PSCAD课程设计-基于PSCAD-EMDTC的双馈风力发电机的控制策略研究-风力发电机组监测与控制

盐城工学院课程设计说明书(2015)盐城工学院课程设计说明书(2014)风力发电机组监测与控制课程设计说明书课题名称基于PSCAD_EMDTC的双馈风力发电机的控制策略研究专业学生姓名班级学号指导教师完成日期目录TOC\o"1-3"\h\u325221摘要 摘要随着风电在电力系统中的比例不断增加，其对电力系统的影响已不可忽略。由于风力发电机组的工作原理和接入方式与传统的三相同步发电机组差异较大，因此对风力发电机组的准确建模是分析大规模风电的接入对电网稳定性、安全性、可靠性等方面影响的关键步骤。电力系统暂态仿真是开展风电并网研究的一种重要手段，而建立准确、有效的风力发电机组暂态模型则是仿真工作的基础，基于PSCAD能建立详细反映风机控制调节特性的风机电磁暂态仿真模型，包括风机的详细风力机、轴系、发电机及变流器等元件模型与变流器的机侧和网侧控制、风力机的桨距角控制等控制模型，所建立的模型能反应风机在各种扰动下的输出特性。本课题在PSCAD上建立包含风力机、轴系、发电机、变流器和详细控制模型的详细风力发电机组模型，并对扰动下风力发电机组的响应进行仿真分析，为进一步研究风力发电机组并网稳定性及其控制打下基础。2PSCAD软件简介PSCAD/EMTDC是一款在全球广受欢迎的电磁暂态仿真软件，优点众多，其操作界面图形化，接口较方便，元件模型精确。早在1976年，DennisWood博士开发完成了EMTDC的初版。而后不断完善功能及模型库，并开发成功了能让用户更方便使用的前端图形化操作界面PSCAD。使用者可以利用软件提供的完备的元件模型库，通过简单的操作，便可以建立需要的精确模型。如今的PSCAD经过发展，功能更加丰富而强大。PSCAD仿真平台的应用领域广泛，主要包括：仿真电力系统时域和频域特性；仿真多端输电系统的电磁暂态模型；研究直流系统的换相方法或启动；研究交流系统的谐波和分析暂态扭矩等。PSCAD软件的常见应用为计算电力系统在受到扰动或者参数发生变化时，电参数随时间变化的规律。PSCAD仿真平台的元件模型库众多且精确，常见的有以下几种：（1）网络元件：集中参数的和随时间变化的RLC元件；电压、电流源；三相或单相变压器；三相同步电动机；断路器、继电器等；（2）控制模块：PI控制器；积分器；双输入比较器；指数、对数函数；限制、比率限制函数；实极点、延迟函数等；（3）测量仪器：单相电压、电流表；有功、无功功率表；相角测量表；快速傅里叶变换；谐波失真分析等；3PSCAD样例说明3.1同步风力机样例功能与工作原理分析在PSCAD下的同步风机模型，此例中风机拖动同步电机运转，调速器控制风机，并配有变速风源。适用于对PSCAD中风机建模的学习。-Thiscaseshowsasynchronousgeneratorbeingdrivenbyawindturbine.Theturbineiscontrolledbyawindgovernor.Thewindsourceisusedtomodelwindspeedfluctuations.ThefilecanbeusedforlearningaboutwindturbinemodelinginPSCAD.这个风机由三个部分组成：一是风机（相当于发电厂是的汽轮机），二是调速器（相当于汽轮机的气门控制装置），三是发电机.发电机发电机电源比例积分环节电源比例积分环节模拟风模拟风故障模拟故障模拟同步风机同步风机模拟风机的机械速度模拟风机的机械速度模拟负荷需求模拟负荷需求调节器调节器图3-1为同步风机原理图首先，详细阐述了同步风电发电机组各部分的数学模型,包括风力机、轴系、同步发电机、机侧和网侧变流器等在内的各元件，并给出了桨距角控制、机侧变流器控制、网侧变流器控制等详细的控制策略。其次，在PSCAD上建立了同步风力发电机组的详细模型，所建桨距角控制、最大功率跟踪控制等模型符合实际情况。