PSCAD中基于能量平衡关系的电弧炉负荷模型的参数
基于PSCAD的变速恒频双馈风电系统动态模型仿真
基于PSCAD的变速恒频双馈风电系统动态模型仿真田书;王泾良;李凯【摘要】为了建立双馈风电系统的动态仿真模型,根据abc-dq坐标变换得到了同步坐标系下双馈电机定、转子解耦数学模型,采用定子侧电压定向矢量控制,转子测定子磁链定向矢量技术,并引入滞环控制环节,研究了风速变化和电网电压跌落情况下双馈风电机组的运行特点.利用PSCAD软件建立了双馈风力发电机组的模型并进行仿真分析,结果表明,通过矢量控制可以改善系统的低电压穿越能力,验证了该控制方案和仿真模型的正确性和有效性.【期刊名称】《河南理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2014(033)005【总页数】5页(P655-659)【关键词】双馈风电系统;PSCAD;矢量控制;动态仿真;滞环控制【作者】田书;王泾良;李凯【作者单位】河南理工大学电气工程及其自动化学院,河南焦作454000;河南理工大学电气工程及其自动化学院,河南焦作454000【正文语种】中文【中图分类】TG706随着科学技术的飞速发展，风能已成为电力系统中增长最快的绿色可再生能源，风电装机容量和并网容量每年都在大幅度增长.其中，变速恒频双馈异步发电机以其动态响应快，有功和无功功率可独立调节，励磁变频器容量较小等特点，逐步发展成为风力发电的中坚力量.双馈感应风力发电机，定子绕组与电网直接相连，转子绕组经交直交变换器接入电网，以提供发电机交流励磁.由于励磁电流的幅值、相位和频率都是可变的，风速变化使电机转子转速做出相应变化，以实现风能最大利用率.同样，在电网电压跌落情况下，为了满足风电机组不脱网运行，也会引起双馈机组相应的变化即要求其具备低电压穿越能力.因此，如何实现风电机组在风速变化和电网电压跌落时快速平稳地恢复到正常运行状态,则必须对其控制策略进行研究[1-2].目前，双馈电机的动态响应特性及相应的控制策略已取得了一些研究成果.文献[3]提出不同风况下进入低电压穿越时，基于桨距角给定方式的控制策略和有功功率恢复策略；文献[4]研究了双馈风力发电系统转子测PI电流控制策略，对PI控制器参数进行重新计算选择；文献[5]提出了基于全模糊控制器的交流励磁发电机的励磁控制系统，提出了一种不依赖交流励磁发电机精确数学模型的控制方案；文献[6]基于虚拟磁链的PWM整流器直接功率控制进行研究，与传统直接功率控制相比，不仅简化了控制系统结构而且具有更优的瞬时功率静动态控制特性.本文主要采用电网电压定向控制策略对双馈发电机进行了理论和仿真，以PSCAD 软件作为仿真平台，建立变速恒频双馈风力发电系统的仿真模型，并在此数学模型上运用该控制策略进行仿真，验证当风速变化和电网电压跌落时仿真动态模型和控制策略的有效性.为了分析系统特性，设计控制方法，则必须建立该系统的模型.通过坐标变换，将三相静止abc坐标系下的双馈电机方程转化到两相同步旋转dq坐标系下，得到双馈感应电机d-q轴数学模型.双馈电机电压方程式中：ρ为微分算子；ω1为定子旋转速度；ωr为转子旋转速度；ωs为d-q坐标系相对于转子的转差电气角速度，ωs=ω1-ωr；Rs和Rr为定子、转子绕组电阻；usd，usq，urd，urq为定转子电压d,q轴分量；ψsd，ψsq，ψrd，ψrq为定转子磁链d，q轴分量.双馈电机的磁链方程式中：Lm为定子、转子之间的互感；Ls为自感,Ls=Lsl+Lm；Lr为漏感，Lr=Lrl+Lm.将两相同步旋转dq坐标系下的磁链方程代入电压方程，得双馈电机的电磁转矩方程为式中： Te为发电机电磁转矩；np为双馈电机的极对数.双馈电机输出的有功和无功功率分别为从有功功率Ps 以及无功功率Qs的表达式(5)可知定子、转子在d-q轴上的电压分量、电流分量是耦合的.2.1 PQ解耦为了实现双馈电机定子绕组的PQ解耦控制，采用定子磁链定向的矢量控制技术把双馈电机定子电流分解成相互之间没有耦合的两个分量.通过控制这两个分量，实现有功、无功功率的解耦控制.由于稳态运行时，发电机定子绕组上的压降相对于定子电抗上的压降和电机反电势而言可以忽略不计，因此可以不考虑定子电阻的影响，即Rs=0，定子总磁链与端电压矢量相位相差90°，所以双馈电机就能以定子磁链定向，简化了矢量控制系统.在定子磁链定向情况下，定子磁链在d,q轴上分量为0， d轴和定子磁链ψs方向重合，q轴和定子电压方向重合，即可得将式(6)代入定子磁链方程(2)，式(7)代入定子电压方程(1)，可得到定子绕组的有功功率和无功功率方程为由式(8)可知，Ps和Qs 分别与转子电流q轴分量irq，d轴分量ird成线性关系，由于转子电流有irq和无功分量ird之间不存在耦合关系，因此,通过独立调节irq和ird，就可以对双馈电机输出的有功功率和无功功率进行解耦控制，实现转子侧变换器的控制目标.2.2 滞环控制目前研究中，双馈电机转子测变换器多采用PWM或SVPWM矢量控制技术实现对irq和ird独立调节，该控制过程在得到转子励磁电流指令后转化为转子电压指令然后再进行控制.而使用滞环控制器，电流指令图2)无需再进行电压补偿环节得到电压指令，直接跟踪电流，达到对电流的控制，省略了转子电流指令再解耦和电压补偿的环节，简化了矢量控制环节.滞环控制原理如图1所示.