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1、应用应用PSCAD进行进行新能源系统仿真研究新能源系统仿真研究武汉大学电气工程学院武汉大学电气工程学院杨志淳杨志淳2012.06 应用应用PSCAD进行新能源系统仿真研究进行新能源系统仿真研究主要内容主要内容l 一、光伏发电系统工作原理及仿真一、光伏发电系统工作原理及仿真l 二、风力发电系统工作原理及仿真二、风力发电系统工作原理及仿真 2应用应用PSCAD进行新能源系统仿真研究进行新能源系统仿真研究 光伏发电系统一般由光伏阵列模块、逆变器光伏发电系统一般由光伏阵列模块、逆变器和控制器三部分组成。逆变器将光伏电池所产和控制器三部分组成。逆变器将光伏电池所产生的直流电能逆变为交流形式。控制器控制光
2、生的直流电能逆变为交流形式。控制器控制光伏电池最大功率点追踪、逆变器并网的功率和伏电池最大功率点追踪、逆变器并网的功率和电流的波形，从而使向电网或负载输送的功率电流的波形，从而使向电网或负载输送的功率与光伏阵列模块所发的最大电能功率相平衡。与光伏阵列模块所发的最大电能功率相平衡。一、光伏发电工作原理及仿真一、光伏发电工作原理及仿真3应用应用PSCAD进行新能源系统仿真研究进行新能源系统仿真研究光伏发电系统结构图光伏发电系统结构图1. 最左边的方框为光伏阵列模块，输出的电压为最左边的方框为光伏阵列模块，输出的电压为Vpv，电，电流为流为Ipv，功率为，功率为Ppv。2. Udcp为直流侧电容两端
3、的电压，为直流侧电容两端的电压，Ea/Eb/Ec为逆变器输出为逆变器输出的电压。的电压。3.逆变器通过变压器以及滤波电容并入电网。逆变器通过变压器以及滤波电容并入电网。4应用应用PSCAD进行新能源系统仿真研究进行新能源系统仿真研究光光伏伏发发电电系系统统输输出出功功率率与与输输出出电电压压受受环环境境温温度度和和光光照照强强度度的的影影响响，产产生生非非线线性性变变化化，且且在在一一定定光光照照强强度度和和环环境境温温度度下下，其其输输出出功功率率与与电电压压的的曲曲线线只只有有一一个个最最大大功功率率点点（如如图图所所示示）。为为了了提提高高光光伏伏电电池池的的运运行行效效率率，就就要要保
4、保证证光光伏伏电池一直以最大功率运行。电池一直以最大功率运行。最大功率控制原理最大功率控制原理光伏阵列电压与功率关系光伏阵列电压与功率关系5应用应用PSCAD进行新能源系统仿真研究进行新能源系统仿真研究 目目前前最最常常用用的的最最大大功功率率追追踪踪方方法法有有干干扰扰法法、电电导导增增量量法法、滞滞环环比比较较法法等等，本本仿仿真真采采用用电电导导增增量量法法，其其流程如图所示。流程如图所示。电导增量法算法流程电导增量法算法流程最大功率控制流程最大功率控制流程6应用应用PSCAD进行新能源系统仿真研究进行新能源系统仿真研究 该该算算法法的的原原理理是是光光伏伏阵阵列列P-V曲曲线线在在功功
5、率率最最大大值值Pmax处的斜率为零，即处的斜率为零，即P=UI。将两端对。将两端对U求导可得：求导可得： 当当dI/dU-I/U时时增增加加电电压压U，当当dI/dU-I/U时时减减小小电电压压U，使使得得dI/dU=-I/U达达到到最最大大功功率率点点电电压压Umax，即即通通过过比比较较光光伏伏阵阵列列的的电电导导增增量量dI/dU和和瞬瞬时时电电导导-I/U来来调整工作点电压，从而实现最大功率追踪调整工作点电压，从而实现最大功率追踪.最大功率控制方法最大功率控制方法7应用应用PSCAD进行新能源系统仿真研究进行新能源系统仿真研究逆变器控制逆变器控制1. 逆变器采用双环控制，外环为功率控
