基于psc的雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的建模與仿真文檔

基于psc的雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的建模與仿真精選文檔風力發(fā)電機組監(jiān)測與控制課程設(shè)計說明書基于PSCAD的雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的建模與仿真 學生姓名李坤 班級能源111 完成日期2015年1月10日電力是國家的支柱能源和工業(yè)經(jīng)濟命脈，經(jīng)濟的飛速發(fā)展而導致用電量的急劇增加和國內(nèi)各大型電廠的建設(shè)投產(chǎn)將出現(xiàn)大規(guī)模的聯(lián)合供電系統(tǒng)，這樣的供電系統(tǒng)的建立將帶來巨大的經(jīng)濟和社會效益，但是，如何保證系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟的運行以及保障供電質(zhì)量是擺在電力科技人員面前的一個重大而迫切的問題。本論文首先介紹了STATCOM具體的工作原理，對STATCOM的電路結(jié)構(gòu)及其無功補償?shù)脑磉M行了分析。然后，通過數(shù)學推導建立了STATCOM在abc坐標系分析了雙饋型風電場接入輸電系統(tǒng)后的暫態(tài)特性以及對電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響?；赑SCAD仿真平臺建立了風力機模型和雙饋型發(fā)電機的動態(tài)數(shù)學模型，在換流器建模方面，轉(zhuǎn)子側(cè)換流器的矢量控制實現(xiàn)了有功功率和無功功率的解耦控制，網(wǎng)絡(luò)側(cè)換流器的矢量控制實現(xiàn)了直流母線電壓保持恒定以及調(diào)節(jié)輸入系統(tǒng)關(guān)鍵詞:風電場；雙饋型發(fā)電機；暫態(tài)穩(wěn)定；電力是國家的支柱能源和工業(yè)經(jīng)濟命脈，經(jīng)濟的飛速發(fā)展而導致用電量的急劇增加和國內(nèi)各大型電廠的建設(shè)投產(chǎn)將出現(xiàn)大規(guī)模的聯(lián)合供電系統(tǒng)，這樣的供電系統(tǒng)的建立將帶來巨大的經(jīng)濟和社會效益，但是，如何保證系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟的運行以及保障供電質(zhì)量是擺在電力科技人員面前的一個重大而迫切的問題。由于配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、運行變化等原因，我國配電網(wǎng)損耗、電壓合格率等技術(shù)指標與發(fā)達國家相比有很大差距，由于電壓不合格等原因造成用戶電器燒毀的現(xiàn)象仍然存在，而網(wǎng)損過高使得生產(chǎn)的寶貴電能白白浪費，而且影響電力企業(yè)的經(jīng)濟效益。在人們?nèi)粘Ｉ钜约肮I(yè)生產(chǎn)中，感性負載所占據(jù)的比例增大，無功功率問題一，功率因數(shù)也是衡量電能質(zhì)量三大指標之一，功率因數(shù)也是衡量電能質(zhì)量三大指標之一。容性負載包括計算機、開關(guān)電源、電視、輸電線路等，雖然所占比例不大，但是對電力系統(tǒng)的影響也不容忽視。輸電線路的電感性無功功率小，由于電容效應(yīng)，輸電線路產(chǎn)生的的容性充電功率大于輸電線路吸收的電感性無功功率，必須滿足電力系統(tǒng)無功平衡的需要，維持電力系統(tǒng)的電壓水平，否則電力系統(tǒng)電壓過高，將無法保證安全運行。靜止同步補償器(StaticSynchronousCompensator,STATCOM),是目前無功補償技術(shù)，近年來隨著電力電子開關(guān)技術(shù)的進步而逐漸興起。STATCOM的原理是利用全控型大功率電力電子器件構(gòu)成可控的電壓源或電流源，使其輸出電流超前或滯后系統(tǒng)電壓90,從而對系統(tǒng)所需的無功進行動態(tài)補償。早期有文獻稱之為可能性雖然早在20年前就已經(jīng)為人們所認識，但限于當時電力電子器件的耐壓和功率水平，無法制造出輸電系統(tǒng)中具有實用價值的裝置。直到近年來，尤其是高壓大功率的門極可關(guān)斷晶閘管GTO的出現(xiàn)，才極大的推動了STATCOM的開發(fā)和應(yīng)用。