鹽城工學院課程設計說明書(2015)鹽城工學院課程設計說明書(2014)風力發電機組監測與控制課程設計說明書課題名稱基于PSCAD_EMDTC的雙饋風力發電機的控制策略研究專業學生姓名班級學號指導教師完成日期目錄TOC\o"1-3"\h\u325221摘要 摘要隨著風電在電力系統中的比例不斷增加，其對電力系統的影響已不可忽略。由于風力發電機組的工作原理和接入方式與傳統的三相同步發電機組差異較大，因此對風力發電機組的準確建模是分析大規模風電的接入對電網穩定性、安全性、可靠性等方面影響的關鍵步驟。電力系統暫態仿真是開展風電并網研究的一種重要手段，而建立準確、有效的風力發電機組暫態模型則是仿真工作的基礎，基于PSCAD能建立詳細反映風機控制調節特性的風機電磁暫態仿真模型，包括風機的詳細風力機、軸系、發電機及變流器等元件模型與變流器的機側和網側控制、風力機的槳距角控制等控制模型，所建立的模型能反應風機在各種擾動下的輸出特性。本課題在PSCAD上建立包含風力機、軸系、發電機、變流器和詳細控制模型的詳細風力發電機組模型，并對擾動下風力發電機組的響應進行仿真分析，為進一步研究風力發電機組并網穩定性及其控制打下基礎。2PSCAD軟件簡介PSCAD/EMTDC是一款在全球廣受歡迎的電磁暫態仿真軟件，優點眾多，其操作界面圖形化，接口較方便，元件模型精確。早在1976年，DennisWood博士開發完成了EMTDC的初版。而后不斷完善功能及模型庫，并開發成功了能讓用戶更方便使用的前端圖形化操作界面PSCAD。使用者可以利用軟件提供的完備的元件模型庫，通過簡單的操作，便可以建立需要的精確模型。如今的PSCAD經過發展，功能更加豐富而強大。PSCAD仿真平臺的應用領域廣泛，主要包括：仿真電力系統時域和頻域特性；仿真多端輸電系統的電磁暫態模型；研究直流系統的換相方法或啟動；研究交流系統的諧波和分析暫態扭矩等。PSCAD軟件的常見應用為計算電力系統在受到擾動或者參數發生變化時，電參數隨時間變化的規律。PSCAD仿真平臺的元件模型庫眾多且精確，常見的有以下幾種：（1）網絡元件：集中參數的和隨時間變化的RLC元件；電壓、電流源；三相或單相變壓器；三相同步電動機；斷路器、繼電器等；（2）控制模塊：PI控制器；積分器；雙輸入比較器；指數、對數函數；限制、比率限制函數；實極點、延遲函數等；（3）測量儀器：單相電壓、電流表；有功、無功功率表；相角測量表；快速傅里葉變換；諧波失真分析等；3PSCAD樣例說明3.1同步風力機樣例功能與工作原理分析在PSCAD下的同步風機模型，此例中風機拖動同步電機運轉，調速器控制風機，并配有變速風源。適用于對PSCAD中風機建模的學習。-Thiscaseshowsasynchronousgeneratorbeingdrivenbyawindturbine.Theturbineiscontrolledbyawindgovernor.Thewindsourceisusedtomodelwindspeedfluctuations.ThefilecanbeusedforlearningaboutwindturbinemodelinginPSCAD.這個風機由三個部分組成：一是風機（相當于發電廠是的汽輪機），二是調速器（相當于汽輪機的氣門控制裝置），三是發電機.發電機發電機電源比例積分環節電源比例積分環節模擬風模擬風故障模擬故障模擬同步風機同步風機模擬風機的機械速度模擬風機的機械速度模擬負荷需求模擬負荷需求調節器調節器圖3-1為同步風機原理圖首先，詳細闡述了同步風電發電機組各部分的數學模型,包括風力機、軸系、同步發電機、機側和網側變流器等在內的各元件，并給出了槳距角控制、機側變流器控制、網側變流器控制等詳細的控制策略。其次，在PSCAD上建立了同步風力發電機組的詳細模型，所建槳距角控制、最大功率跟蹤控制等模型符合實際情況。