风电并网仿真

风电并网课程作业

用digsilent软件仿真分析

含风电场的单机无穷大系统

的潮流与动态过程

班级：研电1105

姓名：郭威（1112201057）

李彦宾（1112201063）

0 仿真系统参数如下

双馈电机参数： 变压器参数：

额定容量S N =1.5MVA 额定容量S N =63MVA 额定电压U N =0.69kV 额定电压U N =242kV/10.5kV 正常转速n =1490.565rpm 短路损耗404kW 级对数 p=2 空载损耗93kW 惯性时间常数（集中参数）T J =5s 短路电压14.45% 定子电阻R s =0.00598989pu 空载电流2.41% 转子电抗x s =0.125pu 直流电容参数：

同步速时 C =48137.6μF E =1.15kV 转子电阻R r =0.00619137pu 系统参数：

转子电抗x r =0.105368pu 无限大系统: f =50Hz 静止时 负荷参数：

转子电阻R r =0.02623123pu P=35MW ，cos Φ=0.9 输电线路：LGJ400，200km, r1=0.08 Ω/km,x1=0.04 Ω/km.

变压器参数计算：选择电力变压器型号为SSPL-63000/220，额定容量为63000kVA ，额定电压242±2?2.5%kV ，低压10.5kV ，短路损耗404kW ，空载损耗93kW ，短路电压14.45%，空载电流2.41%，经过计算：

Ω=??==96.5631000242404100022

2N N K T S U P R Ω=??==33.1346310024245.14100%22

N N k T S U U X

S U P G N

T 6

22010588.12421000931000-?=?=?=

S U S I B N

N T 52201059.22421006341.2100%-?=??==

搭建的单机无穷大系统潮流图，该系统中无穷大系统由内阻为0、电压标么值为1的50Hz 交流电压源进行等值。发电机采用经典二阶模型。设Xd ’后暂态电势E ’恒定、机械功率Pm 恒定，D 为定常阻尼系数，忽略线路损耗及分布电容，则对于单机无穷大系统有如下运动方程：

(1)1m e d M P P D dt d dt ω

ωδω?=---???

?=-??

下图中是digsilent潮流计算之后的潮流图(单线图)，图中记录了母线电压、相角以及标幺值，而变压器与线路都显示了有功、无功及负载率。

图0-1 单机无穷大系统拓扑图

加入由10台同型号，容量为1.5MW的DFIG构成的风电场之后，含风电场的完整系统拓扑图为：

图0-2 风机并网后的拓扑图

上图中，我们将风电场直接并入220kV的单机无穷大的系统内，其中风电场的风机是双馈风机，采用一个三绕组变压器（220kV/0.69kV/0.69kV）将控制回路（背靠背系统）与发电机的定子输出相分离，从而使风电厂的可靠性增强。

1 含风电场的单机无穷大系统潮流图

图0-3 风机并网后的潮流计算图

在digsilent中，由上图看出双馈电机的转子直接接到了一个直流母线上缺少了转子侧变流器的逆变作用，而不是我们所学习的转子通入三相交流电源，实际上在digsilent中原理上仍然是转子通入三相交流电，只是我们通过搭建模块将转子变流器以及其控制策略集成在控

制模块中，所以在拓扑结构图中没有显示出来。

2 双馈机的基本原理

双馈机的等值电路如图2-1所示。

图2-1双馈机等值电路

其中jX m 为激磁电抗，R s +jX s 为定子阻抗，R r 为转子电阻，X r 为转子漏抗，r

U 为转子电压，以上所有转子量均为折算到定子侧的数值。

忽略定子电阻，从定子侧输入的电磁功率可表示为

]Re[112r r r r s I U s

R I s P -=

(1)

其中前面一项对应一般异步电机的电磁功率，该值完全取决于异步电机的滑差，滑差为正时吸收电磁功率，运行于电动机状态；滑差为负时发出电磁功率，运行于发电机状态。双馈机则可以通过控制后面一项，使得电机的滑差为正时也能实现发电；实际中，双馈发电机的转速变化范围可达同步速的±30%。式（1）也表明，双馈机的定子功率控制是通过调节转子回路的励磁电压或电流实现的，具体调节过程通过矢量控制技术实现。

从双馈机转子输出到电网的电磁功率为

2]Re[r r s r r r R I sP I U P -=-= (2)

忽略转子损耗，则有

s r sP P = (3)

即在忽略双馈电机定子和转子损耗的条件下，通过转子回路馈入电网的功率为通过电网流入定子回路功率的s 倍。据图2-1所示的参考方向，有

r m s P P P += (4)

由式（3）和（4），可以得到

s m P s P )1(-= (5)

