电力电子仿真

真理惟一可靠的标准就是永远自相符合。——欧文土地是以它的肥沃和收获而被估价的；才能也是土地，不过它生产的不是粮食，而是真理。如果只能滋生瞑想和幻想的话，即使再大的才能也只是砂地或盐池，那上面连小草也长不出来的。PAGEPAGE2人生的磨难是很多的，所以我们不可对于每一件轻微的伤害都过于敏感。在生活磨难面前，精神上的坚强和无动于衷是我们抵抗罪恶和人生意外的最好武器。电力电子实验报告学校：四川大学学院：电气信息学院专业：电气工程及其自动化年级：2010级班级：15班实验内容：双馈异步式风力发电的MATLAB仿真实验小组成员：一、仿真工具本次实验的仿真平台是MATLAB软件。MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。其主要功能如下：1.数值分析

2.数值和符号计算

3.工程与科学绘图

4.控制系统的设计与仿真

5.数字图像处理

6.数字信号处理

7.通讯系统设计与仿真

8.财务与金融工程其中Simulink是MATLAB的一个仿真模块。在本次试验中我们所用是Simulink中的自带的示例中的SimPowersystem中的分布式发电的双馈异步式风力发电系统，这是一个已经搭建好的模块我们只需用在以上基础做一定的参数设定就可以得到我们所想要的仿真模型。操作步骤如下所示MatlabHelpDemosSimPowerSystemsDemosDistributedResourcesModelsWindFarm–(DFIG)DetailedModel二、双馈异步式风力发电介绍双馈异步风力发电机（DFIG，DoubleFedInductionGenerator）是一种绕线式感应发电机，是变速恒频风力发电机组的核心部件，也是风力发电机组国产化的关键部件之一。该发电机主要由电机本体和冷却系统两大部分组成。电机本体由定子、转子和轴承系统组成，冷却系统分为水冷、空空冷和空水冷三种结构。双馈异步发电机的定子绕组直接与电网相连，转子绕组通过变频器与电网连接，转子绕组电源的频率、电压、幅值和相位按运行要求由变频器自动调节，机组可以在不同的转速下实现恒频发电，满足用电负载和并网的要求。由于采用了交流励磁，发电机和电力系统构成了"柔性连接"，即可以根据电网电压、电流和发电机的转速来调节励磁电流，精确的调节发电机输出电压，使其能满足要求。1、工作原理双馈感应发电机由定子绕组直连定频三相电网的绕线型感应发电机和安装在转子绕组上的双向背靠背IGBT电压源变流器组成。”双馈“的含义是定子电压由电网提供，转子电压由变流器提供。该系统允许在限定的大范围内变速运行。通过注入变流器的转子电流，变流器对机械频率和电频率之差进行补偿。在正常运行和故障期间，发电机的运转状态由变流器及其控制器管理。变流器由两部分组成：转子侧变流器和电网侧变流器，它们是彼此独立控制的。电力电子变流器的主要原理是转子侧变流器通过控制转子电流分量控制有功功率和无功功率，而电网侧变流器控制直流母线电压并确保变流器运行在统一功率因数（即零无功功率）。功率是馈入转子还是从转子提取取决于传动链的运行条件：在超同步状态，功率从转子通过变流器馈入电网；而在欠同步状态，功率反方向传送。在两种情况（超同步和欠同步）下，定子都向电网馈电。图12、优点首先，它能控制无功功率，并通过独立控制转子励磁电流解耦有功功率和无功功率控制。其次，双馈感应发电机无需从电网励磁，而从转子电路中励磁。最后，它还能产生无功功率，并可以通过电网侧变流器传送给定子。但是，电网侧变流器正常工作在单位功率因数，并不包含风力机与电网的无功功率交换。三、实验要求1、根据仿真模型，绘制系统结构图。2、运行仿真，根据输出波形描述风电场工作过程。3、将风速降至6m/s，运行至稳态后查看输出波形。