当实测值i<iref+h时，逆变器上桥臂导通，使i增大；反之，当i>iref+h时，逆变器下桥臂导通，使i减小.这样，通过上、下桥臂的轮流开关使实际电流信号在一个滞环带内跟踪指令电流信号，达到对电流的控制，即控制了双馈电机的有功功率和无功功率.2.3 矢量控制ird和irq2个控制通道组成了转子电流的控制，均采用积分比例调节器PI控制.将双馈电机输出的无功功率实际值Q与根据电网功率因数计算得出的参考值Q*比较后的差值送入PI调节器，输出转子电流无功分量的参考值；根据风速模型计算得到的有功功率实际值P与参考值P*比较后的差值送入PI调节器，输出电流有功分量经过2r/3s变换后得到电流参考指令再通过滞环控制，实现对有功功率和无功功率的解耦控制[7-8].其控制框图如图2所示.双馈电机运行状态的变化会引起直流侧电流的变化，从而引起直流侧电压的变化.当风速变化，直流侧电压也发生变化，使整个风电系统的性能恶化.因此，网侧变换器的主要控制目标是保持直流侧电压恒定.采用基于电网电压定向的网侧变换器矢量控制策略：网侧变换器采用双闭环控制，电压外环主要控制变换器的直流侧电压，直流电压给定与反馈的误差，经电压调节器计算有功电流，其值决定有功功率的大小.电流内环按照电压外环输出的电流指令进行电流控制，为实现功率因数为1的整流或逆变，应使无功电流分量为0.同时，电流控制器的输出再与电网电压补偿项计算后得到变换器参考电压，再进行坐标变换，利用该信号进行脉宽调制，产生驱动信号实现网侧变换器的控制[9].双馈电机网侧控制框图如图3所示.为了全面深入研究变速恒频双馈风力发电系统在风速变化和电网电压跌落时的运行特性，利用PSCAD软件建立其动态仿真模型.并针对风速变化和电网电压跌落两种情况分别进行仿真.具体仿真参数如表1所示.4.1 风速变化时的仿真分析初始风速为5 m/s，在4 s时升到8 m/s，然后在8 s时升至13 m/s，之后风速保持不变.仿真结果如图4所示.由图4可知，当风速发生变化时，转子的转速能够相对应地变化以便最大限度地捕获风能.在有功改变的同时，无功功率却基本保持不变为0，引入滞环控制的转子侧控制策略实现了双馈电机的有功和无功功率解耦控制，无功功率得到独立调节；直流侧电压基本保持在稳定状态下，实现了对直流母线电压恒定控制的目标；同时，在整个过程中转子电流的频率发生变化，而定子电流的频率保持不变，实现双馈电机的变速恒频.4.2 电压跌落时的仿真分析在电网故障中，单相对地短路故障是发生概率最高的故障，三相短路故障是危害最大的故障[10].本节主要针对三相对称短路故障造成的电压跌落情况进行仿真分析.故障前，双馈风电机组工作在额定运行状态，故障开始时间为2.5 s，持续0.5 s，整个期间风速保持在12 m/s，在3 s时电网电压恢复.分别对电压跌落10%和70%两种情况进行仿真，其结果如图5所示.由图5和图6可知，当电网发生三相对称短路故障导致电压跌落40%和70%时，在控制策略的作用下均能恢复到正常运行状态；故障时，双馈电机定子与电网直接相连，定子电压随着电网电压的变化而变化,转子电流出现了过电流现象；双馈电机的有功输出随着电压的降低急剧减小，无功输出在整个电网故障期间波动很大，在故障开始时刻，无功功率出现正向尖峰，说明双馈电机向电网输送一定的无功功率支撑系统；在故障结束时刻，无功功率出现负向尖峰，说时双馈电机从电网吸收一定的无功功率.通过图5与图6对比可知，电网电压跌落的幅度越大，电磁转矩、转子电流的瞬时峰值就越大，双馈电机输出的功率波动就越大，对双馈风力发电系统造成的安全威胁就越大.在分析双馈感应电机的数学模型的基础上，转子侧变换器采用引入滞环控制的定子磁链定向矢量控制策略，网侧变换器采用基于电网电压定向矢量控制策略，建立了双馈风力发电系统的动态模型，实现在风速变化和电网电压跌落情况下，对双馈风电系统的有效控制，改善了风电机组的低电压穿越能力.E-mail：************************【相关文献】[1] 凌志刚，李含善，高绢绢.并网型双馈风力发电机组的动态模型仿真研究[J].电气技术,2011(4):31-34.[2] 伍小杰，柴建云，王祥珩．变速恒频双馈风力发电系统交流励磁综述[J]．电力系统自动化，2004，28(23)：92-96.[3] 张永斌,袁海文.双馈风电机组低电压穿越主控系统控制策略[J].电力自动化设备，2012, 32(8)：106-112.[4] 阿布力孜.双馈感应风力发电系统电流控制策略研究[J]. 可再生能源,2013,31(7):33-36.[5] 姚骏,廖勇.基于全模糊控制器的交流励磁发电机励磁控制系统研究[J].中国电机工程学报，2007，27(33)：36-41.[6] 何致远,韦巍.基于虚拟磁链的PWM整流器直接功率控制研究[J]. 淅江大学学报：工学版，2004，38(12)：1619-1622.[7] 吴国祥，黄建明．变速恒频双馈风力发电运行综合控制策略[J]．电机与控制学报，2008，12(4)： 435-441.[8] 王红燕，任贤．双馈风力发电系统的建模与运行特性研究[J]．电力学报，2012，27(3)： 207-211.[9] 苏平．双馈感应风力发电机低电压穿越的研究与仿真分析[D]．西安：西安理工大学，2010.[10] 王伟，孙明冬，朱晓东．双馈式风力发电机低电压穿越技术分析[J]．电力系统自动化，2007，31(23)： 84-89.。