6、制环，内环为电逆变器采用双环控制，外环为功率控制环，内环为电流控制环。流控制环。2. Pp/Qp分别为光伏发电系统输出的有功功率和无功功率。分别为光伏发电系统输出的有功功率和无功功率。3.Vd/Vq为参考电压的为参考电压的d/q分量，分量，Ud为最大功率点时的电为最大功率点时的电压；压；Id/Iq为逆变器输出的电流的为逆变器输出的电流的d/q分量。分量。8应用应用PSCAD进行新能源系统仿真研究进行新能源系统仿真研究电压电流关系曲线电压电流关系曲线电压电流关系曲线电压电流关系曲线图中以电压为图中以电压为X轴，以电轴，以电流为流为Y轴。得到电压轴。得到电压-电流曲线，电流曲线，从图中可以看出，当
7、电压在从图中可以看出，当电压在0.6kV左右时存在最大功率。左右时存在最大功率。9应用应用PSCAD进行新能源系统仿真研究进行新能源系统仿真研究图中，（图中，（a）和）和（b）都是以时间为为）都是以时间为为X轴，图（轴，图（a）以直流电）以直流电容两端的电压为容两端的电压为Y轴；轴；经过经过8s的振荡以后，直的振荡以后，直流电压稳定在设定值流电压稳定在设定值6.3kV。图（。图（b）以逆变）以逆变器输出的电压为器输出的电压为Y轴，轴，有效值为有效值为220V的标准正的标准正弦电压。弦电压。 （a） 直流电容电压直流电容电压 （b）光伏系统输出电压）光伏系统输出电压10应用应用PSCAD进行新能
8、源系统仿真研究进行新能源系统仿真研究图中，（图中，（a）和）和（b）都是以时间为为）都是以时间为为X轴，图（轴，图（a）以输出有）以输出有功功率的电压为功功率的电压为Y轴；轴；经过经过8s的振荡以后，直的振荡以后，直流电压稳定在设定值流电压稳定在设定值78kW。图（。图（b）以逆变）以逆变器输出电流的器输出电流的d/q轴分轴分量为量为Y轴。轴。图图 （a） 输出功率（输出功率（b）输出电流的）输出电流的d/q轴分量轴分量11应用应用PSCAD进行新能源系统仿真研究进行新能源系统仿真研究 风风力力发发电电有有多多种种不不同同的的发发电电机机组组，本本仿仿真真主主要要介介绍双馈风力发电机组。绍双馈
9、风力发电机组。 双双馈馈风风力力发发电电机机，即即双双馈馈异异步步发发电电机机是是在在普普通通绕绕线线形形异异步步感感应应电电机机的的基基础础上上外外加加了了连连接接在在转转子子滑滑环环与与定定子子之之间间的的四四象象限限变变频频器器及及其其控控制制系系统统而而构构成成的的。因因此此，双双馈馈异异步步发发电电机机可可以以看看成成是是一一个个具具有有打打开开 的的绕绕线线式式转转子子接接有有外外加加电电压压源源的的传传统统异异步步发发电电机机，此此外外加加电电压压源源通通过过变变频频器器引引入入，变变频频器器对对转转子子回回路路电电流流实实现现频频率、幅值和相位的调节，起到了励磁电源的作用。率、
10、幅值和相位的调节，起到了励磁电源的作用。二、风力发电工作原理及仿真二、风力发电工作原理及仿真 双双馈馈异异步步发发电电机机除除通通过过定定子子向向电电网网馈馈入入功功率率外外，还还通通过过部部分分功功率率变变频频器器与与电电网网之之间间交交换换转转差差功功率率，并并可可以以通通过过变变频频器器的的控控制制对对整整个个双双馈馈异异步步发发电电机机的的有有功功功率和无功功率分别进行控制。功率和无功功率分别进行控制。 12应用应用PSCAD进行新能源系统仿真研究进行新能源系统仿真研究风力发电系统结构图风力发电系统结构图1. 最上方的两个方块为电网侧逆变器和电流侧逆变器的最上方的两个方块为电网侧逆变器
11、和电流侧逆变器的 控制部分。控制部分。2. 中间部分为异步发电机部分。中间部分为异步发电机部分。3.最右方方块为风轮机部分。最右方方块为风轮机部分。13应用应用PSCAD进行新能源系统仿真研究进行新能源系统仿真研究在在双双馈馈风风力力发发电电机机中中，发发电电机机的的定定子子侧侧直直接接与与电电网网侧侧相相连连；转转子子侧侧采采用用三三相相对对称称绕绕组组，经经过过交交-直直-交交变变频频器器与与电电网网侧侧相相连连接接，以以提提供供发发电电机机交交流流励励磁磁，励励磁磁电电流流的的相相位位、幅幅值值、频频率率均均可可变变，其其中中励励磁磁频频率率为为转转差差频频率率。其其中中交交-直直-交交