此时风机处于何种运行状态？4、分析风速波动对风电场接入母线处的电压质量的影响，包括电压波动和电压偏移。四、实验内容一、系统结构图电网120kv变压器25kv/120kv电网120kv变压器25kv/120kv输电线30km25kv风力发电双馈异步变压器575v/25kv图2二、运行仿真1、系统模型图图32、电网模块模拟参数如下图可知该模块模拟电网在0.03s时发生电压降落，在0.13s时网恢复电压。故可以通过模拟电网侧的电压暂降来观察各个电气量的变化情况从而进一步了解双馈异步式风力发电的工作过程。120KV电网参数图43、运行仿真（1）通过运行仿真我们可以看到示波器的波形（如图6示）在0.03s时575V的母线电压和25KV的母线电压都有明显的下降，而在两个电压等级的母线电流有短时间波动但很快恢复稳定，有功功率P由原来的9Mw下降到5Mw，同时也看到无功功率Q由原来的0Mvar突然出现波动，且最高的波动达到了4Mvar当系统稳定时又降到2Mvar左右，直流母线的电压也出现了波动最后逐渐恢复到原来的稳定值。当在0.13s时电网的电压恢复到原来的电压值时，各个母线电压也恢复到了原来的额定值，个母线的电流再出现短暂波动也达到了稳定值，有功功率P也恢复到原来的9Mw，无功功率也恢复到了原来的初始值，直流母线电压也在出现短暂的波动后回到稳定的值。由上面可看出风力发电场在出现电压暂将时，通过自身的调节控制系统维持了母线电压的稳定，而在短时间内没有脱离电网，实现了低电压的穿越，是整个系统变得稳定。那么我们接下来就分析一下风电场是如何工作的。双馈异步发电机是变速恒频发电模式，其定子侧与电网直接相连，转子侧通过一个背靠背的双向电压源变频器与电网相连给发电机提供励磁频率（转差频率）。由于其定子直接与电网相连所以电网的波动对定子的的电流变化影响很大。当电网电压骤降时，DIFG发出的有功无法及时送出导致定子侧产生较大的故障电流。由于定子与转子是强耦合故障电流将立刻被传到转子侧。又因为电压暂降导致电磁转矩变小，运行滑差变大，使馈入转子的功率增大，进一步引起转子回路的过压和过流。而且大电压和大电流会导致铁芯饱和，电抗减小，实际转子电流还要进一步增大。转子的能量流经转子侧的变换器RSC之后，一部分被电网侧变换器GSC传到电网，其余为直流母线电容充电，导致母线电压快速升高。如果不能及时采取保护措施，定子转子仅靠自身的电阻和漏抗不足以抑制浪涌电流，过大的电流电压将会导致励磁变频器、定转子绕组以及母线电容损坏。变频的容量很小，故只能起到部分控制作用，因此必须采用保护措施，抑制RSC的过电流和直流母线电压。为了抑制电压骤降，最常见的是应用Crowbar保护电路，该电路旁路了RSC的过电流，从而抑制了过电流和过电压，使得风力发电在电压暂降时不会脱网，而实现了低电压穿越。Crowbar保护电路 图5（2）通过无功功率的输出波形我们可以看出无功功率在电压暂降时,无功功率有所增大，此现象是应为发电在控制系统的作用下通过调节无功功率的输出来尽可能地维持母线电压的大小，从而是系统变得更加稳定。图6三、改变风速为6m/s时观察波形（1）将风速变为6m/s如下图图7（2）由于转子惯性较大，所以在PC仿真中无法观测到它的变化，故我们可以讲惯性常数改到原来的十分之一。如下图示惯性常数改为0.432图8（3）通过观察我们可以看到当风速变为6m/s的波形（图9）。从波形图中我们可以看到母线电压基本没有任何改变而母线电流却不断减小，且有功功率P有明显的降低，无功功率Q并无明显变化，转子的转速也不断地减小。当风速在15m/s时，我们看到转子转速在1.2pu此时n>nr所以发电机工作在超同步状态，而当风速变为6m/s时转子的转速不断下降此时n<nr所以此时发电机工作在亚同步状态。