pscad参数
pscad参数
PScad参数是指在PScad电力系统仿真软件中使用的参数。
这
些参数用于定义电路元件的特性和电路的运行条件，从而进行电力系统仿真和分析。
一些常见的PSCad参数包括：
1. 电路元件参数：这些参数定义了电路元件的电气特性，如电阻、电感、电容等。
通过定义这些参数，可以模拟和分析不同类型的电路元件。
2. 输电线路参数：这些参数用于定义输电线路的参数，如电阻、电感、电容、电导等。
这些参数影响电力系统的传输和损耗特性。
3. 电源参数：这些参数定义了电力系统的电源特性，如电压、电流、频率等。
通过设置这些参数，可以模拟各种电力系统的供电条件。
4. 稳态参数：这些参数用于定义电力系统的稳态运行条件，如负载、电压等级等。
通过设置这些参数，可以模拟和分析电力系统的稳态行为。
5. 软件运行参数：这些参数用于定义PSCad软件的运行条件，如仿真时间步长、仿真模型等。
通过设置这些参数，可以控制仿真的准确性和效率。
需要注意的是，PSCad参数的具体设置和使用方法可能会因软件版本和具体应用而有所差异。
用户在使用PSCad时应参考软件的用户手册和相关文档。
电弧炉负荷的三相综合建模与参数辨识探讨
容 易 造成 电 网供 电运 行 中 出现 三 相 功 率 不平 衡 或 者 是 较
大程 度 的 电压 波 动 变化 、 电 网谐 波 、 电 压 闪变 等 问题 的产
生 ，从 而 对 于 电 网 的 安 全 稳 定 供 电 运 行 造 成 污 染 和 不 利 影 响， 成 为 电 力 系 统 工 作 运 行 中研 究 与 关 注 的 重 点 。 在 进
的， 其次， 电 弧炉 的三 相 交 流 电主 要 通 过 三 根 电 极 以及 三 相 电弧 、被 熔 金 属 等 ，形 成 电弧 炉 三 相 交 流 电 的三 相 通 路 。如 图 １和 图 ２所 示 ， 分 别 为 电弧炉 的 内部结 构 以及 电
特征 ， 建 立 了电弧 炉 负荷 变化 分 析 模 型 ， 对 电 弧 炉 负荷 变化 参 数 情 况进 行 辨 识 ， 是研 究分 析 电弧 炉 负荷 变化 运
行特 征 的有 效措 施 。 关键 词 ： 电 弧 炉 非 线 性 负荷 变 化
在 电力 系 统工 作 运行 中 ， 随着 电力事 业 的发 展 以及 供 电需 求 的 日益 提 升 ，导 致 电力 系 统 中的 非线 性 负荷 使 用
结 构 组 成 中 ，电弧 炉 的 电极 是 通 过 电 炉 变压 器 以及 电抗 器 、短 网 等 ，与 电 力 系 统 中 的 高 压 供 电 网 进 行 连 接 实 现
题 的 发 生 ，不 仅 对 于 电弧 炉 自身 的工 作 运行 状 态 造 成 不
利 作用 和影 响 ，而 且 还 容 易对 供 电系 统 中的其 他 运 行 负 荷 造成 不利 的作 用 和 影 响 ，是 电力 系 统 中研 究 与 关 注 的 重点 ， 在进 行 电弧 炉模 型构 建 ， 以实 现 对 电弧炉 工 作 运 行 特 性分 析 ，主要 就 是 结合 电弧 炉 内部 结 构组 成 进 行 模 型 设计 与 构 建 实现 的 。
基于pscad的双馈风力发电系统的建模与仿真
风力发电机组监测与控制课程设计说明书基于PSCAD 的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 李坤班级能源111学号20指导教师张兰红完成日期2015年1 月10 日摘要电力是国家的支柱能源和工业经济命脉，经济的飞速发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，如何保证系统安全、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，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，并叙述了本文所采用的常规矢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。
基于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，转子侧换流器的矢量控制实现了有功功率和无功功率的解耦控制，网络侧换流器的矢量控制实现了直流母线电压保持恒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；目录1 引言电力是国家的支柱能源和工业经济命脉，经济的飞速发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，如何保证系统安全、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。
由于配电网结构、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发达国家相比有很大差距，由于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宝贵电能白白浪费，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。