STATCOM是并聯(lián)型FACTS設(shè)備，它同基于可控電抗器和投切電容器的傳統(tǒng)靜止無功補償器SVC相比，性能上具有極大的優(yōu)越性，越來越得到廣泛的重視，必將取代SVC成為新一代的無功電壓控制設(shè)備。其基本拓撲結(jié)構(gòu)分為電壓源型和電流源型，分別如圖3-1、3-2所示：實際上，目前STATCOM裝置中研究最深入、應(yīng)用最廣泛是電壓源型逆變器結(jié)1、電流源型逆變器的工作原理，需要采用具有對稱特性的大功率開關(guān)器件，即雙向電壓阻斷能力。而目前常用的可關(guān)斷器件存在反向阻斷能力差、導通損耗過大的問題；相比之下，電壓源型逆變器則不會受到該限制。2、電流源型逆變器直流側(cè)儲能電感不具備防止器件過電壓的能力，因此需要安裝額外的保護電路或者增大取值裕量；相比之下，電壓源型逆變器的直流電容本身具備防止功率器件過電壓的能力。3、電流源型逆變器的直流側(cè)儲能電抗在工作中會產(chǎn)生比較大的損耗，給裝置設(shè)計帶來困難；而電壓源型逆變器的儲能電容損耗要小的多。電壓源型逆變器具有的以上優(yōu)勢使其成為目前條件下更合理的選擇，因此本文主要研究基于電壓源型逆變電子開關(guān)器件將直流側(cè)電壓進行逆變，從而在逆變器交流側(cè)輸出一個與電網(wǎng)同頻的正弦電壓。此時STATCOM可以視為一個與電網(wǎng)同步的并且靈活控制的交流電壓源，其接入系統(tǒng)時的等效電路如圖3-3:輸出的電流為：只對無功進行補償，因此與電網(wǎng)之間不存在有功的往返。需要從電網(wǎng)吸收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非常微小，因此在進行理論分析的時候一般忽略不計。最后近似認為STATCOM輸出的電壓U,與電網(wǎng)電壓Us相位相同，從而得到裝置輸出的單相無功功率為：由以上分析可得，在正常工作時STATCOM具有無功雙向調(diào)節(jié)能力：即容性工況和感性工況，分別如下圖所示：圖3-4容性工況圖3-5感性工況(1)即STATCOM裝置交流側(cè)逆變電壓幅值大于系統(tǒng)電壓幅值，此時流過電抗器的補償電流超前系統(tǒng)電壓90°,STATCOM裝置向系統(tǒng)輸出(2),即STATCOM裝置交流側(cè)逆變電壓幅值小于系統(tǒng)電壓幅值，此時電抗器上的補償電流滯后系統(tǒng)電壓90°,STATCOM裝置向系統(tǒng)輸出負無功補償技術(shù)存在本質(zhì)區(qū)別。通過對逆變器交流側(cè)電壓的幅值和相位進行調(diào)控，或者直接對其補償電流進行跟蹤控制，就能夠在容性到感性范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)無功補償電流，并且做到精確的穩(wěn)態(tài)跟蹤準以及快速的動態(tài)響應(yīng)。6Cv電壓115kv短電路500mva電力88mva3單相接地阻抗的75與X/R比率等于1-發(fā)生在秒和秒△電力88mva—-wF短電路500mvaABC->G圖3-8兩電平電壓型statcom如圖3-9所示將直流側(cè)電壓與直流基準電壓的差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)得到直流側(cè)電流ND測得的電壓(PU)助x圖3-9電壓控制環(huán)如圖3-103-11所示指定模因子Moduloheta圖3-10三角波形的交流電壓的同步發(fā)電系統(tǒng)圖3-11圖3-11參列6NTay66O6666考波形的同步系統(tǒng)交流電壓和偏移角單相生成如圖3-12所示對上述差值進行滯環(huán)控制得到PWM波其中環(huán)寬為。第一種0.1STATCOM阻塞Trgoff觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生發(fā)射脈沖產(chǎn)生的使用比較參考信號的三角信號兩組信號(參考三角的)是需要的，一套用于接通和第二一個(一個否定該第一組信號)轉(zhuǎn)離看到PWM控制部分1和2兩個信號被發(fā)送到每個開關(guān)，第一個告訴的打開或關(guān)閉，該第二個決定切換的瞬間并通過插值程序，使用允許的時間步長之間切換圖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2,直流側(cè)電容為300HF。故障設(shè)置在，三相故障接地，持續(xù)時間為。V=1.017圖3-13仿真主接線圖圖3-14STATCOM無功補償曲線圖從圖3-14可以看出STATCOM可以很好的響應(yīng)系統(tǒng)，在故障期間發(fā)出所需要的無功。從圖3-15可以看出STATCOM基本不從系統(tǒng)吸收有功，受系統(tǒng)電壓源的影響較小。