風(fēng)電并網(wǎng)仿真

1、風(fēng)電并網(wǎng)課程作業(yè)用digsilent軟件仿真分析含風(fēng)電場的單機(jī)無窮大系統(tǒng)的潮流與動(dòng)態(tài)過程班級：研電1105姓名：郭威(1112201057)李彥賓(1112201063)0仿真系統(tǒng)參數(shù)如下雙饋電機(jī)參數(shù)：變壓器參數(shù):額定容量SN=1.5MVA額定電壓UN =0.69kV正常轉(zhuǎn)速 n =1490.565rpm級對數(shù)p=2慣性時(shí)間常數(shù)（集中參數(shù)）TQ定子電阻 Rs =0.00598989pu轉(zhuǎn)子電抗孔=0.125pu同步速時(shí)轉(zhuǎn)子電阻 Rr =0.00619137pu轉(zhuǎn)子電抗土 =0.105368pu靜止時(shí)轉(zhuǎn)子電阻 Rr =0.02623123pu額定容量SN =63MVA額定電壓 UN =242kV

2、/10.5kV短路損耗404 kW空載損耗93 kW短路電壓14.45%空載電流2.41%直流電容參數(shù)：C=48137.6pF E=1.15kV系統(tǒng)參數(shù)：無限大系統(tǒng):f =50Hz負(fù)荷參數(shù)：P=35MW，cos =0.9輸電線路：LGJ400，200km, r1=0.08 Q/km,x1=0.04 Q/km.變壓器參數(shù)計(jì)算：選擇電力變壓器型號為SSPL-63000/220，額定容量為63000kVA，額 定電壓242土 2x 2.5% kV，低壓10.5kV，短路損耗404kW，空載損耗93 kW，短路電壓14.45%，空載電流2.41%，經(jīng)過計(jì)算：P U 21000SN404 x 24221

3、000 x 632=5.96QX = U %UN2T100SN14.45 x 2422100 x 63= 134.33。G =Po=93=1.588 x10一 6 ST 1000 x U 21000 x 2422NB = 4 = 2.41x 63 = 2.59x10-5 ST 100U 2100 x 2422N搭建的單機(jī)無窮大系統(tǒng)潮流圖，該系統(tǒng)中無窮大系統(tǒng)由內(nèi)阻為0、電壓標(biāo)么值為1的50Hz交流電壓源進(jìn)行等值。發(fā)電機(jī)采用經(jīng)典二階模型。設(shè)Xd后暫態(tài)電勢E恒定、機(jī)械功率Pm恒定，D為定常阻尼系數(shù)，忽略線路損耗及分布電容，則對于單機(jī)無窮大系統(tǒng)有如 下運(yùn)動(dòng)方程:d七一D 0T)d 61=一1、dt下圖

4、中是digsilent潮流計(jì)算之后的潮流圖（單線圖），圖中記錄了母線電壓、相角以及標(biāo)幺值，而變壓器與線路都顯示了有功、無功及負(fù)載率。RlndLCMG5Ul 220.00 kVUI9.96 kVu 0.95 p.u.phiu 4.25 degouculpljasP 30.00 MWQ 18.60 Mvar loading 99.99 %P 35.00 MWQ 16.95 MvarP-2.61 MW Q -1.38 MvarI匚舊ding 口旬UI219.30kV u 1.00 p.u. pihiu -li.WW 日巳gP 2.61 MW Q 1.39 .Mvar . loading 0.50 %

5、u 1.00 p.u. phiu 0.00 deg:6凸_00巨ODO.EM巨ooo-=-_:=-二陽-1-?1?:-巨雷03 00 000 0 M 呂O圖0-3風(fēng)機(jī)并網(wǎng)后的潮流計(jì)算圖DC在digsilent中，由上圖看出雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子直接接到了一個(gè)直流母線上缺少了轉(zhuǎn)子側(cè)變 流器的逆變作用，而不是我們所學(xué)習(xí)的轉(zhuǎn)子通入三相交流電源，實(shí)際上在digsilent中原理上 仍然是轉(zhuǎn)子通入三相交流電，只是我們通過搭建模塊將轉(zhuǎn)子變流器以及其控制策略集成在控 制模塊中，所以在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖中沒有顯示出來。2雙饋機(jī)的基本原理雙饋機(jī)的等值電路如圖2-1所示。 ussx，u/s圖2-1雙饋機(jī)等值電路其中jXm為激磁電

