基于pscad的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的建模與仿真

學(xué)生姓名李坤指導(dǎo)老師張?zhí)m紅完成日期2015年1月10日 1 32PSCAD軟件簡(jiǎn)介 43PSCAD樣例說明 53.1STATCOM功能與工作原理分析 5 9 4.1雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作原理與限制方法 4.1.1定子磁鏈定向矢量限制 4.1.2定子磁鏈觀測(cè) 4.2雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真模型的建立 4.3雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真結(jié)果分析 5仿真過程中遇到的問題及解決的方法 6結(jié)論 7參考文獻(xiàn) 附錄 47附錄1:STATCOM原理圖 附錄2:STATCOM仿真電路圖 47附錄3:雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)原理圖 2附錄4:雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真電路圖4834功功率/無功功率表、頻率表及相位(差)表；(7)高壓直流輸電和柔性溝通傳輸模塊(HVDC53PSCAD樣例說明67IcILoad進(jìn)而得到STATCOM輸出的單相視在功率為：在理論上，STATCOM只對(duì)無功進(jìn)行補(bǔ)償，因此與電網(wǎng)之間不存在有功的來回。然而事實(shí)上由于開關(guān)損耗以及電容和電抗上等效電阻的存在，STATCOM裝置還是須要從電網(wǎng)汲取很小的有功電流以維持直流側(cè)電壓平衡。由于這部分有功相比無功特別微小，因此在進(jìn)行理論分析的時(shí)候一般忽視不計(jì)。最終近似認(rèn)為STATCOM輸出的電壓與電網(wǎng)電壓相位相同，從而得到裝置輸出的單相無功功率為：8由以上分析可得，在正常工作時(shí)STATCOM具有無功雙向調(diào)整實(shí)力：即容性工況和感性工況，分別如下圖所示：即STATCOM裝置溝通側(cè)逆變電壓幅值大于系統(tǒng)電壓幅值，此時(shí)流過電抗器的補(bǔ)償電流超前系統(tǒng)電壓90°,STATCOM裝置向系統(tǒng)輸出正的無功功率(Q>0),處于容性工況。即STATCOM裝置溝通側(cè)逆變電壓幅值小于系統(tǒng)電壓幅值，此時(shí)電抗器上的補(bǔ)償電流滯后系統(tǒng)電壓90°,STATCOM裝置向系統(tǒng)輸出負(fù)的無功功率(Q<0),處于感性工況。綜上所述，STATCOM的工作原理與以往的無功補(bǔ)償技術(shù)存在本質(zhì)區(qū)分。通過對(duì)逆變器溝通側(cè)電壓的幅值和相位進(jìn)行調(diào)控，或者干脆對(duì)其補(bǔ)償電流進(jìn)行跟蹤限制，就能夠在容性到感性范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)整無功補(bǔ)償電流，并且做到精確的穩(wěn)態(tài)跟蹤準(zhǔn)以及快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。9簡(jiǎn)潔的6-脈沖的靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)α電壓115kv短電路500mva0.78PU正常條件0.61PU故障條件電力88mva功率因數(shù)0.884故障：3單相接地阻抗的75與X/R比率等于1-發(fā)生在1.5秒和0.75秒△圖3-7主電路圖3-8兩電平電壓型statcom如圖3-9所示將直流側(cè)電壓與直流基準(zhǔn)電壓的差值經(jīng)PI調(diào)整得到直流側(cè)電流3%下番的計(jì)算波器：額定功率(MVAR)Ma×P制2的編出是角階，它化。轉(zhuǎn)化度需更將動(dòng)系統(tǒng)電壓和電壓之確定方向和實(shí)際的功率查量豫得的電壓(PU)Vpu_fer圖3-9電壓限制環(huán)如圖3-103-11所示是一個(gè)功能模，用戶必須指定模因子356Trgof寸6寸圖3-10三角波形的溝通電壓的同步發(fā)電系統(tǒng)RefSgnOf_1個(gè)功能的軍惡，它在6維陣列是一個(gè)咸去，它在6維陣列6630度移dueto和三角洲。的角度命令6666圖3-11參考波形的同步系統(tǒng)溝通電壓和偏移角單相生成如圖3-12所示對(duì)上述差值進(jìn)行滯環(huán)限制得到PWM波其中環(huán)寬為0.002。