然后，仿真研究了风机在全风速下的运行特性，结果表明风机在各风速区段运行准确；分别仿真研究了风机在风速扰动、电网故障下的响应特性，所得结果符合理论预期。以上仿真结果表明，所建的同步风力发电机组模型准确。最后，对比了风机详细模型与简化的平均值模型。针对两个模型，分别比较了二者在全风速运行、风速扰动、较小电网故障三种情况下的仿真结果，所得结果表明，在正常运行及发生小的扰动的情况下，两者在稳态及暂态响应特性上均比较接近。3.2同步风力机样例仿真模型的建立过程打开样例文件3.2.1风源组件基准高度的平均风速基准高度的平均风速图3-2风源参数：以上为定义在6m/s的恒风ES:InputExternalvalueVw:OutputWindSpeed可以在文件夹“MasterLibrary/Machines”中找到3.2.2风力发电机组功率系数公式选择【选择3页片或者2页片转速比齿轮箱效率空气密度转子面积转子半径发电机额定功率功率系数公式选择【选择3页片或者2页片转速比齿轮箱效率空气密度转子面积转子半径发电机额定功率图3-3风力涡轮机参数:以上调整风机的叶片长度、空气密度、齿轮箱效率等等参数。可以在文件夹“MasterLibrary/Machines”中找到由图3-3可知，在PSCAD软件提供的风力机模型中，输入量为风速Vw、风力机转速ω及桨距角β，而输出量为机械转矩Tm和机械功率P。在参数设置上，可对风力机容量、风力机半径和空气密度等进行设置。3.2.3调速器组件异步还是同步发电机额定功率风机额定功率异步还是同步发电机额定功率风机额定功率图3-4节距控制电力需求参考速度齿轮比调速器类型电力需求参考速度齿轮比调速器类型图3-5调速参数范围积分增益比例增益范围积分增益比例增益 图3-6比例积分调节收益乘数增益收益乘数增益 图3-7速度阻尼参数转角的范围叶片传动积分增益节距角转角的范围叶片传动积分增益节距角 图3-8桨距角的调整可以在文件夹“MasterLibrary/Machines”中找到当风速超过额定风速时，由于发电机与变流器自身的功率限制，需要对风能利用系数进行调节，使得直驱永磁同步发电机的输出功率保持在额定值。由于桨距角对风能利用系数影响较大，因此可以控制桨距角进而调节，该种控制称为桨距角控制。查看模型的说明可知，该桨距角模型的输入为风力机的机械角速度，以及风力机的输出功率，输出为风力机的桨距角。在参数设置方面，该模型可设置参数较多，包括PI控制环节、风力机额定功率、电机类型、伺服机构参数等。3.2.4同步发电机图3-9同步电机参数可以在文件夹“MasterLibrary/Machines”中找到如图3-9所示，永磁同步发电机的输入为由轴系模型得到的机械角速度，输出为发电机的输出电磁转矩。同时，在永磁同步发电机右端有一个接头，可输出三相交流电。在参数设置的对话框中，可对永磁同步发电机的容量、电压、频率等进行设置。同时，PSCAD软件提供的永磁同步发电机模型还可输出电压电流相位角，该角度值在变流器机侧控制派克变换、派克逆变换中被使用。3.2.5单输入电平比较器图3-10单输入电平比较器参数：风速是恒定1m/s，t=2S通入可以在文件夹“MasterLibrary/CSMF”中找到3.2.6电压源电压输入时间常数数基准电压源阻抗类型电压输入时间常数数基准电压源阻抗类型电感电感频率电压级频率电压级图3-11三相电压源参数可以在文件夹“MasterLibrary/Sources”中找到3.2.7故障的模拟组件故障持续时间应用故障时间故障持续时间应用故障时间 图3-12故障响应参数可以在文件夹“MasterLibrary/Fault”中找到3.2.8控制面板组合：注意拖动之前定义好名称及量称等图3-13控制面板3.3同步风力机样例仿真结果分析在动态变桨控制下，β是通过风力发电机调速器调节的,thehard-limiter模拟了风速的切入和切出值。β调控的目的是为了限制风机的功率为额定值。我们可以看出，当风机功率高于2MW是β增大，Cp的减小，输出功率减小。