《电力系统继电保护》课程用输电线路PSCAD模型说明
《电力系统继电保护》课程用输电线路PSCAD模型说明山东大学本科继电保护课程 PSCAD 模型（线路保护用）刘世明 2010-7-28由学生上网下载PSCAD 的教学版本，运行本模型，可以演示线路故障前后电流、电压特性，尝试电流保护、距离保护、纵联保护等算法和逻辑。
电流速断保护 PSCAD 建模参数设置电源一参数设置电源一参数正序阻抗（小运行）正序阻抗（大运行）零序阻抗（小运行）零序阻抗（大运行）线电压有效值传输线 T1传输线 T1传输线 T2传输线 T2 由于短路故障发生在 T1T2 之间，因此通过调整 T1 T2 的线路长度值即可模拟在线路任意一点短路故障的情况。
短路故障可以设置的参数有三相、两相、单相、接地与否、接地电阻的阻值。
传输线 T1T2 参数选择贝瑞龙模型传输线 T3传输线 T3传输线 T3 参数选择贝瑞龙模型电源 2 设置正序阻抗（小运行）正序阻抗（大运行）零序阻抗（小运行）零序阻抗（大运行）线电压有效值快速傅里叶转换 FFT 模块 Va 为保护处 A 相电压的原始波形经过快速傅里叶转换后，分成基波、1 次谐波、2 次谐波等共 7 个波形。
经过数据选择器选择第一个波形即基波的波形，基波的有效值输出为MagVa。
Ph 为含有 7 个波形的相位值，同样只选择基波的相位，输出为PhVa。
保护处的其他电压电流的有效值、相角同理可得。
调整T1 T2 线路长度即可调整短路位置处于线路的百分比10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90%位置 kV kAUa Ub66.421 76.231117.439 133.557158.686 178.780193.228 215.781222.794 246.931248.617 273.757271.647 297.545293.406 318.053312.623 338.647Ia Ib4.570 4.5444.217 4.1193.921 3.7813.665 3.5003.441 3.2623.242 3.0553.062 2.8732.898 2.7102.749 2.563两相短路接地金属性最小运行方式不同短路位置处的保护安装处电流10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90%位置 kV kAUa Ia64.736 6.758117.721 6.135161.981 5.615199.693 5.172232.125 4.790260.640 4.456285.645 4.158310.404 3.894331.921 3.656三相短路接地金属性最大运行方式不同短路位置处的保护安装处电流两种运行方式短路电流曲线零序电流保护Ia Ib Ic 分别为保护处的三相电流此模块的功能是将三个电流波形相加并取其有效值此值便是零序电流有效值单相短路接地金属性 10%故障位置两相短路接地金属性 10%故障位置三相短路接地金属性 10%故障位置两相短路不接地 10%故障位置距离保护上图实现的运算为即的实部即后面接阻抗继电器当复平面上的点在圈内则使得 BRKmho 输出1其中取 0.95（忽略接地电容）则因此 mho 阻抗继电器的圆心为半径为 45.455381420% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90%位置R X0.053 5.9123.010 18.9506.180 38.2209.520 57.88013.020 77.98016.670 98.44020.420 119.26024.240 140.54028.045 162.12531.796 183.960A 相单相短路接地金属性不同短路位置处的测量阻抗值位置 kV kA0%10%20%30%40%50%60%70%90%R X1.750 4.8088.770 11.47016.575 22.22023.790 32.65030.540 42.90037.050 53.10043.300 63.28049.485 73.60055.578 84.12061.660 94.890AB 两相短路接地金属性不同短路位置处的 A 相测量阻抗值位置 kV kA0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%R X-1.648 4.901-6.046 15.610-12.170 29.998-18.178 43.595-24.140 56.750-30.060 69.620-35.840 82.140-41.610 94.760-47.340 107.400-53.040 120.160AB 两相短路接地金属性不同短路位置处的 B 相测量阻抗值位置 kV kA0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%R X0 3.85000.2815 9.5680.545 19.1600.850 28.8201.140 38.5401.420 48.4501.710 58.4702.030 68.6702.350 79.1002.690 89.810ABC 