为无功分量。因为对于、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、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、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： ，式中：、再将上式代入转子电压方程，进一步可整理得到： 另：则有： 式中，、为实现转子电压、电流解耦控制的解耦项，、为消除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、后，就可以通过坐标变换得到三相坐标系下的转子电压量： 把这个转子三相电压分量用作调制波去产生转子侧励磁变换器所需要的指令信号，用于控制逆变主电路晶体管的通断，以产生所需频率、大小、相位的三相交流励磁电压。通过以上各式就可以建立定子电流有功分量、无功分量与其它物理量之间的关系，以上四个关系式构成了定子磁链定向双馈发电机的矢量控制方程。根据上面得出的矢量控制方程可以设计出双馈风力发电系统在定子磁链定向下的矢量控制系统框图，如图4-6所示。可见，系统采用双闭环结构，外环为功率控制环，内环为电流控制环。在功率闭环中，有功指令是由风力机特性根据风力机最佳转速给出，无功指令是根据电网需求设定的。反馈功率、则是通过对发电机定子侧输出电压、电流的检测后再经过坐标变换后计算得到的。图4-6主系统4.1.2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。 图4-7电路简图与矢量图需要指出的是，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：

4.2双馈风力发电机仿真模型的建立

4.2.1风模块

图4-8风模块

4.2.2风力机模块

图4-9风力机模块4.2.3桨距角控制模块图4-10距角控制模块

4.2.4转子侧变换器控制模块

图4-11转子侧变换器控制模块

4.2.5网测变换器控制模块

图4-12网测变换器控制模块4.2.6转子侧变换器模块

图4-13转子侧变换器模块

4.2.7网侧变换器模块

图4-14网侧变换器模块

4.3双馈风力发电机仿真结果分析

图4-1512m/s的风速下风机的转速

图4-16发电机的输出功率如图，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0.695（p.u）,输出有功功率0.632（p.u）,风能追踪率90.9%;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0.00075；3）转子励磁电流随着功率的变化而变化，有很好的跟随性，稳定性好；

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

5仿真过程中遇到的问题及解决的方法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。图5-1公共并网点电压图5-2发电机转子转速

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，使公共并网点电压快速恢复，电磁转矩突降的幅度减小，进而降低了不平衡转矩，从而降低了发电机转子加速度。故障消除后，STATCOM为发电机大量提供无功功率来重建内部磁场，恢复电磁转矩，转子开始减速，公共并网点电压也开始恢复，风电机组开始恢复正常运行。就公共并网点电压而言，如图5-1，投入STATCOM相较未投入STATCOM时对发电机机端电压的快速恢复有很大的帮助，加入STATCOM后，到5s时，机端电压已经恢复到正常值。就发电机转子转速而言，如图5-2，发生故障后，转子也经过一段时间的升速，但是在故障清除后，由于无功功率的及时补充，使得转子转速迅速降低，在4.5s后已经恢复到正常转速，从而不会导致风电机组保护脱网，实现了低电压穿越。就无功功率而言，由图5-3看出，故障清除后，STATCOM输出最大无功功率，STATCOM对风电机组重建磁场所需的无功功率进行了及时而快速的补充，最终使得转子转速和公共并网点电压在故障后在较短的时间内恢复正常。

6结论本文在PSCAD仿真环境下，对变速恒频双馈风电系统的本体和控制策略两个方面进行了模块化建模；根据建立的仿真模型，在变化的风速下，对系统的动态运行特性进行了仿真分析，并针对电网发生不同模式故障时，系统的运行特性进行了仿真研究。仿真结果波形符合理论分析，表明建立的模型能够很好的模拟变速恒频双馈风电系统的动态特性。在电网发生短路故障时，导致电网电压跌落后，STATCOM可以为双馈风力发电机组构成的风电场提供无功功率支持，从而使得风电机组能够快速重建磁场，使公共并网点电压快速恢复，并与此同时抑制了发电机转子的过快加速。因此STATCOM可以有效地提高风电场的低电压穿越能力，保证电网故障时风电场不脱网，提高了电网的稳定性。

7参考文献[1]YangBaijie,ChaoQin,YuanTiejiang.ResearchofSTATCOMimpactonwindfarmLVRTandprotection[J].UnitedStates:Telkomnika.2012,10(8):