当Vdc到达2000V时，DC母线调节仍然是激活时，然后，功率被输送到电网，Alpha睡着测量电压的变化而变化。当风速降低，β减小，以增加输入的机械功率，但当风速降低太多时，Vdc低于2000V，逆变器被锁定。在仿真结束时，风机功率为负，这意味着，风机发电机是被同步发电机的惯性驱动的。实验结果表明同步电机直接转矩控制调速系统具有较好的动态性能。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及控制方法分析4.1.1工作原理分析图4-1双馈式感应发电机系统框图如图4-1所示为双馈式感应发电机系统框图。双馈发电机（Doubly-FedInductionGenerator,DFIG）结构类似于三相绕线式异步感应电机，具有定、转子两套绕组，定子绕组并网，转子绕组外接三相转差频率变频器实现交流励磁。双馈发电机是指，在控制中发电机的定、转子都参与了励磁，并且定、转子两侧都有能量的馈送。由于双馈风力发电系统配置的变流器在转子回路，即交流励磁是在转子电路实现的，由于与双PWM变流器功率相等的转差功率在定子额定功率中所占比重很小，所以变流器的容量也很小，快速降低了控制成本与难度。由上述可知，这种双馈发电机的控制策略除了减少变频器的容量外，还可实现变速恒频控制以及有功功率和无功功率的独立控制，从而起到对电网的无功补偿作用。根据感应风力发电机的磁场特性，可以得出双馈发电机转速与定、转子绕组电流频率的关系表达式为：n1=n±n2（4-1）f1=p×n/60±f2（4-2）s=（n1−n）/n1=±n2/n1（4-3）式（4-1）中：n为电机转速；n1为定子的同步旋转转速；n2为励磁电流同步旋转转速；f1为定子电流频率；f2为转子电流频率；p为发电机极对数。根据式（4-2）可知，欲保持与电网频率的同步以及定子电流频率f1不变，必须在风力发电机转速n改变时调节转子电流的频率f2，这就是变速恒频风力发电机的控制原理。当n=n1时，风力发电机作同步电机运行，此时转子收到的是变流器提供的直流励磁，转子电流频率f2=0；当n>n1时，风力发电机作超同步速度运转，此时除定子和转子同时向电网馈送能量，式（4-1）与（4-2）取负号；当n<n1时，风力发电机作亚同步速度运转，电网通过变流器向转子馈送能量，而定子向电网馈送能量。4.1.2控制方法分析目前,常见的电压源变换器的电流控制技术有正弦PWM,空间矢量PWM,随机PWM,滞环电流PWM控制。其中正弦PWM,空间矢量PWM为间接的电流控制方式,在应用时需要将电流环运算以获得电压指令,这也决定了这两种电流控制方法不可避免的缺点:电流动态响应比较迟缓。空间矢量PWM（SVPWM）控制是对变流器进行控制的一种新颖思路的控制策略，其控制依据是变流器的空间电流或电压的矢量切换原理。在20世纪80年代初，针对交流电动机的变频驱动，日本学者提出了早期的空间矢量PWM控制策略，基本思想是采用变流器空间电压矢量的切换代替了原有的正弦波脉宽调制（SPWM），来得到准圆形旋转磁场，从而使交流电动机在较低的开关频率（1-3kHz）下获得了比SPWM控制更好的性能，具体体现在：空间矢量PWM控制减小了电机的转矩脉动，同时还提高了电机的动态响应性能和电压型变流器的电压利用率。此外，其模型比较简单,也便于微处理器的实时控制。根据前面所述，双馈风力发电机的转子是通过变流器与电网相连，由于发电机的转子能量是在发电机与电网之间双向流动的，所以必须保证用于作交流励磁、接于转子回路的电源能量能够双向流动。在双馈风力发电机的控制系统中，一般多采用双PWM型变流器来接于发电机与电网之间，对转子进行控制。不控整流电路或者相控整流电路，而是采用PWM斩控整流电路。PWM整流器的能量可双向流动这一特性，不仅体现了AC/DC的变流特性（整流），而且还可体现出DC/AC的变流特性（有源逆变）双PWM型变流器的主电路结构图如图4-2所示，双PWM型变流器是由网侧变流器和转子侧变流器组成，网侧和转子侧变流器的功能各自相互独立。