然后，仿真研究了風機在全風速下的運行特性，結果表明風機在各風速區段運行準確；分別仿真研究了風機在風速擾動、電網故障下的響應特性，所得結果符合理論預期。以上仿真結果表明，所建的同步風力發電機組模型準確。最后，對比了風機詳細模型與簡化的平均值模型。針對兩個模型，分別比較了二者在全風速運行、風速擾動、較小電網故障三種情況下的仿真結果，所得結果表明，在正常運行及發生小的擾動的情況下，兩者在穩態及暫態響應特性上均比較接近。3.2同步風力機樣例仿真模型的建立過程打開樣例文件3.2.1風源組件基準高度的平均風速基準高度的平均風速圖3-2風源參數：以上為定義在6m/s的恒風ES:InputExternalvalueVw:OutputWindSpeed可以在文件夾“MasterLibrary/Machines”中找到3.2.2風力發電機組功率系數公式選擇【選擇3頁片或者2頁片轉速比齒輪箱效率空氣密度轉子面積轉子半徑發電機額定功率功率系數公式選擇【選擇3頁片或者2頁片轉速比齒輪箱效率空氣密度轉子面積轉子半徑發電機額定功率圖3-3風力渦輪機參數:以上調整風機的葉片長度、空氣密度、齒輪箱效率等等參數。可以在文件夾“MasterLibrary/Machines”中找到由圖3-3可知，在PSCAD軟件提供的風力機模型中，輸入量為風速Vw、風力機轉速ω及槳距角β，而輸出量為機械轉矩Tm和機械功率P。在參數設置上，可對風力機容量、風力機半徑和空氣密度等進行設置。3.2.3調速器組件異步還是同步發電機額定功率風機額定功率異步還是同步發電機額定功率風機額定功率圖3-4節距控制電力需求參考速度齒輪比調速器類型電力需求參考速度齒輪比調速器類型圖3-5調速參數范圍積分增益比例增益范圍積分增益比例增益 圖3-6比例積分調節收益乘數增益收益乘數增益 圖3-7速度阻尼參數轉角的范圍葉片傳動積分增益節距角轉角的范圍葉片傳動積分增益節距角 圖3-8槳距角的調整可以在文件夾“MasterLibrary/Machines”中找到當風速超過額定風速時，由于發電機與變流器自身的功率限制，需要對風能利用系數進行調節，使得直驅永磁同步發電機的輸出功率保持在額定值。由于槳距角對風能利用系數影響較大，因此可以控制槳距角進而調節，該種控制稱為槳距角控制。查看模型的說明可知，該槳距角模型的輸入為風力機的機械角速度，以及風力機的輸出功率，輸出為風力機的槳距角。在參數設置方面，該模型可設置參數較多，包括PI控制環節、風力機額定功率、電機類型、伺服機構參數等。3.2.4同步發電機圖3-9同步電機參數可以在文件夾“MasterLibrary/Machines”中找到如圖3-9所示，永磁同步發電機的輸入為由軸系模型得到的機械角速度，輸出為發電機的輸出電磁轉矩。同時，在永磁同步發電機右端有一個接頭，可輸出三相交流電。在參數設置的對話框中，可對永磁同步發電機的容量、電壓、頻率等進行設置。同時，PSCAD軟件提供的永磁同步發電機模型還可輸出電壓電流相位角，該角度值在變流器機側控制派克變換、派克逆變換中被使用。3.2.5單輸入電平比較器圖3-10單輸入電平比較器參數：風速是恒定1m/s，t=2S通入可以在文件夾“MasterLibrary/CSMF”中找到3.2.6電壓源電壓輸入時間常數數基準電壓源阻抗類型電壓輸入時間常數數基準電壓源阻抗類型電感電感頻率電壓級頻率電壓級圖3-11三相電壓源參數可以在文件夾“MasterLibrary/Sources”中找到3.2.7故障的模擬組件故障持續時間應用故障時間故障持續時間應用故障時間 圖3-12故障響應參數可以在文件夾“MasterLibrary/Fault”中找到3.2.8控制面板組合：注意拖動之前定義好名稱及量稱等圖3-13控制面板3.3同步風力機樣例仿真結果分析在動態變槳控制下，β是通過風力發電機調速器調節的,thehard-limiter模擬了風速的切入和切出值。β調控的目的是為了限制風機的功率為額定值。