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1、风力发电机组监测与控制课程设计说明书基于PSCAD勺双馈风力发电系统的建模与仿真专 业 新能源科学与工程学生姓名至埋班级能源111学号 1110604120指导教师张兰红完成日期 2021年1月10 日摘要电力是国家的支柱能源和工业经济命脉，经济的飞速开展而导致用电量的急剧增 加和国内各大型电厂的建设投产将出现大规模的联合供电系统，这样的供电系统的建立将带来巨大的经济和社会效益，但是，如何保证系统平安、稳定、经济的运行以及 保障供电质量是摆在电力科技人员面前的一个重大而迫切的问题。本论文首先介绍了 STATCOM具体的工作原理，对 STATCOM的电路结构及其 无功补偿的原理进行了分析。然后，
2、通过数学推导建立了 STATCOM在abc坐标系以 及dq0坐标系下的数学模型，并表达了本文所采用的常规欠量控制策略的具体控制方 法。分析了双馈型风电场接入输电系统后的暂态特性以及对电力系统暂态稳定性的 影响。基丁 PSCAD仿真平台建立了风力机模型和双馈型发电机组的动态数学模型， 在换流器建模方面，转子侧换流器的欠量控制实现了有功功率和无功功率的解耦控 制，网络侧换流器的欠量控制实现了直流母线电压保持包定以及调节输入系统的无功 功率。关键词：风电场；双馈型发电机；暂态稳定;盐城工学院课程设计说明书(2021)目 录目 录11弓I言22 PSCAD软件简介 33 PSCAD样例说明 43.1
3、STATCOM功能与工作原理分析 43.2 STATCOM仿真模型的建立过程 83.3 STATCOM仿真结果分析 124.1双馈风力发电机工作原理与控制方法 144.1.1定子磁链定向欠量控制 194.1.2定子磁链观测234.2双馈风力发电机仿真模型的建立 244.3双馈风力发电机仿真结果分析 295仿真过程中遇到的问题及解决的方法 336结论357参考文献36附录37附录1: STATCOM原理图 37附录2: STATCOM仿真电路图 37附录3:双馈风力发电机原理图 38附录4:双馈风力发电机仿真电路图 38#1引言电力是国家的支柱能源和工业经济命脉，经济的飞速开展而导致用电量的急剧
4、增 加和国内各大型电厂的建设投产将出现大规模的联合供电系统，这样的供电系统的建立将带来巨大的经济和社会效益，但是，如何保证系统平安、稳定、经济的运行以及 保障供电质量是摆在电力科技人员面前的一个重大而迫切的问题。由丁配电网结构、 运行变化等原因，我国配电网损耗、电压合格率等技术指标与兴旺国家相比有很大差 距，由丁电压不合格等原因造成用户电器烧毁的现象仍然存在，而网损过高使得生产的珍贵电能白白浪费，而且影响电力企业的经济效益。在人们日常生活以及工业生产中， 感性负载所占据的比例增大，无功功率问题逐 渐成为电力系统和电力用户都十分关注的问题，也是近年来各方面关注的热点之一， 功率因数也是衡量电能质
5、量三大指标之一，功率因数也是衡量电能质量三大指标之 一。容性负载包括计算机、开关电源、电视、输电线路等，虽然所占比例不大，但是 对电力系统的影响也不容无视。输电线路的电感性无功功率小，由丁电容效应，输电 线路产生的的容性充电功率大丁输电线路吸收的电感性无功功率，必须满足电力系统无功平衡的需要，维持电力系统的电压水平，否那么电力系统电压过高，将无法保证安 全运行。2 PSCADB件简介PSCAD/EMTDC是当前国际上普遍流行的一种电磁暂态分析软件包，它主要用 来研究电力系统的暂态过程。该软件包也能适用丁一般电气电子线路以及可等价地用 电路来描述系统的仿真分析。该软件具有大规模的计算容量、完整而
6、准确的元件模型 库、稳定高效的计算内核、友好的界面和良好的开放性等特点。 特别是良好的图形用 户界面使得用户可通过图形添加的方式来解决一些复杂的电路功能，相对丁基丁数学模型的Matlab仿真软件而言，更易丁被人们接受。PSCAD/ EMTDC包括了电路、电力电子、电机等电气工程学科中常用的元件模 型，这些元件模型主要分布在以下元件库中：(1) 无源元件库(Passive Elements)集中参数电阻R、电感L、电容C;随时间 变化的电阻R、电感L、电容内；(2) 电源模块库(Sources Models：各种电压源、电流源和多相谐波源等(3) 变压器模块库(Transformer Model
7、s):各种单相、三相变压器；(4) 电机模块库(Machines):电动机、发电机等；(5) 测量仪器库(Meters):单相电压表、电流表、三相电压表(RMS)、瞬时有 功功率/无功功率表、频率表及相位(差)表；(6) 输入、输出模块库(I/O Devices):输入的两状态开关，输出示波器等；(7) 高压直流输电和柔性交流传输模块(HVDC & FACTS):包括二极管、晶 闸管、GT O、IGBT及单相桥、三相桥等(8) 控制系统模型库(Control System Modeling Functions):包含91种交/直流 控制、数字/模拟控制模型；此外，PSCAD/EMTDC还具有强