三相短路接地金属性不同短路位置处的测量阻抗值纵联电流差动保护实现实现单相接地金属性短路 T1 长度 363KM 短路处于被保护线路外部在保护安装处的前端Ia Ia1 分别表示 Im 和 In 即 M N 侧的电流Ir Ires 差动电流与制动电流短路处于被保护线路外部在保护安装处的后端Ir Ires 差动电流与制动电流短路处于被保护线路外部在保护安装处的后端并且 T1=181.5KM 即相隔保护安装处181.5kmIr Ires 差动电流与制动电流短路处于被保护线路内部调整 T1 T2 距离实现短路位置的变化下列图为在不同短路位置处的 Ir Ires 关系图 0% 10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%。
PSCAD中的发电机模型
1.Synchronous Machine（同步机）本组件有一选项是可以模拟Q轴的两个阻尼绕组，因此它可以作为隐极极或者凸极机使用。
其速度可以由给“w”输入一个正值直接控制，或者将机械转矩输入到“Tm”上。
使用此组件模拟同步机有许多优势。
对于一般应用，那些标注为“Advanced”的参数可以不用修改直接采用默认值，这样做不会改变设备的特性.本组件的这些特点主要是为了初始化仿真以及更快的达到期望的稳态.期望的稳态由潮流可知。
在仿真中一旦达到稳态，可能就要使用故障、扰动等等来看看系统的暂态响应。
2.Squirrel Cage Induction Machine（鼠笼感应电动机）本组件可以运行于“速度控制"或“转矩控制”模式下。
在“速度控制”模式下，电动机按照输入“W”的规定速度运转。
在转矩控制模式下，速度根据设备的惯性、阻尼和输入转矩、输出转矩求得。
通常，此型电动机在启动时采用“速度控制”,输入“W”取值为额定标么转速（0。
98），在电动机最初的暂态结束(过渡到稳态）后采用转矩控制。
本组件可以和“Multi—Mass Torsional Shaft Interface”组件配合使用。
3.Wound Rotor Induction Machine(绕线转子感应电动机）此感应电动机可采用“速度控制”和“转矩控制”模式运行.通常，通常，此型电动机在启动时采用“速度控制”，输入“W”取值为额定标么转速（0.98），在电动机最初的暂态结束（过渡到稳态）后采用转矩控制。
本组件可以和“Multi-Mass Torsional Shaft Interface”组件配合使用。
4.Two Winding DC Machine（两绕组直流电机）本绕组模拟了两绕组直流电机。
如果外部接线正确的话,电枢绕组两端(right side + and -），磁场绕组两端（top + and —)。
这样可以满足孤立励磁机、并联或串联电机仿真的需要。
基于PSCAD仿真的DSTATCOM无功补偿研究(自己).kdh
第一章 绪论1.1 课题研究的意义电力是国家的支柱能源和工业经济命脉，经济的飞速发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，如何保证系统安全、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。
由于配电网结构、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发达国家相比有很大差距，由于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宝贵电能白白浪费，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忽视。
输电线路的电感性无功功率小，由于电容效应，输电线路产生的的容性充电功率大于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，否则电力系统电压过高，将无法保证安全运行。
无功功率对电网的影响主要有以下几个方面： （1）增加设备容量无功功率的增加，会导致电流增大和视在功率的增加，从而使发电机、变压器及其他电气设备容量和导线容量增加。
同时，电力用户的起动及控制设备、测量仪表的尺寸和规格也要加大。
（2）设备及线路损耗增加无功功率的增加，使总电流增大，因而使设备及线路的损耗增加。
设线路总电流为I=I P +I Q ,线路电阻为R ，则线路损耗△P 为：()22222pq2P Q P I R I IR RU+∆==+=（1.1）式1.1中，（Q 2/U 2）×R 这一部分损耗就是无功功率引起的。
（3）使线路及变压器的电压降增大，如果是冲击性无功功率负载，还会使电压产生剧烈的波动，使供电质量严重下降。
基于PSCAD的变速恒频双馈风电系统建模与仿真
2009年11月第16卷第6期控制工程C o n t r o l E n g i n e e r i n g o f C h i n a N o v .2009V o l .16,N o .6文章编号:1671-7848(2009)06-0771-04 收稿日期:2009-06-09; 收修定稿日期:2009-09-03 基金项目:国家博士后基金资助项目(20080440154);江苏省博士后基金资助项目(0802004B ) 作者简介:潘庭龙(1976-),男,江苏建湖人,副教授,博士,主要从事风力发电控制技术、功率变换技术等方面的教学与科研工作。