我們可以看出，當風機功率高于2MW是β增大，Cp的減小，輸出功率減小。當Vdc到達2000V時，DC母線調節仍然是激活時，然后，功率被輸送到電網，Alpha睡著測量電壓的變化而變化。當風速降低，β減小，以增加輸入的機械功率，但當風速降低太多時，Vdc低于2000V，逆變器被鎖定。在仿真結束時，風機功率為負，這意味著，風機發電機是被同步發電機的慣性驅動的。實驗結果表明同步電機直接轉矩控制調速系統具有較好的動態性能。4雙饋風力發電機仿真模型的建立4.1雙饋風力發電機工作原理及控制方法分析4.1.1工作原理分析圖4-1雙饋式感應發電機系統框圖如圖4-1所示為雙饋式感應發電機系統框圖。雙饋發電機（Doubly-FedInductionGenerator,DFIG）結構類似于三相繞線式異步感應電機，具有定、轉子兩套繞組，定子繞組并網，轉子繞組外接三相轉差頻率變頻器實現交流勵磁。雙饋發電機是指，在控制中發電機的定、轉子都參與了勵磁，并且定、轉子兩側都有能量的饋送。由于雙饋風力發電系統配置的變流器在轉子回路，即交流勵磁是在轉子電路實現的，由于與雙PWM變流器功率相等的轉差功率在定子額定功率中所占比重很小，所以變流器的容量也很小，快速降低了控制成本與難度。由上述可知，這種雙饋發電機的控制策略除了減少變頻器的容量外，還可實現變速恒頻控制以及有功功率和無功功率的獨立控制，從而起到對電網的無功補償作用。根據感應風力發電機的磁場特性，可以得出雙饋發電機轉速與定、轉子繞組電流頻率的關系表達式為：n1=n±n2（4-1）f1=p×n/60±f2（4-2）s=（n1?n）/n1=±n2/n1（4-3）式（4-1）中：n為電機轉速；n1為定子的同步旋轉轉速；n2為勵磁電流同步旋轉轉速；f1為定子電流頻率；f2為轉子電流頻率；p為發電機極對數。根據式（4-2）可知，欲保持與電網頻率的同步以及定子電流頻率f1不變，必須在風力發電機轉速n改變時調節轉子電流的頻率f2，這就是變速恒頻風力發電機的控制原理。當n=n1時，風力發電機作同步電機運行，此時轉子收到的是變流器提供的直流勵磁，轉子電流頻率f2=0；當n>n1時，風力發電機作超同步速度運轉，此時除定子和轉子同時向電網饋送能量，式（4-1）與（4-2）取負號；當n<n1時，風力發電機作亞同步速度運轉，電網通過變流器向轉子饋送能量，而定子向電網饋送能量。4.1.2控制方法分析目前,常見的電壓源變換器的電流控制技術有正弦PWM,空間矢量PWM,隨機PWM,滯環電流PWM控制。其中正弦PWM,空間矢量PWM為間接的電流控制方式,在應用時需要將電流環運算以獲得電壓指令,這也決定了這兩種電流控制方法不可避免的缺點:電流動態響應比較遲緩。空間矢量PWM（SVPWM）控制是對變流器進行控制的一種新穎思路的控制策略，其控制依據是變流器的空間電流或電壓的矢量切換原理。在20世紀80年代初，針對交流電動機的變頻驅動，日本學者提出了早期的空間矢量PWM控制策略，基本思想是采用變流器空間電壓矢量的切換代替了原有的正弦波脈寬調制（SPWM），來得到準圓形旋轉磁場，從而使交流電動機在較低的開關頻率（1-3kHz）下獲得了比SPWM控制更好的性能，具體體現在：空間矢量PWM控制減小了電機的轉矩脈動，同時還提高了電機的動態響應性能和電壓型變流器的電壓利用率。此外，其模型比較簡單,也便于微處理器的實時控制。根據前面所述，雙饋風力發電機的轉子是通過變流器與電網相連，由于發電機的轉子能量是在發電機與電網之間雙向流動的，所以必須保證用于作交流勵磁、接于轉子回路的電源能量能夠雙向流動。在雙饋風力發電機的控制系統中，一般多采用雙PWM型變流器來接于發電機與電網之間，對轉子進行控制。不控整流電路或者相控整流電路，而是采用PWM斬控整流電路。PWM整流器的能量可雙向流動這一特性，不僅體現了AC/DC的變流特性（整流），而且還可體現出DC/AC的變流特性（有源逆變）雙PWM型變流器的主電路結構圖如圖4-2所示，雙PWM型變流器是由網側變流器和轉子側變流器組成，網側和轉子側變流器的功能各自相互獨立。