式（3）和（5）即构成了双馈机的功率关系方程。

当0＜s ＜1时，双馈机运行于亚同步状态；当s ＞1时，双馈机运行于超同步状态，

不同运行状态下双馈机的实际功率流向如图12所示。

(a) 亚同步发电 (b) 亚同步电动

(c) 超同步发电 (d) 超同步电动

图2-2 不同运行状态下双馈机功率流向

由图2-2可知，不论是发电机状态还是电动机状态，亚同步运行时双馈机的定子功率和转子功率流向相反；超同步运行时双馈机的定子功率和转子功率流向相同。实际上，双馈机在滑差为0的情况下也可实现发电，这时转子回路电流频率为0，即为直流电，而转子回路馈入电网的有功功率为0，双馈机的运行状态等同于同步发电机；由于其特殊性，一般不将其列为一种独立的运行状态。

从第一部分的潮流图可知，转子功率和定子功率都往电网流，可见DFIG 处于超同步状态，转子转速大于同步速。

双馈机的dq 电压、磁链方程如下：

rq

r rd rq rq rd r rq rd rd sq s sd sq sq sd s sq sd sd i R s p u i R s p u i R p u i R p u ++=+-=++=+-=ψωψψωψψωψψωψ1111 （6）

sq

m rd r rq sd m rd r rd rq m sq s sq rd m sd s sd i L i L i L i L i L i L i L i L +=+=+=+=ψψψψ

由于双馈机的定子接在频率恒定的大电网上，定子电阻比电抗小很多，可以忽略不计，

这时定子磁链与定子电压矢量近似互相垂直。把dq 坐标系的d 轴定向在定子磁链上时，定子磁链的q 轴分量为0；这时d 向定子电压为0，而q 向定子电压为常数，即

1

1

00

u u u sq sd sq sd ====ψψψ (7)

将式（7）代入磁链方程，可以得到

s

rq m sq s rd

m sd L i L i L i L i -

=-=

1ψ (8)

在同步旋转坐标系下，有定子功率

)

(23

)(23

sd sq sq sd s sq sq sd sd s i u i u Q i u i u P +=+=

(9)

将（7）、（8）代入（9），可以得到

)

(2323111rd m s

s rq

s

m

s i L L u

Q i L L u P -=-

=ψ (10)

式（10）即构成了双馈机转子变流器矢量控制的数学模型。由式可见，在定子磁链或定子电压保持恒定时，定子有功功率与i rq 成正比，而定子无功功率则完全由i rd 决定；转子变流器矢量控制实现了定子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转子励磁控制的解耦，这就是转子变流器的矢量控制。

转子变流器的控制策略是功率、电流双闭环系统。在功率闭环中，有功功率P*的参考值可以根据风力机和双馈电机的特性按捕获最大风能的原则给出，无功Q*的参考值可以根据电网要求的最大功率因数需求设定，也可从发电机功率框图消耗的角度求得。反馈功率P ，Q 则是通过对发电机定子输出电压、电流检测和坐标旋转变换后计算求得；P*、Q*的参考值与反馈值先进行比较、差值再经过PI 型功率调节器运算，输出定子电流有功分量及无功分量的参考值，通过计算又可得出转子电流的有功分量和无功分量的参考值和，将它们与转子电流反馈值进行电流控制（PI 调节），可以得到相应的有功无功的改变值，然后通过坐标变换，得到控制PWM 的调制信号，从而使得通过调节电流

就能调节发电机发出有功功率和无功功率。

图2-3 基于定子磁链定向的DFIG 的P 、Q 解耦矢量控制策略

利用该原理我们得到digsilent 中转子变流器的控制策略框图：

图2-4 digsilent 中转子变流器矢量控制模块

网侧PWM 变换器的主要功能是保持直流母线的电压稳定、输入电流正弦和控制输入功率因数。这直接取决于直流侧和交流侧有功功率是否平衡。如果能控制交流侧输入的有功功率，就能保持直流母线电压的稳定。由于电网电压基本上是恒定，所以对交流侧有功功率的控制

实际上就是对输入电流有功分量的控制。输入功率因数的控制就是对输入电流无功分量的控制。

通过PARK 变换我们可以实现解耦控制，从而控制id 与iq 可分别控制有功和无功功率，从而控制直流环节电压和交流侧功率因数。

网侧变换器机侧变换器

N

图2-5 基于定子电压定向矢量控制策略

在digsilent 中相对应的网侧变流器的控制模块为：

图2-6digsilent 中网侧变流器的控制模块

3 动态仿真

故障前双馈机运行于超同步发电状态ωr =1.2p.u.，为了便于分析假设风速保持恒定不变。双馈机并网处发生三相金属瞬时性短路，故障发生时刻为25s，持续200ms后故障消失，仿真结果如图0-图10所示。

