基于pscad的双馈风力发电系统的建模与仿真

学生姓名李坤指导老师张兰红完成日期2015年1月10日 1 32PSCAD软件简介 43PSCAD样例说明 53.1STATCOM功能与工作原理分析 5 9 4.1双馈风力发电机工作原理与限制方法 4.1.1定子磁链定向矢量限制 4.1.2定子磁链观测 4.2双馈风力发电机仿真模型的建立 4.3双馈风力发电机仿真结果分析 5仿真过程中遇到的问题及解决的方法 6结论 7参考文献 附录 47附录1:STATCOM原理图 附录2:STATCOM仿真电路图 47附录3:双馈风力发电机原理图 2附录4:双馈风力发电机仿真电路图4834功功率/无功功率表、频率表及相位(差)表；(7)高压直流输电和柔性沟通传输模块(HVDC53PSCAD样例说明67IcILoad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来回。然而事实上由于开关损耗以及电容和电抗上等效电阻的存在，STATCOM装置还是须要从电网汲取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特别微小，因此在进行理论分析的时候一般忽视不计。最终近似认为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：8由以上分析可得，在正常工作时STATCOM具有无功双向调整实力：即容性工况和感性工况，分别如下图所示：即STATCOM装置沟通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。即STATCOM装置沟通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分。通过对逆变器沟通侧电压的幅值和相位进行调控，或者干脆对其补偿电流进行跟踪限制，就能够在容性到感性范围内连续调整无功补偿电流，并且做到精确的稳态跟踪准以及快速的动态响应。9简洁的6-脉冲的静止同步补偿器(STATCOM)α电压115kv短电路500mva0.78PU正常条件0.61PU故障条件电力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调整得到直流侧电流3%下番的计算波器：额定功率(MVAR)Ma×P制2的编出是角阶，它化。转化度需更将动系统电压和电压之确定方向和实际的功率查量豫得的电压(PU)Vpu_fer图3-9电压限制环如图3-103-11所示是一个功能模，用户必须指定模因子356Trgof寸6寸图3-10三角波形的沟通电压的同步发电系统RefSgnOf_1个功能的军恶，它在6维阵列是一个咸去，它在6维阵列6630度移dueto和三角洲。的角度命令6666图3-11参考波形的同步系统沟通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限制得到PWM波其中环宽为0.002。Trgoff?6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0.12,直流侧电容为300HF。故障设置在1.5S,三相故障接地，持续时间为0.5S。GG540言△图3-13仿真主接线图0图3-14STATCOM无功补偿曲线图从图3-15可以看出STATCOM基本不从系统汲取有功，受系统电压源的影响较小。图3-16系统的电压变更4双馈风力发电机仿真模型的建立双馈发电机的同步转速，而n为电机转子本身的旋转速度，则只要维持依据等效电路图，可得双馈发电机的基本方程式：侧的值。频率归算：组一相的电压方程：等效电路。为转子不转时的感应电动势。Pm=(1-s)P=(1-s)Tn₁=T₁(1-s)n₁P₂=sP₁=sT₁n₁=T₁(n₁-n)依据基尔霍夫电压电流定律可以写出一般绕线式转子电机的基本方程式：从等值电路和两组方程的对比中可以看出，双馈电机就是在一般绕线式转子电机的转子回路中增加了一个励磁电源，恰恰是这个沟通励磁电源的加入大大改善了双馈电机的调整特性，使双馈电机表现出较其它电机更优越的一些特性。下面我们依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，但是同时电机仍旧要从电网中汲取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更，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，对电力系统的平安运行就有重要意义。4.1.1定子磁链定向矢量限制矢量限制理论产生于20世纪60年头末，随着电力电子学、计算机限制技术和现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，假如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的电机模型重写如下(定子绕组定子电压方程：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：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：上式建立了转子电流重量与定子电流重量之间的关系。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：d-q轴转子电压、电流重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把这个转子三相电压重量用作调制波去产生转子侧励磁变换器所须要的指令信号，用于限制逆变主电路晶体管的通断，以产生所需频率、大小、相位的三相沟通励磁电压。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限制方程。依据上面得出的矢量限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限制系统框图，如图4-6所示。可见，系统采纳双闭环结构，外环为功率限制环，内环为电流限制环。在功率闭环中，有功指令P*是由风力机特性依据风力机最佳转速给出，无功指令Q*是依据电网需求设定的。反馈功率P、Q4411P@“i4iud一d“auim“图4-6主系统4.1.2定子磁链观测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o₁的倍数。因此矢量之间相位相差90度是在忽视了定子电阻之后得出的，会有肯定的误差，但误差较小。这种方法也是与定子磁链定向的矢量限制策β.θ0图4-7电路简图与矢量图须要指出的是，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：4.2.1风模块B并网过渡过程中风速上升Es图4-8风模块题图4-9风力机模块0083tFrDDtt图4-12网测变换器限制模块AABC◆◆P日CNAcpc¹APBNA如图，给出的风速等于12m/s的基本风速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)无功功率可独立限制，有功功率率0.00075;3)转子励磁电流随着功率的变更而变更，有很好的跟随性，稳定性好；)0.00图4-17定子电压、电流、功率图4-18转子电压、电流0.00-5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。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时只复原转速转速图5-2发电机转子转速图5-3无功功率原到正常值。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4.5s后已经复原到正常转速，从而不会导致风电机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限制策略两个方[1]YangBaijie,ChaoLVRTandprotection[J].UnitedState[2]MiadMohaghegh,DavidXu,BOYuwen.ImprovedLowVoltageRideCapacityofWindFarmusingSTATCO[3]A.S.A.Award,M.M.A.Salama.STATCOMmodelingimpactvoltageridethroughcapability[C].In:IEEEPower