實際上，圖中采用的PWM整流器是一種可逆變流器。這是因為PWM整流器不再使用二極管或者半空型開關器件，而是采用全控型功率器件；變流電路也不再使用。圖4-2為雙PWM型變流器的主電路結構圖通過相對獨立的控制系統兩個變流器分別完成各自的功能。網側變流器的功能主要是在正常運行狀態下實現交流側輸入單位功率因數控制和保持直流環節電壓在各種狀態下穩定，使轉子側變流器以及整個雙饋風力發電機勵磁系統能夠可靠地工作。轉子側變流器的功能主要是通過對雙饋風力發電機轉子側電壓電流的控制，實現DFIG輸出有功、無功功率的解耦控制。(1)網側PWM變流器控制系統結構中，直流側電壓為其主要控制量，系統無論運行在何種狀態下都必須保證直流側電壓的恒定，而且，在像低壓穿越運行等特殊情況下需要對網側變流器的無功功率輸出進行控制，從而可對電網進行無功補償。網側PWM變流器的控制策略可以采用基于電網電壓定向的矢量控制策略，使直流母線電壓保持恒定。由于可以將電網電壓的頻率和幅值看作近似恒定的，當電網與網側PWM變流器相接后，也可將電網與網側PWM變流器連接處的三相交流電壓的頻率和幅值看作是恒定的，所以網側PWM變流器在以網電壓基波角頻率ωe為旋轉角速度的同步旋轉坐標系下的電壓矢量Um可以被看作是恒定的。網側PWM變流器采用以電流為內環、直流電壓與無功功率為外環的雙閉環控制結構來設計其矢量控制系統，其中內外環均采用PI調節器。(2)轉子側PWM變流器控制系統結構中是對雙饋發電機輸出給電網的有功功率和無功功率進行控制，有功部分為了實現有功功率的最大輸出必須跟隨輸入發電機的機械功率，而無功部分輸出功率的功率因數必須根據電網的需求來進行調節，其主要實現方法有轉子電流矢量控制和直接功率控制這兩種，他們各自都有優缺點。雙饋風力發電機的轉子電流矢量控制可以分為兩種：定子電壓定向和定子磁鏈定向。與定子磁鏈定向相比，基于定子電壓定向的矢量控制方法類似于基于電網電壓定向的矢量控制，這樣可以實現雙PWM變流器系統的整體控制結構的簡化；而且可能產生更多的無功功率，并且此控制方法不需要測量定子磁鏈，使可能出現的誤差得以減小。所以本文轉子側PWM變流器的控制系統可設計為基于定子電壓定向矢量控制的系統結構。當電網與雙饋風力發電機的定子相接后，電網電壓即為定子電壓，由于可以將電網電壓的頻率和幅值看作近似恒定，所以定子三相電壓矢量在同步旋轉坐標系下的電壓矢量Us也可看作恒定；與此同時在同步旋轉坐標系下的定子磁鏈也可以認定是不變的。相對于電網而言，由于雙饋發電機定子繞組的電阻壓降可以被忽略不計。雙饋風力發電機通過控制轉子電流，可以使雙饋發電機定子側輸出獨立解耦的有功功率和無功功率。故采用以電流為內環、功率為外環的雙閉環控制系統結構來設計轉子側PWM變流器的矢量控制系統，其中內外環都采用PI調節器。4.2雙饋風力發電機仿真模型的建立4.2.1轉子側變換器模塊圖4-3轉子側滯環電流控制的仿真模型在變速恒頻的雙饋感應風力發電系統屮,通過控制轉子的勵磁電流來使定子輸出的頻率穩定,通過獨立地控制轉子的有功、無功電流分量實現有功功率、無功功率的解稱控制。因此對轉子電流的控制非常關鍵。所以本文采用直接電流控制技術。隨機PWM,滯環電流PWM控制都是直接電流控制。隨機PWM技術的優點是控制方法簡單,電流的跟隨性好,缺點是采用隨機PWM技術時產生的電流與實際電流存在比較大的幅值誤差,相位也有一定程度的滯后。滯環電流PWM控制技術的本質是通過上下橋臂的輪流開斷強迫實際電流在一個滯環帶內跟蹤指令電流信號,從而產生信號觸發電IE源變換器,實現對電流的控制。因PWM的幵關頻率隨交流屯壓波動,因此電流跟蹤的偏差幾>1、變。因此具有動態響應快,對電壓波動不敏感的優點。4.2.2電網側變換器模塊圖4-4網側變換器雙閉環矢量控制策略的仿真模型對雙饋風力發電系統網側變換器的控制采用電流外環,電流內環的雙環控制策略。