Trgoff?6圖3-12觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生圖3-13為系統(tǒng)仿真主接線圖其中仿真參數(shù)設(shè)置電網(wǎng)電壓為115kV,容量為100MVA,頻率為50HZ,系統(tǒng)等效電阻為0.12,直流側(cè)電容為300HF。故障設(shè)置在1.5S,三相故障接地，持續(xù)時(shí)間為0.5S。GG540言△圖3-13仿真主接線圖0圖3-14STATCOM無功補(bǔ)償曲線圖從圖3-15可以看出STATCOM基本不從系統(tǒng)汲取有功，受系統(tǒng)電壓源的影響較小。圖3-16系統(tǒng)的電壓變更4雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真模型的建立雙饋發(fā)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，而n為電機(jī)轉(zhuǎn)子本身的旋轉(zhuǎn)速度，則只要維持依據(jù)等效電路圖，可得雙饋發(fā)電機(jī)的基本方程式：側(cè)的值。頻率歸算：組一相的電壓方程：等效電路。為轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時(shí)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。Pm=(1-s)P=(1-s)Tn?=T?(1-s)n?P?=sP?=sT?n?=T?(n?-n)依據(jù)基爾霍夫電壓電流定律可以寫出一般繞線式轉(zhuǎn)子電機(jī)的基本方程式：從等值電路和兩組方程的對(duì)比中可以看出，雙饋電機(jī)就是在一般繞線式轉(zhuǎn)子電機(jī)的轉(zhuǎn)子回路中增加了一個(gè)勵(lì)磁電源，恰恰是這個(gè)溝通勵(lì)磁電源的加入大大改善了雙饋電機(jī)的調(diào)整特性，使雙饋電機(jī)表現(xiàn)出較其它電機(jī)更優(yōu)越的一些特性。下面我們依據(jù)兩種電機(jī)的基本方程畫出各自的矢量圖，從矢量圖中說明引入轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電源對(duì)有功和無功的影響。從矢量圖中可以看出，對(duì)于傳統(tǒng)的繞線式轉(zhuǎn)子電機(jī)，當(dāng)運(yùn)行的轉(zhuǎn)差率s和轉(zhuǎn)子參數(shù)確定后，定轉(zhuǎn)子各相量相互之間的相位就確定了，無法進(jìn)行調(diào)整。即當(dāng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速超過同步轉(zhuǎn)速之后，電機(jī)運(yùn)行于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，此時(shí)雖然發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)輸送有功功率，但是同時(shí)電機(jī)仍舊要從電網(wǎng)中汲取滯后的無功進(jìn)行勵(lì)磁。但從圖4-4中可以看出引入了轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電壓之后，定子電壓和電流的相位發(fā)生了變更，因此使得電機(jī)的功率因數(shù)可以調(diào)整，這樣就大大改善了發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性，對(duì)電力系統(tǒng)的平安運(yùn)行就有重要意義。4.1.1定子磁鏈定向矢量限制矢量限制理論產(chǎn)生于20世紀(jì)60年頭末，隨著電力電子學(xué)、計(jì)算機(jī)限制技術(shù)和現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其定子繞組電流始終運(yùn)行在工頻50Hz,在這樣的頻率下，定子繞組的電阻比其電抗要小的多，因此通?？梢耘c定子電壓矢量的相位差正好90度，由同步旋轉(zhuǎn)d-q-0坐標(biāo)系下的定子電壓方程同樣可以驗(yàn)證這一點(diǎn)，假如取定子磁鏈?zhǔn)噶糠较驗(yàn)閐-q-0坐標(biāo)系d軸，則定子電壓空間矢量正好落在超前d軸90度的q軸上，如圖4-5所示：將上一節(jié)我們得到的同步旋的電機(jī)模型重寫如下(定子繞組定子電壓方程：轉(zhuǎn)子電壓方程：定子磁鏈方程：轉(zhuǎn)子磁鏈方程：運(yùn)動(dòng)方程：定子輸出功率方程：通過以上分析可以得出如下結(jié)論：將上式代入定子輸出功率方程，有：上式建立了轉(zhuǎn)子電流重量與定子電流重量之間的關(guān)系。