基于P S C A D 的变速恒频双馈风电系统建模与仿真潘庭龙,纪志成(江南大学电气自动化研究所,江苏无锡 214122)摘 要:为研究变速恒频双馈风电系统的各种高性能控制策略提供有效的动态仿真与分析平台,并克服M a t l a b 仿真环境下所建的模型在动态性能方面存在的不足,采用P S C A D 仿真软件建立了变速恒频双馈风电系统的动态仿真模型。
基于P S C A D 的变速恒频双馈风电系统模型由风机、双馈发电机、功率变换器、控制模块构成,在建立的模型基础上,针对电网电压正常情况以及电网电压发生对称、不对称故障时系统的运行特性进行了仿真研究,仿真结果证明了系统模型的正确性。
关 键 词:P S C A D ;变速恒频;双馈风电系统;动态仿真模型中图分类号:T P 27 文献标识码:AM o d e l i n g a n d S i m u l a t i o n o f V a r i a b l e S p e e d C o n s t a n t F r e q u e n c y D o u b l y -F e d W i n d P o w e r G e n e r a t i o n S y s t e mB a s e d o n P S C A DP a n T i n g -l o n g ,J i Z h i -c h e n g(I n s t i t u t e o f E l e c t r i c a l A u t o m a t i o n ,J i a n g n a n U n i v e r s i t y ,W u x i 214122,C h i n a )A b s t r a c t :T o e s t a b l i s h a ne f f i c i e n t s i m u l a t i o n a n d a n a l y s i s p l a n t o f s t u d y i n g s o m e h i g hp e r f o r m a n c e c o n t r o l s t r a t e g i e s f o r v a r i a b l e s p e e d c o n s t a n t f r e q u e n c y d o u b l y -f e dw i n d p o w e r g e n e r a t i o ns y s t e m ,ad y n a m i c s i m u l a t i o nm o d e l o f v a r i a b l e s p e e dc o n s t a n t f r e q u e n c yd o u b l ef e d w i n dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e mw a s e s t a b l i sh e db yP S C A Dsi m u l a t i o ns o f t w a r e .T h ed e s i g n e ds y s t e m m o d e l b a s e do nP S C A Do v e r -c o m e s t h e w e a k p o i n t s o f d y n a m i c p e r f o r m a n c e s o f t h em o d e l b a s e d o nM a t l a b .T h e v a r i a b l e s p e e dc o n s t a n t f r e q u e n c yd o u b l y -f e dw i n d p o w e r g e n e r a t i o ns y s t e mb a s e do nP S C A Dc o n s i s t s o f w i n dt u r b i n e ,d o u b l y -f e dg e n e r a t o r ,p o w e r c o n v e r ,c o n t r o l m o d u l e .B a s e do n t h e d e s i g n e d m o d e l ,s y s t e m o p e r a t i n gp e r f o r m a n c e sa r es t u d i e du n d e r n o r m a l v o l t a g e ,u n s y m m e t r i c a l a n ds y m m e t r i c a l v o l t a g ef a u l t .T h e s i m u l a t i o n r e s u l t s s h o wt h e c o r r e c t n e s s o f t h e e s t a b l i s h e ds y s t e mm o d e l .K e yw o r d s :P S C A D ;v a r i a b l e s p e e d c o n s t a n t f r e q u e n c y ;d o u b l y -f e dw i n d p o w e r g e n e r a t i o ns y s t e m ;d y n a m i c s i m u l a t i o n m o d e l1 引 言变速恒频双馈(D F I G )风力机组在风电领域得到了广泛的应用[1-4]。