圖3-16系統(tǒng)的電壓變化從圖3-16可以看出STATCOM可以很好的維持系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性11．亞同步運行狀態(tài)：在此種狀態(tài)下nn，由轉(zhuǎn)差頻率為f的電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)2．超同步運行狀態(tài)：在此種狀態(tài)下nn，改變通入轉(zhuǎn)子繞組的頻率為f的電流相序，則其所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速方向相反，因此有2發(fā)電機定子側(cè)電壓電流的正方向按發(fā)電機慣例，轉(zhuǎn)子側(cè)電壓電流的正方向按電動機慣例，電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)向相反為正，轉(zhuǎn)差率S按轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速小于同步轉(zhuǎn)速為正，參照異步電機的分析方法，可得雙饋發(fā)電機的等效電路，如圖4-1所示：圖4-1雙饋發(fā)電機的等值電路圖⑥U轉(zhuǎn)子勵磁電壓經(jīng)過繞組折算后的值，再經(jīng)過頻率折算后的感應(yīng)電機的轉(zhuǎn)子繞組其端電壓為U,此時根據(jù)基爾霍夫第二定律，可寫出轉(zhuǎn)為轉(zhuǎn)子每相電阻。圖4-1表示與式4-20相對應(yīng)的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的電磁功率(轉(zhuǎn)差功率)圖4-2普通繞線式轉(zhuǎn)子發(fā)電機的等值電路圖從等值電路和兩組方程的對比中可以看出，雙饋電機就是在普通繞線式轉(zhuǎn)子電機的轉(zhuǎn)子回路中增加了一個勵磁電源，恰恰是這個交流勵磁電源的加入大大改善了雙饋電機的調(diào)節(jié)特性，使雙饋電機表現(xiàn)出較其它電機更優(yōu)越的一些特性。下面我們根據(jù)兩種電機的基本方程畫出各自的矢量圖，從矢量圖中說明引入轉(zhuǎn)子勵磁電源對從矢量圖中可以看出，對于傳統(tǒng)的繞線式轉(zhuǎn)子電機，當運行的轉(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，無法進行調(diào)整。即當轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速超過同步轉(zhuǎn)速之后，電機運行于發(fā)電機狀態(tài)，此時雖然發(fā)電機向電網(wǎng)輸送有功功率，但是同時電機仍然要從電網(wǎng)中吸收滯后的無功進行勵磁。但從圖4-4中可以看出引入了轉(zhuǎn)子勵磁電壓之后，定子電壓和電流的相位發(fā)生了變化，因此使得電機的功率因數(shù)可以調(diào)整，這樣就大大改善了發(fā)電機的運行特性，對電力系統(tǒng)的安全運圖4-3轉(zhuǎn)子中不加勵磁時的相量圖圖4-4轉(zhuǎn)子中加入勵磁電源后的相量圖矢量控制理論產(chǎn)生于20世紀60年代末，隨著電力電子學、計算機控制技術(shù)和磁鏈方向定為同步坐標系d軸；同步電動機矢量控制系鏈矢量與定子電壓矢量的相位差正好90度，由同步旋轉(zhuǎn)d-q-0坐標系下的定子電壓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：圖4-5空間矢量示意圖的電機模型重寫如下(定子繞組圖4-5空間矢量示意圖動機慣例):轉(zhuǎn)子磁鏈方程：運動方程：如圖3-16所示，如果將d軸恰好選在定子磁鏈矢量平上，也即d軸的轉(zhuǎn)速和相位都與出相同，則屮=ψ,那,又因為出感應(yīng)的電壓超前于出90度由上式可知，在定子磁鏈定向下，雙饋發(fā)電機定子輸出有功功率P、無功功率Q分別與定子電流在d、q軸上的分量iids成正比，調(diào)節(jié)iids可分別獨立調(diào)節(jié)P、Q,兩者實現(xiàn)了解耦控制。因此，常稱i為有功分量，為無功分量。因為對于P、Q的控制是通過交流勵磁發(fā)電機轉(zhuǎn)子側(cè)的變換器進行的，應(yīng)該推導轉(zhuǎn)子電流、電壓和i、i之間的關(guān)系，以便實現(xiàn)對交流勵磁發(fā)電機有功、無功的獨立控制。把出=Y、屮=0代入定子磁鏈方程，整理可得：上式建立了轉(zhuǎn)子電流分量與定子電流分量之間的關(guān)系。