將上式代入轉(zhuǎn)子磁鏈方程，整理可得：,式中：再將上式代入轉(zhuǎn)子電壓方程，進(jìn)一步可整理得到：d-q軸轉(zhuǎn)子電壓、電流重量間交叉耦合的補(bǔ)償項(xiàng)。將轉(zhuǎn)子電壓分解為解耦項(xiàng)和補(bǔ)償項(xiàng)把這個(gè)轉(zhuǎn)子三相電壓重量用作調(diào)制波去產(chǎn)生轉(zhuǎn)子側(cè)勵(lì)磁變換器所須要的指令信號(hào)，用于限制逆變主電路晶體管的通斷，以產(chǎn)生所需頻率、大小、相位的三相溝通勵(lì)磁電壓。的關(guān)系，以上四個(gè)關(guān)系式構(gòu)成了定子磁鏈定向雙饋發(fā)電機(jī)的矢量限制方程。依據(jù)上面得出的矢量限制方程可以設(shè)計(jì)出雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在定子磁鏈定向下的矢量限制系統(tǒng)框圖，如圖4-6所示?？梢?，系統(tǒng)采納雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，外環(huán)為功率限制環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流限制環(huán)。在功率閉環(huán)中，有功指令P*是由風(fēng)力機(jī)特性依據(jù)風(fēng)力機(jī)最佳轉(zhuǎn)速給出，無功指令Q*是依據(jù)電網(wǎng)需求設(shè)定的。反饋功率P、Q4411P@“i4iud一d“auim“圖4-6主系統(tǒng)4.1.2定子磁鏈觀測(cè)矢量和定子磁鏈?zhǔn)噶恐g的相位相差90度，幅度相差一個(gè)同步轉(zhuǎn)速o?的倍數(shù)。因此矢量之間相位相差90度是在忽視了定子電阻之后得出的，會(huì)有肯定的誤差，但誤差較小。這種方法也是與定子磁鏈定向的矢量限制策β.θ0圖4-7電路簡(jiǎn)圖與矢量圖須要指出的是，上圖中的K/P變換是指直角坐標(biāo)系和極坐標(biāo)系之間的變換，K/P變換表達(dá)式為：4.2.1風(fēng)模塊B并網(wǎng)過渡過程中風(fēng)速上升Es圖4-8風(fēng)模塊題圖4-9風(fēng)力機(jī)模塊0083tFrDDtt圖4-12網(wǎng)測(cè)變換器限制模塊AABC◆◆P日CNAcpc1APBNA如圖，給出的風(fēng)速等于12m/s的基本風(fēng)速雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在基本風(fēng)速穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下，從圖中可以看出：1)在本文設(shè)計(jì)的輸出有功功率0.632(p.u),風(fēng)能追蹤率90.9%;2)無功功率可獨(dú)立限制，有功功率率0.00075;3)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流隨著功率的變更而變更，有很好的跟隨性，穩(wěn)定性好；)0.00圖4-17定子電壓、電流、功率圖4-18轉(zhuǎn)子電壓、電流0.00-5仿真過程中遇到的問題及解決的方法在三相短路故障下的仿真波形如圖5-1、圖5-2和圖5-3所示。就公共并網(wǎng)點(diǎn)電壓而言，如圖5-1,故障清除后，公共并網(wǎng)點(diǎn)電壓8s時(shí)只復(fù)原轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速圖5-2發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速圖5-3無功功率原到正常值。就發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速而言，如圖5-2,發(fā)生故障后，轉(zhuǎn)子也經(jīng)過一段時(shí)間4.5s后已經(jīng)復(fù)原到正常轉(zhuǎn)速，從而不會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)6結(jié)論本文在PSCAD仿真環(huán)境下，對(duì)變速恒頻雙饋風(fēng)電系統(tǒng)的本體和限制策略兩個(gè)方[1]YangBaijie,ChaoLVRTandprotection[J].UnitedState[2]MiadMohaghegh,DavidXu,BOYuwen.ImprovedLowVoltageRideC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