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表６几种３５ｋＶ电弧炉的电流谐波数据
由表６可见，采用表５给出的仿真参数，可以 较好地在ＰＳＣＡＤ中模拟这几种电弧炉负荷的谐波 特性。
万方数据
３８
现代电力
２００７正
采用表５给出的参数，６．３ＭＶＡ／３５ｋＶ硅锰炉 的Ｖ—Ｊ特性曲线如图７所示。
０．０４０
０．０３０
０．０２０
０．０１０
０．０００
．０．０１０
的冷却就与弧半径完全无关，此时咒一０。如果不
是这种情况而且电弧很长，则散热的区域主要是电
弧的侧表面，此时”一ｌ。如果电弧很短，则冷却
就与电极的横截面积成正例，此时ｎ＝２。
万方数据
第３期
申 展等：ＰＳＣＡＤ中基于能量平衡关系的电弧炉负荷模型的参数
３５
Ｐ：与电弧内部能量的导数成正比，而该能量 与ｒ２成正比，因此有
②如果竹一１，ｑ－≈１／２，即可一ｋ／４７，与特征为 方根双曲线对应。
③如果竹一２，７２为常数。
２模型参数对电弧炉特性的影响
２．１ 电弧电压、电流波形与Ｖ—Ｊ特性曲线 电弧炉中的电弧电压和电弧电流的一般波形如
图１所示。
万方数据
２．２模型参数与电弧炉Ｖ—Ｊ特性的关系 上述电弧炉模型的主要参数ｋ，，忌。，尼。对电
ｒ—ｆ．ｉ雨百２死
（７）
式中，Ｃ为常数。则式（６）就变为
口一万ｋ
（８）
式中
ｑ—ｍ嬲１＂／
１
＋Ｚ＋
（９）
表１ ｑ值与ｍ，ｎ对应表
Ｏ
ｌ
２
●ｌａｔｅ
０
、
／＼
／ ＼ 厂＼
／， ＼
厂
Ｏ＼ ／ ＼ ／ ＼ ／ ＼ ／ ＼ ／
０ ＼／ ＼ ／ ＼
＼ ／ ＼／
０Ｖ
＼／
＼／ Ｕ
Ｖ
Ｏ
Ｄ ０ Ｄ Ｄ Ｄ
姗啪。枷删裟躲摇ＤＤ㈣
３几种典型电弧炉的仿真参数实例
３．１仿真实例系统
１１０ｋＶ段
３．２几组典型电弧炉的仿真参数 图３一图５表明，改变电弧炉模型参数，即可
得到不同的电弧炉Ｖ一，特性曲线和电弧电流谐波 特性。在３．１的仿真实例系统中，对照相关文献［７１ 给出的实测结果，经过大量仿真试验，得到了几组 电弧炉的仿真模型参数，如表５所示，用于在 ＰＳＣＡＤ中模拟不同容量或类型电弧炉的谐波特性。 对应的谐波数据如表６所示。为了兼顾基波的大 小，对于不同电弧炉，可能需要适当修改供电回路 的阻抗参数。
电弧炉的仿真模型一直是研究电弧炉负荷问题 时所必须关注的课题之一。目前交流电弧炉的数学 模型有很多，既有时域模型［１’２］，又有频域模型［３］。 ＰＳＣＡＤ软件中也在增加相应的模型，但是目前关 于ＰＳＣＡＤ中电弧炉模型的介绍材料很少见。数学 模型及其参数都不清楚，对希望用它来仿真研究电
基金项目：“长江学者和创新团队发展计划”资助
④通过大量的仿真试验，精选了若干组模型参 数，在ＰＳＣＡＤ中模拟５种不同容量、不同类型的 电弧炉，其谐波含有率与相关文献给出的实测数据 接近。这些电弧炉模型包括：６．３ＭＶＡ／３５ｋＶ硅铁
第２４卷第３期 ２００７年６月
文章编号：１００７—２３２２（２００７）０３—００３４—０５
现代电力
Ｍｏｄｅｍ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ
文献标识码：Ａ
中图分类号
Ｖ０１．２４ Ｎｏ．３ Ｊｕｎｅ ２００７
ＰＳＣＡＤ中基于能量平衡关系的电弧炉负荷模型的参数
申 展，朱永强
（电力系统保护与动态安全监控教育部重点实验室，北京１０２２０６）
都增大；ｋ，减小，电弧电流的３、５、７次等主要谐 波都减小。
３６
现代 电力
２００７焦
０－３０
０ ２０
０．１０ －Ｘ
０００
一Ｏ ｌＯ
一０．２０
一Ｏ．３０
．２００
之Ｌ
√，，一
．ｒ
，
—，，一 —、Ｎ
—ｙ
—１００
０
１００
（ａ）ｋｌ＝２ ７５０
＋Ｘ ２００
Ｏ．３０
Ｏ．２０
Ｏ．１０
－Ｘ Ｏ．００
一Ｏ．１０
பைடு நூலகம்
一０．２０
表２参数如对电弧炉电流谐波特性的影响
万方数据
第３期
申展等：ＰＳＣＡＤ中基于能量平衡关系的电弧炉负荷模型的参数
３７
③忌。增大，电弧电流的３、５、７次等主要谐波 都增大；ｋ。减小，电弧电流的３、５、７次等主要谐 波都减小。
表３参数‰对电弧炉电流谐波特性的影响
４所示［６Ｉ。
表４碧山线电弧炉电气系统参数表
０．１０
－Ｘ Ｏ．００
一Ｏ．１０
．０．２０
．Ｏ．３０
．２００
畅’—～
Ｊ ／ ＝＞
／
｜
＋Ｘ
Ｊ
＜
／／
～／
－ｙ
．１００
０
１００
２００
（ｂ）如＝３．０
图４参数ｋ２的影响（五。＝２７５０，愚３—１７．５）
Ｏ．３０ Ｏ．２０
０．１０
一Ｘ Ｏ．ＯＯ
—Ｏ．１０ ．０２０
．０ ３０
．２００
Ｏ ３０
Ｏ．２０
Ｏ １０ －Ｘ
—０ ０２０
—０．０３０
．０ ０４０＿Ｐ————’——Ｆ————“——十一
．３０
－２０
－１０
图７ ６．３ＭＶＡ／３５ｋＶ硅锰炉的Ｖ—Ｉ特性曲线
４ 结论
①介绍了ＰＳＣＡＤ中电弧炉模型的数学形式， 即采用基于功率平衡关系的动态电弧模型。