將上式代入轉(zhuǎn)子磁鏈方程，整理可得：再將上式代入轉(zhuǎn)子電壓方程，進一步可整理得到：式中，u'、u'為實現(xiàn)轉(zhuǎn)子電壓、電流解耦控制的解耦項，為d-q軸轉(zhuǎn)子電壓、電流分量間交叉耦合的補償項。將轉(zhuǎn)子電壓分解為解耦項和補償項后，既簡化了控制，又能保證控制的精度和動態(tài)響應(yīng)的快速性。有了u、uUU44PIPe電壓d.哪轉(zhuǎn)子側(cè)w,定子磁鏈觀測既然是以定子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)，則必然涉及到定子磁鏈觀測的問題，也就是檢測定子磁鏈的幅值和相位。在本章論述的交流勵磁變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)中，采用的是定子磁鏈定向的矢量控制方法，在前面已經(jīng)分析過，在取定子磁鏈定向后，若忽略定子電阻，則定子電壓矢量和定子磁鏈矢量之間的相位相差90度，幅度相差一個同步轉(zhuǎn)速w的倍數(shù)。因此我們可以用一種簡單的方法來計算定子磁鏈。這種方法中的定子電壓矢量和定子磁鏈矢量之間相位相差90度是在忽略了定子電阻之后得出的，會有一定的誤差，但誤差較小。這種方法也是與定子磁鏈定向的矢量控制策略相一致。需要指出的是，上圖中的K/P變換是指直角坐標系和極坐標系之間的變換，K/P變換表達式為：雙饋風力發(fā)電機仿真模型的建立并網(wǎng)過濫過程中Wnd.風力機模塊網(wǎng)二近中圖4-9風力機模塊槳距角控制模塊___槳距角控制模塊日圖4-10距角控制模塊JctcPDP圖4-11轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制模塊轉(zhuǎn)子側(cè)變換器模塊圖4-13轉(zhuǎn)子側(cè)變換器模塊網(wǎng)側(cè)變換器模塊圖4-14網(wǎng)側(cè)變換器模塊圖4-1512m/s的風速下風機的轉(zhuǎn)速如圖，給出的風速等于12m/s的基本風速下，對雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)進行功率控制時的輸出功率、定子輸出的電壓、電流、功率波形，轉(zhuǎn)子電壓、電流波形，有功、無功功率波形。雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)在基本風速穩(wěn)態(tài)運行下，從圖中可以看出：1)在本文設(shè)計的滯環(huán)矢量控制策略下，雙饋風力發(fā)電機能夠追蹤到最大風能。輸入功率(),輸出有功功率(),風能追蹤率%;2)無功功率可獨立控制，有功功率幾乎不受影響，雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)具有按電網(wǎng)需要進行功率因素調(diào)節(jié)的功能，無功功率；3)轉(zhuǎn)子勵磁電圖4-17定子電壓、電流、功率圖4-18轉(zhuǎn)子電壓、電流圖4-19有功功率、無功功率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。風電場沒有投入STATCOM進行無功補償時，發(fā)生三相短路故障后，由于公共并網(wǎng)點電壓跌落，發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩因而降低，此時，轉(zhuǎn)矩不平衡，機械轉(zhuǎn)矩大于電磁轉(zhuǎn)矩，產(chǎn)生加速轉(zhuǎn)矩，因此風電機組轉(zhuǎn)子持續(xù)加速，風電機組機端電壓由于長時間無法恢復正常，風電場為了自我保護因而脫網(wǎng)。就公共并網(wǎng)點電壓而言，如圖5-1,故障清除后，公共并網(wǎng)點電壓8s時只恢復到電網(wǎng)電壓的70%。就發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速而言，如圖5-2,發(fā)生故障后，發(fā)電機轉(zhuǎn)子持續(xù)不斷升速，最后必然導致風電機組保護脫網(wǎng)。p壓電點網(wǎng)并共公üp壓電點網(wǎng)并共公速轉(zhuǎn)u速轉(zhuǎn)p圖5-2發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速食功食功Q-10圖5-3無功功率風電場投入STATCOM進行無功補償后，發(fā)生短路故障后，雖然公共并網(wǎng)點電壓跌落也造成了電磁轉(zhuǎn)矩降低，但是STATCOM在檢測到公共并網(wǎng)點電壓跌落后立刻開始進行無功補償，使公共并網(wǎng)點電壓