图0 风速数据

图1 转子转速

图2 电磁转矩

图3 定子电压

图4 定子有功

图5 定子无功

图6 转子d轴电流

图7 转子q轴电流

图8 转子电流

图9 定子电流

图10 直流电压

3.1 仿真结果分析

故障后双馈机的电磁转矩急剧下降，而此时风速保持恒定，可认为输入机械转矩保持不变，发电机转子转速将迅速上升到一个较大的值。定子输出有功功率取决于机端电压，两者的变化轨迹趋近于一致，都是先降后恢复。定子电流和转子电流均出现过电流，与此同时变流器中的直流电容出现过电压。

3.1.1 定子功率分析

首先分析定子有功功率：

)

(2323111rd m s

s rq

s

m

s i L L u

Q i L L u P -=-

=ψ （10）

可知，定子有功与定子电压（定子磁链）成正比，故障后定子磁链的减小造成定子有功功率数值上减小。

下面来分析定子无功功率。双馈机的运行性能一大优点就是双馈机可以实现无功功率的控制及有功和无功控制的解耦。由上式（10）可知，双馈机定子既可以从电网吸收无功功率，也可以向电网送出无功功率，而且其大小可以调节。当定子无功功率为0时，双馈机定子与电网间没有无功功率交换，这时应满足

m

s

rd L i ψ=

(11)

而定子回路发出和吸收无功功率的条件为

???

?

???<>，吸收无功功率，发出无功功率m s

rd m s rd L i L i ψψ (12) 系统故障时，定子磁链下降，由上式可知，将有s

rd m

i L ψ>

，此时定子回来将会发出大

量无功。这从图5可以看出。

3.1.2 故障电流分析

故障后双馈机的定子电流和转子电流如图8和图9所示。由于三相对称，只取其中一相分析。

由图8、9可见，故障后定、转子电流都包含有很大的直流分量且衰减很快，而衰减一段时间后又增大的现象则是由控制系统的作用引起的：故障后由于定子无功功率和转子转速的变化，引起i rd 和i rq 的变化，如图6和图7所示；可以看到，故障后i rd 变化不大而i rq 增大。

这就是故障后直流分量衰减一段时间后开始增大的原因。

3.2 小结

本节用Disilent建立了完整的双馈机发电系统模型，对电网发生故障后双馈机的暂态特性进行了详尽的仿真和分析，可得到如下结论：

双馈机的矢量控制系统基于稳态运行状态设计，暂态过程中会出现一些不利于其运行的电磁暂态过程，主要为转子电流器的过电流和直流电容的过电压问题（当网侧输入的功率大于转子侧消耗的功率时，多余的功率会使直流母线电压升高；反之，会使电压降低。只要能快速地控制交流侧输入的有功电流分量，就可以控制有功功率的平衡，从而保持直流母线电压的稳定。）。出于经济和技术方面的考虑，一般双馈机变流器承受过电压和过电流的能力为其额定值的1.5倍；而由上面的仿真结果看出，在机端三相短路的情况下，双馈机转子电流达到了额定值的4倍以上，这显然是双馈机的变流器系统不能承受的。为了达到故障后保护双馈机变流器系统的目的，现在通用的做法是在转子回路装设撬棒保护：故障后撬棒保护动作将转子绕组短路，进而起到保护转子变流器的作用。

3.3 展望

鉴于初学该软件以及时间所限，在完全学懂DFIG控制策略及弄清内部各个变量的作用之后，可以进行如下的一些工作：

（1）完善风速模型，使其能够更好的模拟现实风速。

（2）投入crowbar保护，将得到的转子电流和电容电压与未投入时的转子电流和电容电压进行对比分析。

4 心得

在仿真过程中，改变其中的一个变量，往往就会引起很大的变动，所谓牵一发而动全身。我们在调节风速的模型时，正遇到了这样一个问题。通过一遍遍的排查变量的控制量和被控量，花费了大量时间和经历，同时请教了师兄师姐，最终在大家共同努力下，成功地解决了问题。

通过此次仿真，不仅对双馈风力发电机的基本原理和控制策略有了一个更直观的理解，也深刻体会到风电接入电网后面临的一些技术难题需要我们科研人员去进一步的解决，从而为风电，甚至其他类型的新能源并入电网提供一个强大的技术支撑。

通过这次作业，意识到独立思考和团队合作的重要性，以及如何解决一个问题的方法和途径，所以这些必将对我俩以后的研究生阶段产生巨大影响。