实际上，图中采用的PWM整流器是一种可逆变流器。这是因为PWM整流器不再使用二极管或者半空型开关器件，而是采用全控型功率器件；变流电路也不再使用。图4-2为双PWM型变流器的主电路结构图通过相对独立的控制系统两个变流器分别完成各自的功能。网侧变流器的功能主要是在正常运行状态下实现交流侧输入单位功率因数控制和保持直流环节电压在各种状态下稳定，使转子侧变流器以及整个双馈风力发电机励磁系统能够可靠地工作。转子侧变流器的功能主要是通过对双馈风力发电机转子侧电压电流的控制，实现DFIG输出有功、无功功率的解耦控制。(1)网侧PWM变流器控制系统结构中，直流侧电压为其主要控制量，系统无论运行在何种状态下都必须保证直流侧电压的恒定，而且，在像低压穿越运行等特殊情况下需要对网侧变流器的无功功率输出进行控制，从而可对电网进行无功补偿。网侧PWM变流器的控制策略可以采用基于电网电压定向的矢量控制策略，使直流母线电压保持恒定。由于可以将电网电压的频率和幅值看作近似恒定的，当电网与网侧PWM变流器相接后，也可将电网与网侧PWM变流器连接处的三相交流电压的频率和幅值看作是恒定的，所以网侧PWM变流器在以网电压基波角频率ωe为旋转角速度的同步旋转坐标系下的电压矢量Um可以被看作是恒定的。网侧PWM变流器采用以电流为内环、直流电压与无功功率为外环的双闭环控制结构来设计其矢量控制系统，其中内外环均采用PI调节器。(2)转子侧PWM变流器控制系统结构中是对双馈发电机输出给电网的有功功率和无功功率进行控制，有功部分为了实现有功功率的最大输出必须跟随输入发电机的机械功率，而无功部分输出功率的功率因数必须根据电网的需求来进行调节，其主要实现方法有转子电流矢量控制和直接功率控制这两种，他们各自都有优缺点。双馈风力发电机的转子电流矢量控制可以分为两种：定子电压定向和定子磁链定向。与定子磁链定向相比，基于定子电压定向的矢量控制方法类似于基于电网电压定向的矢量控制，这样可以实现双PWM变流器系统的整体控制结构的简化；而且可能产生更多的无功功率，并且此控制方法不需要测量定子磁链，使可能出现的误差得以减小。所以本文转子侧PWM变流器的控制系统可设计为基于定子电压定向矢量控制的系统结构。当电网与双馈风力发电机的定子相接后，电网电压即为定子电压，由于可以将电网电压的频率和幅值看作近似恒定，所以定子三相电压矢量在同步旋转坐标系下的电压矢量Us也可看作恒定；与此同时在同步旋转坐标系下的定子磁链也可以认定是不变的。相对于电网而言，由于双馈发电机定子绕组的电阻压降可以被忽略不计。双馈风力发电机通过控制转子电流，可以使双馈发电机定子侧输出独立解耦的有功功率和无功功率。故采用以电流为内环、功率为外环的双闭环控制系统结构来设计转子侧PWM变流器的矢量控制系统，其中内外环都采用PI调节器。4.2双馈风力发电机仿真模型的建立4.2.1转子侧变换器模块图4-3转子侧滞环电流控制的仿真模型在变速恒频的双馈感应风力发电系统屮,通过控制转子的励磁电流来使定子输出的频率稳定,通过独立地控制转子的有功、无功电流分量实现有功功率、无功功率的解稱控制。因此对转子电流的控制非常关键。所以本文采用直接电流控制技术。随机PWM,滞环电流PWM控制都是直接电流控制。随机PWM技术的优点是控制方法简单,电流的跟随性好,缺点是采用随机PWM技术时产生的电流与实际电流存在比较大的幅值误差,相位也有一定程度的滞后。滞环电流PWM控制技术的本质是通过上下桥臂的轮流开断强迫实际电流在一个滞环带内跟踪指令电流信号,从而产生信号触发电IE源变换器,实现对电流的控制。因PWM的幵关频率随交流屯压波动,因此电流跟踪的偏差几>1、变。因此具有动态响应快,对电压波动不敏感的优点。4.2.2电网侧变换器模块图4-4网侧变换器双闭环矢量控制策略的仿真模型对双馈风力发电系统网侧变换器的控制采用电流外环,电流内环的双环控制策略。