②仿真总结了电弧炉仿真模型的各个参数对电 弧炉Ｖ～川寺性的影响。ｋ，决定Ｖ～工特性曲线的 上升段斜率，志。决定Ｖ～Ｊ曲线的“胖瘦”形状， ｋ。决定Ｖ—Ｉ曲线的临界电压。
弧炉Ｖ—ｊ特性曲线的影响如下所述。 ①忌，决定Ｖ—ｆ曲线的上升段斜率，参见
图３。 ②忌ｚ决定Ｖ一，曲线的“胖瘦”形状，参见
图４。 ③愚ｓ决定电弧的临界电压，参见图５。
２．３模型参数对电弧炉谐波特性的影响 电弧炉模型主要参数ｋ，，ｋ。，ｋ。对电弧炉电
流谐波特性的影响如下所述。 ①忌，增大，电弧电流的３、５、７次等主要谐波
０．１００
０．１２０
０．１４０ ｔ／ｓ
０．１６０
０．１８０
０．２００
图１ 电弧炉的电弧电流波形与电压波形
图２给出了电弧炉的Ｖ—Ｊ特性曲线，横坐标 是电弧电流，纵坐标是电弧电压。Ｖ—Ｊ特性曲线 代表的是电弧电压与电弧电流的对应关系，可以理 解为电弧的动态阻抗特性。
Ｏ．２０
０．１０
一Ｘ ０．００
．０．１０
ｄｕｃｅｄ ｔｏ ｇｅｔ ｖａｒｉｏｕｓ ＥＡＦ ｍｏｄｅｌｓ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＥＡＦ；ｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｒｃ ｆｕｒｎａｃｅ；ｍｏｄｅｌ；ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ； Ｖ—Ｉ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｃｕｒｖｅ；ｈａｒｍｏｎｉｃ：ＰＳＣＡＤ
０引 言
ＰＳＣＡＤ软件由加拿大的Ｍａｎｉｔｏｂａ ＨＶＤＣ Ｒｅ— ｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｒｅ Ｉｎｃ开发，是为电力系统和电力电子 研究领域设计的专用大型仿真软件，在世界上很多 科研和教育机构有广泛应用。
．Ｏ．２０
＋ｙ
／，
——、～
｜ ／）
／
．１／
＋ｘ
１。 ／ ／ ，， ．｜
＜
／。
一ｙ
图２电弧炉的Ｖ—ｊ特性曲线
当ｍ一０，１，２时，ｑ可从表１查到。静态电 弧特性主要取决于冷却条件，而与电弧电阻率关系 不大。ｑ值不会随仇明显变化，与ｎ的关系为：
①如果咒一０，ｑ一１，即可一ｋ／ｉ，对应于双曲 线型的口一ｉ特性。
基于能量描述的电弧炉模型
ＰＳＣＡＤ中的电弧炉负荷模型，采用基于功率
平衡关系的动态电弧模型［４］。文献１－４３基于能量
守恒原理建立了微分方程形式的一般的动态电弧模
型。该方法与那些用某种经验关系（例如伏安特性）
来表示电弧的方法有着本质不同。
１．１电弧的微分方程
电弧的功率平衡方程为
Ｐ１ ４－Ｐ２一Ｐ３
（１）
③仿真总结了电弧炉仿真模型的各个参数对电 弧炉谐波特性的影响。ｋ，增大，电弧电流的３、５、 ７次等主要谐波都增大；ｋ：增大，电弧电流的３、 ５、７次等主要谐波都减小；足。增大，电弧电流的 ３、５、７次等主要谐波都增大。
虽然上述仿真结果是在特定的仿真参数下获得 的，但是大量的重复仿真试验表明，对于各种合理 的仿真条件，上述结论都是正确的。合理的仿真条 件是指，电弧炉的电压、电流波形及Ｖ—Ｉ特性曲 线与同类文献中曾经出现过的相关曲线没有不可接 受的形状差别。
ｃｕｒｖｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｈａｒｍｏｎｉｃ ａｒｃ ｃｕｒｒｅｎｔ ｉｓ ａｎａ． １ｙｚｅｄ．Ａ ｆｅｗ ｇｒｏｕｐｓ ｏｆ ｔｙｐｉｃａｌ ＥＡＦ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｉｎ ｓｔｉｍｕｌａ— ｔｉｏｎ ａｒｅ ｇｉｖｅｎ ｗｉｔｈ ｓｏｍｅ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｅｘａｍｐｌｅｓ．Ｉｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｉｔ ｉｓ ｐｏｓｓｉｂｌｅ ｔｏ ａｄｊｕｓｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｒｕｌｅｓ ｉｎｔｒｏ－
Ｐ２一ｋｚｒ ｄｒ出
（３）
假设弧柱的电阻率与ｒｍ成反比，有
ｐ３一西一竽ｉ２
（４）
ｍ—ｏ，１，２，电弧半径越大，内部温度就可能越高。 式（２）～（４）代入（１），可得电弧的微分方程：
ｋｌ ｒ＂＋ｋ２ｒ害Ｑ ｔ一，每’…ｉ２
（５）
电弧电压由下式给出：
口一务ｉ
（６）
１．２静态电弧模型 稳态情况下，式（５）变为
Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ＡＲＣ Ｆｕｒａｎｃｅ Ｍｏｄｅｌ ｉｎ ＰＳＣＡＤ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ
Ｓｈｅｎ Ｚｈａｎ，Ｚｈｕ Ｙｏｎｇｑｉａｎｇ （Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｓｅｃｕｒｉｔｙ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