6、抗，R+jXs為定子阻抗，Rr為轉(zhuǎn)子電阻，Xr為轉(zhuǎn)子漏抗，U,為轉(zhuǎn)子電 壓，以上所有轉(zhuǎn)子量均為折算到定子側(cè)的數(shù)值。忽略定子電阻，從定子側(cè)輸入的電磁功率可表示為P = -1 R 2 -ReU I (1)s s r r Sr r其中前面一項(xiàng)對應(yīng)一般異步電機(jī)的電磁功率，該值完全取決于異步電機(jī)的滑差，滑差為 正時(shí)吸收電磁功率，運(yùn)行于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)；滑差為負(fù)時(shí)發(fā)出電磁功率，運(yùn)行于發(fā)電機(jī)狀態(tài)。雙 饋機(jī)則可以通過控制后面一項(xiàng)，使得電機(jī)的滑差為正時(shí)也能實(shí)現(xiàn)發(fā)電；實(shí)際中，雙饋發(fā)電機(jī) 的轉(zhuǎn)速變化范圍可達(dá)同步速的土30%。式(1)也表明，雙饋機(jī)的定子功率控制是通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn) 子回路的勵(lì)磁電壓或電流實(shí)現(xiàn)的，具體調(diào)節(jié)過程通過矢

7、量控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)。從雙饋機(jī)轉(zhuǎn)子輸出到電網(wǎng)的電磁功率為(2)P = ReU I = sP I R 2rr rs r r忽略轉(zhuǎn)子損耗，則有 TOC o 1-5 h z P = sP(3)即在忽略雙饋電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子損耗的條件下，通過轉(zhuǎn)子回路饋入電網(wǎng)的功率為通過電網(wǎng) 流入定子回路功率的s倍。據(jù)圖2-1所示的參考方向，有P = P + P(4)由式(3)和(4)，可以得到 s m rP = (1 s) P(5)式(3)和(5)即構(gòu)成了雙饋機(jī)的功率關(guān)系方程。當(dāng)0VsV1時(shí)，雙饋機(jī)運(yùn)行于亞同步狀態(tài)；當(dāng)s1時(shí)，雙饋機(jī)運(yùn)行于超同步狀態(tài)，(a)亞同步發(fā)電(b)亞同步電動(dòng)(d)超同步電動(dòng)不同運(yùn)行狀態(tài)下雙饋機(jī)的實(shí)際功率

8、流向如圖12所示。(c)超同步發(fā)電圖2-2不同運(yùn)行狀態(tài)下雙饋機(jī)功率流向由圖2-2可知，不論是發(fā)電機(jī)狀態(tài)還是電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，亞同步運(yùn)行時(shí)雙饋機(jī)的定子功率和 轉(zhuǎn)子功率流向相反；超同步運(yùn)行時(shí)雙饋機(jī)的定子功率和轉(zhuǎn)子功率流向相同。實(shí)際上，雙饋機(jī) 在滑差為0的情況下也可實(shí)現(xiàn)發(fā)電，這時(shí)轉(zhuǎn)子回路電流頻率為0，即為直流電，而轉(zhuǎn)子回路 饋入電網(wǎng)的有功功率為0，雙饋機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)等同于同步發(fā)電機(jī)；由于其特殊性，一般不將 其列為一種獨(dú)立的運(yùn)行狀態(tài)。從第一部分的潮流圖可知，轉(zhuǎn)子功率和定子功率都往電網(wǎng)流，可見DFIG處于超同步狀 態(tài)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于同步速。(6)雙饋機(jī)的dq電壓、磁鏈方程如下：usd=PVsd-w V1 sq+

9、RLusq=PVsq+ wv1 sd+ Rsisqurd= PVrd-s*V + R i durq= PVrq+ sw V + R i= L i + L isds sdm rd= L i + L isqs sqm rq= L i + L irdr rdm sd= L i + L irqr rdm sq由于雙饋機(jī)的定子接在頻率恒定的大電網(wǎng)上，定子電阻比電抗小很多，可以忽略不計(jì)，這時(shí)定子磁鏈與定子電壓矢量近似互相垂直。把dq坐標(biāo)系的d軸定向在定子磁鏈上時(shí)，定子 磁鏈的q軸分量為0；這時(shí)d向定子電壓為0，而q向定子電壓為常數(shù)，即W =W sd 1W = 0 u = 0 u = u將式(7)代入磁鏈方