8、大的自定义功能，用户可以根据自己的需要创 建具有特定功能的电路模块。3 PSCAD羊例说明3.1 STATCO能与工作原理分析静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator,STATCOM),是目前最先进的 无功补偿技术，近年来随着电力电子开关技术的进步而逐渐兴起。STATCOM的原理是利用全控型大功率电力电子器件构成可控的电压源或电流源，使其输出电流超前或滞后系统电压90 ,从而对系统所需的无功进行动态补偿。早期有文献称之为静止无 功发生器(Static Var Generator, SVG。利用电力电子变流器进行无功补偿的可能性虽 然早在20年前就已经为人们所
9、认识，但限丁当时电力电子器件的耐压和功率水平， 无法制造出输电系统中具有实用价值的装置。直到近年来，尤其是高压大功率的门极 可关断晶闸管 GTO的出现，才极大的推动了 STATCOM的开发和应用。STATCOM 是并联型FACTS设备，它同基丁可控电抗器和投切电容器的传统静止无功补偿器 SVC相比，性能上具有极大的优越性，越来越得到广泛的重视，必将取代SVC成为新一代的无功电压控制设备。从理论上分析，STATCOM的直流侧可以采用电容或者电感两种形式。因此，其根本拓扑结构分为电压源型和电流源型，分别如图3-1、3-2所示：图3-1电压源型 STATCOM图3-2 电流源型 STATCOM实际上
10、，目前STATCOM装置中研究最深入、应用最广泛是电压源型逆变器结 构，原因如下：1、电流源型逆变器的工作原理，需要采用具有对称特性的大功率开关器件，即双向电压阻断能力。而目前常用的可关断器件存在反向阻断能力差、导通损耗过大的问题；相比之下，电压源型逆变器那么不会受到该限制。2、电流源型逆变器直流侧储能电感不具备防止器件过电压的能力，因此需要安装额外的保护电路或者增大取值裕量； 相比之下，电压源型逆变器的直流电容本身具 备防止功率器件过电压的能力。3、电流源型逆变器的直流侧储能电抗在工作中会产生比拟大的损耗，给装置设计带来困难；而电压源型逆变器的储能电容损耗要小的多。电压源型逆变器具有的以上优
11、势使其成为目前条件下更合理的选择，因此本文主要研究基丁电压源型逆变电路 的STATCOM。电压源型STATCOM的工作原理，是通过可控的大功率电力电子开 关器件将直流侧电压进行逆变，从而在逆变器交流侧输出一个与电网同频的正弦电压。此时STATCOM可以视为一个与电网同步的并且灵活控制的交流电压源，其接 入系统时的等效电路如图3-3 :Load图3-3电压源型STATCOM接入系统的等效图图中U s为STATCOM 公共接入点(Point of Common Coupling, PCC)处系统电 压，u*为STATCO眼流侧逆变输出电压，L为连接电抗器，丁是STATCOMI置输 出的电流为： j
12、xoL进而得到STATCOM输出的单相视在功率为：. Us -* -j.L在理论上，STATCOMR对无功进行补偿，因此与电网之间不存在有功的往返。 然 而实际上由丁开关损耗以及电容和电抗上等效电阻的存在，STATCOM装置还是需要从电网吸收很小的有功电流以维持直流侧电压平衡。 由丁这局部有功相比无功非常微 小，因此在进行理论分析的时候一般忽略不计。最后近似认为STATCOM输出的电压Ui与电网电压u；相位相同，从而得到装置输出的单相无功功率为:=usQ = Im(S)= ImR* 土虹I j 也L )由以上分析可得，在正常工作时 STATCOMft有无功双向调节能力：即容性工况 和感性工况，
13、分别如下列图所示：感性无功图3-5 感性工况(1) 当UI Us，即STATCOM装置交流侧逆变电压幅值大丁系统电压幅值，此时流过电抗器的补偿电流超前系统电压900 , STATCOM装置向系统输出正的无功功率(Q0),处丁容性工况。(2) 当ui US，即STATCOM装置交流侧逆变电压幅值小丁系统电压幅值，此时电抗器上的补偿电流滞后系统电压900 , STATCOM装置向系统输出负的无功功率(Q ?.序； 册剧峋 M的grew ；话定.上和度府削哄滴利屈1YREF在估 白汗郴图3-9电压控制环检测算法的实现如图 3-10 3-113；数定义的载装频室，它M个素撕菖本频童，afiWH通过PLL模块得到电网电压相角wt用户定义的组件，诙组件是一个如即b用户必须指云植因子图3-10三角波形的交流电压的同步发电系统用户定文的纳件