12、变变频频器器为为双双PWM换换流流器器，可可实现四象限运行。实现四象限运行。电电网网侧侧换换流流器器的的主主要要任任务务是是保保证证电电流流波波形形和和功功率率因因数数满满足足要要求求以以及及保保证证直直流流母母线线电电压压的的稳稳定定，转转子子侧侧换换流流器器的的主主要要任任务务是是调调节节有有功功功功率率，实实现现最最大大风风能能捕捕获获以以及及为为转转子子回回路路提提供供励励磁磁，调调节节定定子子无无功功率。功功率。风风轮轮机机采采用用变变桨桨距距控控制制，当当风风速速小小于于额额定定风风速速时时，桨桨距距角角为为零零度度，采采用用最最大大功功率率跟跟踪踪策策略略来来实实现现最最大大风风
13、能能的的捕捕获获；当当风风速速增增加加到到大大于于额额定定风风速速时时，变变桨桨距距装装置置动动作作，桨桨距距角角逐逐渐渐变变大大，将将发发电电机机的的输输出出功功率率限限制制在在额额定定功功率率附附近近。但但由由于于风风轮轮机机的的转转动动惯惯量量较较大大，因因此变桨距装置动作具有一定的时延。此变桨距装置动作具有一定的时延。风力发电系统控制及仿真风力发电系统控制及仿真14应用应用PSCAD进行新能源系统仿真研究进行新能源系统仿真研究最大功率追踪控制最大功率追踪控制双馈风力发电机在变速运行区，即双馈风力发电机在变速运行区，即Cp恒定区的转速控制策略恒定区的转速控制策略如下：在如下：在Cp恒定区
14、采用的最大风能跟踪策略，如图所示，想要跟恒定区采用的最大风能跟踪策略，如图所示，想要跟踪踪Cpmax运行曲线，必须在风速变化时及时调整风力机叶片的转运行曲线，必须在风速变化时及时调整风力机叶片的转速速nw，使其叶尖速比保持不变，即保持最佳叶尖速比，使其叶尖速比保持不变，即保持最佳叶尖速比 opt，就可，就可以获得最佳的风能利用系数以获得最佳的风能利用系数Cpmax,也就能最大限度地捕获风能，也就能最大限度地捕获风能，这就是风力机的最大风这就是风力机的最大风 能能跟踪原理。可以通过控制跟踪原理。可以通过控制 发电机输出有功功率来调节发电机输出有功功率来调节 发电机的电磁转矩，进而调发电机的电磁转
15、矩，进而调 节发电机的转速。节发电机的转速。转速与功率曲线转速与功率曲线15应用应用PSCAD进行新能源系统仿真研究进行新能源系统仿真研究最大功率追踪控制结构图最大功率追踪控制结构图最大功率追踪控制最大功率追踪控制16应用应用PSCAD进行新能源系统仿真研究进行新能源系统仿真研究转子磁通角控制结构转子磁通角控制结构最大功率追踪控制最大功率追踪控制17应用应用PSCAD进行新能源系统仿真研究进行新能源系统仿真研究转子侧变换器矢量控制转子侧变换器矢量控制转子变流器矢量控制的目的是当定子磁链或定子电压保转子变流器矢量控制的目的是当定子磁链或定子电压保持恒定时，定子有功功率与转子电流的转矩分量持恒定时
16、，定子有功功率与转子电流的转矩分量irq成正比，成正比，而定子无功功率则完全由转子电流的励磁分量而定子无功功率则完全由转子电流的励磁分量ird决定。转子决定。转子换流器矢量控制实现了有功功率和无功功率控制的解耦，或换流器矢量控制实现了有功功率和无功功率控制的解耦，或者说实现了电磁转矩与定子励磁控制的解耦。者说实现了电磁转矩与定子励磁控制的解耦。转子侧换流器实现了双馈风力发电机定子有功功率和无转子侧换流器实现了双馈风力发电机定子有功功率和无功功率的解耦控制。转子电流的励磁分量功功率的解耦控制。转子电流的励磁分量ird和转矩分量和转矩分量irq分分别通过对定子无功功率的控制和实现最大风能捕捉策略来
17、得别通过对定子无功功率的控制和实现最大风能捕捉策略来得到。到。一般的控制策略中，为实现双馈风力发电机组的单位功一般的控制策略中，为实现双馈风力发电机组的单位功率因数控制，设定定子侧无功功率的参考值为率因数控制，设定定子侧无功功率的参考值为0。在最大风能。在最大风能跟踪策略实现中，将发电机转速和参考转速跟踪策略实现中，将发电机转速和参考转速 r_ref的偏差通的偏差通过过PI控制得到转子电流的转矩分量，其中控制得到转子电流的转矩分量，其中 r_ref是根据风速是根据风速与机组运行情况确定的对应最大捕获风能的转速。与机组运行情况确定的对应最大捕获风能的转速。18应用应用PSCAD进行新能源系统仿真