先介绍电压外环:直流母线指定电压心和实测的反馈电压相比较后的误差经PI调节器输出id。直流环节电压的大小变化反映了交流侧提供的有功功率与直流侧消耗的有功功率的大小。当交流侧提供的有功功率大于直流侧消耗的有功功率吋,会使直流环节电压升高id减小,网侧变换器逆变运行,转子侧变换器整流运行。当交流侧提供的有功功率小于直流侧消耗的有功功率时,会使直流母线电压降低,增大,网侧变换器整流运行,转子侧变换器逆变运行。4.2.3电源图4-5电压源参数4.2.4单输入电平比较器图4-6单输入电平比较器参数4.2.5绕线转子感应式电机图4-7绕线转子感应式电机参数4.2.6有功/无功功率器图4-8功率器参数4.2.7控制面板组合：注意拖动之前定义好名称及量称等图4-9控制面板4.3双馈风力发电机仿真结果分析应用设计完成的控制系统,采用PSCAD/EMDTC/EMTDC电力系统仿真软件,构建了包括风速模型、风力机模型、变速恒频双馈电机、双PWM变换器在内的双馈风力发电机仿真模型。采用了基于定子磁链定向矢量控制技术和电网电压定向矢量控制技术的控制策略,并将空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)和滞环控制策略用PSCAD/EMDTC仿真模型实现,最后将变速恒频双馈风力发电系统的模型通过输电线路并入到无穷大电网,当风速变化时,利用PSCAD/EMDTC软件对变速恒频双馈风力发电系统控制策略的性能进行仿真试验。仿真实验的结果表明,转子侧变换器采用定子磁链定向矢量控制技术,能够实现定子输出的有功功率和无功功率的解耦控制以及风能的最大跟踪,且动态响应较快。网侧变换器采用的电网电压定向矢量控制技术,有效的控制了直流母线电压的恒定,满足了双馈风力发电系统对控制方法的要求。仿真证明了所提控制方法的有效性和合理性。5结论在新能源和可再生能源技术的研究中,风能相对其他能源来说比较丰富,可以说是取之不尽,用之不竭的,利用起来成本也相对低。最近几年,全球风力发电产业和发电技术发展迅速。我国风能资源丰富,最近几年,我国加大风力产业的发展,在从事风电产业的技术工作人员的推动下,风力发电机技术得到了广泛研究,风力发电产业蒸蒸F1上。为了扶持风力发电产业的发展,我国制定和出台了大量的经济奖励政策,加大了对风电产业的补贴投入,把风力发电幵发纳入国家能源中长期发展战略规划中去,把风能幵发作为国家可持续发展的-个重要组成部分。风能的幵发也得到各企业、研究院、设计院和高校广泛的重视,纷纷大力研究风力发电技术,其中变速恒频风力发电技术是当今世界风力发电的主趋势,其技术还在研究当中,特别是兆瓦级以上的大型风力发电机组的变速恒频技术由于对风能的利用率高,动态响应快,已经成为目前风力发电技术的热点。我国在这项技术方面还处于起步发阶段,还需不断的引进新技术进行学习、利用,以及实现自主创新。本文就是在节约发电能源、增强环境保护、提高发电效率的大背景下,研究了目前流行的变速恒频双馈风力发电系统,采用仿真软件PSCAD/EMDTC对系统进行了仿真。转子侧变换器采用定子磁链定向矢量控制技术,通过分别用转子有功电流和无功电流来达到独立解稱控制有功功率和无功功率的目的,并用滞环电流PWM控制技术实现对电流的直接控制,提高了系统动态响应性能。网侧变换器采用电网电压定向矢量控制技术,根据网侧变换器的数学模型,构建了电流内环、电流外环的双闭环PI控制系统,并把SVPWM(空间矢量脉宽调制)控制技术引入对网侧变换器的控制中,以实现控制直流母线电压的稳定、调节网侧的功率因素的目的。6心得体会课程设计是本科学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次比较完整地设计出基于PSCAD双馈电机，我摆脱了单纯的理论知识学习状态。通过实际设计相结合，锻炼了我综合运用所学的专业基础知识，解决实际工程问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他