10、程，可以得到(8)(10)i =W 廣 Lh sd Lsi =土sq L在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，有定子功率3/ .、=(u i + u i )2 sd sd sq sq3=(u i + u i )2 sd sq sq sd將（7）、（8）代入（9），可以得到P =-當(dāng)土 is2 L rqs3u Q =（W - L i ） s2 L1 m rds式（10）即構(gòu)成了雙饋機(jī)轉(zhuǎn)子變流器矢量控制的數(shù)學(xué)模型。由式可見，在定子磁鏈 或定子電壓保持恒定時(shí)，定子有功功率與irq成正比，而定子無功功率則完全由ird決定; 轉(zhuǎn)子變流器矢量控制實(shí)現(xiàn)了定子有功功率和無功功率控制的解耦，或者說實(shí)現(xiàn)了電磁轉(zhuǎn) 矩與轉(zhuǎn)子勵(lì)磁控制的

11、解耦，這就是轉(zhuǎn)子變流器的矢量控制。轉(zhuǎn)子變流器的控制策略是功率、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)。在功率閉環(huán)中，有功功率P*的參 考值可以根據(jù)風(fēng)力機(jī)和雙饋電機(jī)的特性按捕獲最大風(fēng)能的原則給出，無功Q*的參考值可 以根據(jù)電網(wǎng)要求的最大功率因數(shù)需求設(shè)定，也可從發(fā)電機(jī)功率框圖消耗的角度求得。反 饋功率P，Q則是通過對發(fā)電機(jī)定子輸出電壓、電流檢測和坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換后計(jì)算求得； P*、Q*的參考值與反饋值先進(jìn)行比較、差值再經(jīng)過PI型功率調(diào)節(jié)器運(yùn)算，輸出定子電 流有功分量及無功分量的參考值，通過計(jì)算又可得出轉(zhuǎn)子電流的有功分量和無功分量的 參考值和，將它們與轉(zhuǎn)子電流反饋值進(jìn)行電流控制（PI調(diào)節(jié)），可以得到相應(yīng)的有功無 功的改變值，然

12、后通過坐標(biāo)變換，得到控制PWM的調(diào)制信號，從而使得通過調(diào)節(jié)電流就能調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)發(fā)出有功功率和無功功率。圖2-3基于定子磁鏈定向的DFIG的P、Q解耦矢量控制策略 利用該原理我們得到digsilent中轉(zhuǎn)子變流器的控制策略框圖：圖2-4 digsilent中轉(zhuǎn)子變流器矢量控制模塊網(wǎng)側(cè)PWM變換器的主要功能是保持直流母線的電壓穩(wěn)定、輸入電流正弦和控制輸入功率 因數(shù)。這直接取決于直流側(cè)和交流側(cè)有功功率是否平衡。如果能控制交流側(cè)輸入的有功功率， 就能保持直流母線電壓的穩(wěn)定。由于電網(wǎng)電壓基本上是恒定，所以對交流側(cè)有功功率的控制實(shí)際上就是對輸入電流有功分量的控制。輸入功率因數(shù)的控制就是對輸入電流無功分量的控

13、 制。通過PARK變換我們可以實(shí)現(xiàn)解耦控制，從而控制id與iq可分別控制有功和無功功率， 從而控制直流環(huán)節(jié)電壓和交流側(cè)功率因數(shù)。uDFIGuLdc*uauuqri*i網(wǎng)側(cè)變換器機(jī)側(cè)變換器L+u dcudel F-, +i * du *idr*.qrid iqu *a】rPlf0uS SaPuj 申 u abcabcSVPWM0auu aPIPIPI圖2-5基于定子電壓定向矢量控制策略 在digsilent中相對應(yīng)的網(wǎng)側(cè)變流器的控制模塊為：Grid Side Converter:i_lc_rei *Iq.rei *Cunverter 日mS產(chǎn)Current Cuntrol 日 mCur1Tran

14、sfanTfltiXi 日 mDq-I Current hifeasurement StalmeaPLLBmPir, BmPhP口匚:Vbtt逆 Cuntrul日mUc x.DC l,J:tage rreasurpn-Krt 編Ute*圖2-6digsilent中網(wǎng)側(cè)變流器的控制模塊3動(dòng)態(tài)仿真故障前雙饋機(jī)運(yùn)行于超同步發(fā)電狀態(tài)or=1.2p.u.,為了便于分析假設(shè)風(fēng)速保持恒定不變。 雙饋機(jī)并網(wǎng)處發(fā)生三相金屬瞬時(shí)性短路，故障發(fā)生時(shí)刻為25s，持續(xù)200ms后故障消失，仿 真結(jié)果如圖0-圖10所示。rTJI4-V4-T 圖0風(fēng)速數(shù)據(jù)1.13751.125D1.11251.08751 .LI75LI