18、研究进行新能源系统仿真研究转子侧变换器矢量控制转子侧变换器矢量控制转子侧变换器电路图转子侧变换器电路图19应用应用PSCAD进行新能源系统仿真研究进行新能源系统仿真研究 转子侧变换器的控制电路转子侧变换器的控制电路转子侧变换器矢量控制转子侧变换器矢量控制20应用应用PSCAD进行新能源系统仿真研究进行新能源系统仿真研究电网侧换流器的控制采用了基于电网电压定向的矢量控制方电网侧换流器的控制采用了基于电网电压定向的矢量控制方案，此矢量控制方案用于电网与电网侧换流器之间传输的有功功案，此矢量控制方案用于电网与电网侧换流器之间传输的有功功率和无功功率的解耦控制。其中电网侧换流器电流的直轴分量用率和无功
19、功率的解耦控制。其中电网侧换流器电流的直轴分量用来控制直流母线电压保持恒定，而交轴分量用来控制电网侧换流来控制直流母线电压保持恒定，而交轴分量用来控制电网侧换流器与电网之间的无功功率的交换。器与电网之间的无功功率的交换。电网侧变换器矢量控制电网侧变换器矢量控制 电网侧变换器电路图电网侧变换器电路图21应用应用PSCAD进行新能源系统仿真研究进行新能源系统仿真研究 abc三相静止坐标系下建立电网侧变换器的数学模型为：三相静止坐标系下建立电网侧变换器的数学模型为： 转子转子dq0旋转坐标系下数学模型为：旋转坐标系下数学模型为： 由于换流变压器采用了零序分量消除设计，因此上式可以写为：由于换流变压器
20、采用了零序分量消除设计，因此上式可以写为：22应用应用PSCAD进行新能源系统仿真研究进行新能源系统仿真研究 网侧换流器和电网之间交换的功率，即转子功率可表示为：网侧换流器和电网之间交换的功率，即转子功率可表示为： 由于采用电网电压定向的矢量控制方案，参考坐标系的由于采用电网电压定向的矢量控制方案，参考坐标系的d轴轴方向与电网电压一致，方向与电网电压一致，q轴沿旋转方向超前轴沿旋转方向超前d轴轴90，即有：，即有：由此，上两式可写成：由此，上两式可写成：23应用应用PSCAD进行新能源系统仿真研究进行新能源系统仿真研究 对于直流回路中的对于直流回路中的电容器电容器C，两端电压电流表达式为：，两
21、端电压电流表达式为： 由此可见，在电网电压保持恒定时，转子有功功由此可见，在电网电压保持恒定时，转子有功功率与率与ild成比例，而转子无功功率则与成比例，而转子无功功率则与ilq成比例，网侧成比例，网侧换流器实现了转子有功功率和无功功率的解耦控制。换流器实现了转子有功功率和无功功率的解耦控制。 根据以上分析，得出网侧换流器的矢量控制结构根据以上分析，得出网侧换流器的矢量控制结构示意图如下：示意图如下：24应用应用PSCAD进行新能源系统仿真研究进行新能源系统仿真研究电压的电压的dq分量转换成分量转换成abc分量分量abc三相电流转换成三相电流转换成dq分量分量电网侧变换器矢量控制电网侧变换器矢
22、量控制25应用应用PSCAD进行新能源系统仿真研究进行新能源系统仿真研究电流控制器结构图电流控制器结构图电网侧变换器矢量控制电网侧变换器矢量控制26应用应用PSCAD进行新能源系统仿真研究进行新能源系统仿真研究风力发电系统仿真风力发电系统仿真图中，（图中，（a）和）和（b）都是以时间为为）都是以时间为为X轴，图（轴，图（a）以输出的有）以输出的有功和无功为功和无功为Y轴；经过轴；经过0.2s的振荡以后，有功稳的振荡以后，有功稳定在定在6.3kW，无功稳定，无功稳定在在0kVar。图（。图（b）以逆）以逆变器输出的电压为变器输出的电压为Y轴。轴。（a）输出功率）输出功率 （b） 输出电压输出电压27应用应用PSCAD进行新能源系统仿真研究进行新能源系统仿真研究风力发电系统仿真风力发电系统仿真输出电流的输出电流的dq轴分量轴分量（a）直流电容电压）直流电容电压（b） 输出电压的输出电压的dq轴分量轴分量28应用应用PSCAD进行新能源系统仿真研究进行新能源系统仿真研究谢谢！谢谢！29