先介紹電壓外環:直流母線指定電壓心和實測的反饋電壓相比較后的誤差經PI調節器輸出id。直流環節電壓的大小變化反映了交流側提供的有功功率與直流側消耗的有功功率的大小。當交流側提供的有功功率大于直流側消耗的有功功率吋,會使直流環節電壓升高id減小,網側變換器逆變運行,轉子側變換器整流運行。當交流側提供的有功功率小于直流側消耗的有功功率時,會使直流母線電壓降低,增大,網側變換器整流運行,轉子側變換器逆變運行。4.2.3電源圖4-5電壓源參數4.2.4單輸入電平比較器圖4-6單輸入電平比較器參數4.2.5繞線轉子感應式電機圖4-7繞線轉子感應式電機參數4.2.6有功/無功功率器圖4-8功率器參數4.2.7控制面板組合：注意拖動之前定義好名稱及量稱等圖4-9控制面板4.3雙饋風力發電機仿真結果分析應用設計完成的控制系統,采用PSCAD/EMDTC/EMTDC電力系統仿真軟件,構建了包括風速模型、風力機模型、變速恒頻雙饋電機、雙PWM變換器在內的雙饋風力發電機仿真模型。采用了基于定子磁鏈定向矢量控制技術和電網電壓定向矢量控制技術的控制策略,并將空間電壓矢量脈寬調制(SVPWM)和滯環控制策略用PSCAD/EMDTC仿真模型實現,最后將變速恒頻雙饋風力發電系統的模型通過輸電線路并入到無窮大電網,當風速變化時,利用PSCAD/EMDTC軟件對變速恒頻雙饋風力發電系統控制策略的性能進行仿真試驗。仿真實驗的結果表明,轉子側變換器采用定子磁鏈定向矢量控制技術,能夠實現定子輸出的有功功率和無功功率的解耦控制以及風能的最大跟蹤,且動態響應較快。網側變換器采用的電網電壓定向矢量控制技術,有效的控制了直流母線電壓的恒定,滿足了雙饋風力發電系統對控制方法的要求。仿真證明了所提控制方法的有效性和合理性。5結論在新能源和可再生能源技術的研究中,風能相對其他能源來說比較豐富,可以說是取之不盡,用之不竭的,利用起來成本也相對低。最近幾年,全球風力發電產業和發電技術發展迅速。我國風能資源豐富,最近幾年,我國加大風力產業的發展,在從事風電產業的技術工作人員的推動下,風力發電機技術得到了廣泛研究,風力發電產業蒸蒸F1上。為了扶持風力發電產業的發展,我國制定和出臺了大量的經濟獎勵政策,加大了對風電產業的補貼投入,把風力發電幵發納入國家能源中長期發展戰略規劃中去,把風能幵發作為國家可持續發展的-個重要組成部分。風能的幵發也得到各企業、研究院、設計院和高校廣泛的重視,紛紛大力研究風力發電技術,其中變速恒頻風力發電技術是當今世界風力發電的主趨勢,其技術還在研究當中,特別是兆瓦級以上的大型風力發電機組的變速恒頻技術由于對風能的利用率高,動態響應快,已經成為目前風力發電技術的熱點。我國在這項技術方面還處于起步發階段,還需不斷的引進新技術進行學習、利用,以及實現自主創新。本文就是在節約發電能源、增強環境保護、提高發電效率的大背景下,研究了目前流行的變速恒頻雙饋風力發電系統,采用仿真軟件PSCAD/EMDTC對系統進行了仿真。轉子側變換器采用定子磁鏈定向矢量控制技術,通過分別用轉子有功電流和無功電流來達到獨立解稱控制有功功率和無功功率的目的,并用滯環電流PWM控制技術實現對電流的直接控制,提高了系統動態響應性能。網側變換器采用電網電壓定向矢量控制技術,根據網側變換器的數學模型,構建了電流內環、電流外環的雙閉環PI控制系統,并把SVPWM(空間矢量脈寬調制)控制技術引入對網側變換器的控制中,以實現控制直流母線電壓的穩定、調節網側的功率因素的目的。6心得體會課程設計是本科學習階段一次非常難得的理論與實際相結合的機會，通過這次比較完整地設計出基于PSCAD雙饋電機，我擺脫了單純的理論知識學習狀態。通過實際設計相結合，鍛煉了我綜合運用所學的專業基礎知識，解決實際工程問題的能力，同時也提高我查閱文獻資料、設計手冊、設計規范以及電腦制圖等其他