15、I24.D526.05Gid: Speed in p.u.28.053D.D532.05s34.D5圖1轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速23.9924.4924.9925.4925Jjg526.49BK興淖饋阱卻哭溯Itm弱，gnrtuderminal AC in p.u.3泌;炬*子電寸壓2.502.LILI1.501.00Li.5D0 0023 TJ4TL-6 .LILI23.9924.49PQ Control: Q圖5定子無功一24.9925.4923.9924.49Current iVfeasurement: id24.gg25.4925.99526.49-1717VL 1圖6轉(zhuǎn)子d軸電流HJT LI.LIL

16、I25.4924.4924.99Gid: Positive-Sequence Current, hgnitude/Terminal AC in p.u.25.99s26.49圖9定子電流圖10直流電壓3.1仿真結(jié)果分析故障后雙饋機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩急劇下降，而此時(shí)風(fēng)速保持恒定，可認(rèn)為輸入機(jī)械轉(zhuǎn)矩保持不 變，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速將迅速上升到一個(gè)較大的值。定子輸出有功功率取決于機(jī)端電壓，兩者 的變化軌跡趨近于一致，都是先降后恢復(fù)。定子電流和轉(zhuǎn)子電流均出現(xiàn)過電流，與此同時(shí)變 流器中的直流電容出現(xiàn)過電壓。3.1.1定子功率分析首先分析定子有功功率:3u L i（10）2L qs3U (y- L i )2 L 1 m

17、 rds可知，定子有功與定子電壓（定子磁鏈）成正比，故障后定子磁鏈的減小造成定子有功 功率數(shù)值上減小。ird下面來分析定子無功功率。雙饋機(jī)的運(yùn)行性能一大優(yōu)點(diǎn)就是雙饋機(jī)可以實(shí)現(xiàn)無功功率的 控制及有功和無功控制的解耦。由上式（10）可知，雙饋機(jī)定子既可以從電網(wǎng)吸收無功功率， 也可以向電網(wǎng)送出無功功率，而且其大小可以調(diào)節(jié)。當(dāng)定子無功功率為0時(shí)，雙饋機(jī)定子與 電網(wǎng)間沒有無功功率交換，這時(shí)應(yīng)滿足(11)而定子回路發(fā)出和吸收無功功率的條件為(12)i *，發(fā)出無功功率rd Lmy，吸收無功功率m系統(tǒng)故障時(shí)，定子磁鏈下降，由上式可知，將有id ，此時(shí)定子回來將會發(fā)出大 m量無功。這從圖5可以看出。3.1.2

18、故障電流分析故障后雙饋機(jī)的定子電流和轉(zhuǎn)子電流如圖8和圖9所示。由于三相對稱，只取其中一相 分析。由圖8、9可見，故障后定、轉(zhuǎn)子電流都包含有很大的直流分量且衰減很快，而衰減一段 時(shí)間后又增大的現(xiàn)象則是由控制系統(tǒng)的作用引起的：故障后由于定子無功功率和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的 變化，引起ird和irq的變化，如圖6和圖7所示；可以看到，故障后ird變化不大而i/曾大。這就是故障后直流分量衰減一段時(shí)間后開始增大的原因。3.2小結(jié)本節(jié)用Disilent建立了完整的雙饋機(jī)發(fā)電系統(tǒng)模型，對電網(wǎng)發(fā)生故障后雙饋機(jī)的暫態(tài)特 性進(jìn)行了詳盡的仿真和分析，可得到如下結(jié)論：雙饋機(jī)的矢量控制系統(tǒng)基于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)設(shè)計(jì)，暫態(tài)過程中會出現(xiàn)一些不利于其運(yùn)行的 電磁暫態(tài)過程，主要為轉(zhuǎn)子電流器的過電流和直流電容的過電壓問題（當(dāng)網(wǎng)側(cè)輸入的功率大 于轉(zhuǎn)子側(cè)消耗的功率時(shí)，多余的功率會使直流母線電壓升高；反之，會使電壓降低。只要能 快速地控制交流側(cè)輸入的有功電流分量，就可以控制有功功率的平衡，從而保持直流母線電 壓的穩(wěn)定。）。出于經(jīng)濟(jì)和技