PSCAD风机和风电场建模教程
基于PSCAD的双馈风力发电机组建模及稳态运行仿真
基于PSCAD的双馈风力发电机组建模及稳态运行仿真高爱云;蔡泽祥【摘要】运用PSCAD建立了单台双馈风力发电机组并入无穷大电网的仿真模型,并对其稳态运行时的功率、转子电压和电流进行了仿真分析,仿真结果与实际相符,进一步丰富了风力发电的建模和仿真技术.【期刊名称】《机电工程技术》【年(卷),期】2017(046)001【总页数】4页(P51-54)【关键词】双馈风力发电机组;PSCAD;稳态运行【作者】高爱云;蔡泽祥【作者单位】广东水利电力职业技术学院电力系,广东广州 510635;华南理工大学电力学院,广东广州 510640【正文语种】中文【中图分类】TM315我国蕴藏着丰富的风力资源，由于技术成熟，风力发电成为目前新能源发电技术中发展速度最快、最有发展前景的发电方式。
双馈发电机以其变速恒频运行能力、有功和无功解耦控制、造价低等优点成为风电领域应用最普遍的机型。
随着风电场规模的不断扩大，如何建立双馈风力发电机组仿真模型，采取适当的控制策略对风电运行特性进行仿真分析成为研究热点。
文献[1]介绍了双馈风电机组的建模方法，分析了PWM电流跟踪控制技术，但未提供仿真结果；文献[2]分析了风机模型和换流器控制系统模型，文献[3]研究了双馈风电机组在风速变化时控制系统建模及设计，两者均未给出某一风速下双馈风电机组并网运行时的转速、功率、电压、电流间的对应关系。
本文旨在建立双馈风力发电机组并网运行的仿真模型，分析其稳态运行特性，为复杂系统建模提供支持。
PSCAD中已有异步发电机和风机的模型，只需输入相应参数即可，本文主要介绍换流器控制系统的建模。
（1）转子侧换流器定子磁链定向控制转子侧换流器控制策略是：将定子磁链与同步旋转坐标系的d轴重合，通过调节转子电流的d轴分量调节定子输出的有功功率，通过调节转子电流的q轴分量调节定子输出的无功功率，从而实现功率的解耦控制。
控制框图如图1所示。
图1中，θ为d轴超前于定子绕组A相轴线的角度转速参考值，θr为转子绕组a相轴线超前于定子绕组A相轴线的角度。
基于PSCADEMTDC的直驱式风力发电接入系统建模与仿真
太阳能学报３ｌ卷３低风速下最大功率追踪算法的实现由于风速测量的不可靠性，所以最大功率追踪不能以直接控制风力机转速来使之达到当前风速下的最佳值为目的［１６’１７｜。
本文采用以控制风电机组输出的有功功率为目的，通过风力机转速的测量值计算得到该时刻下应获得的最大功率，并将其设为换流器的有功参考值。
当机械功率与该电磁功率设定值不相等时，会导致机械转矩和电磁转矩的不平衡，从而引起风力机加速或减速，并间接实现最佳转速的控制和最大功率的追踪。
由风能捕获系数ｃ。
的计算式可知，只要保持转速满足最佳叶尖速比Ａ＝Ａ。
，即可获得最大功率。
由于此时：ｎＶｗ：掣（１３）＾Ⅲ将式（１３）代入式（１），且这时的Ｃ。
＝ｃ。
ｍｅｒｅ，故风力机获得的最大功率可表示为：ｎ５户≯＝ｏ．５ｐＴｔ了／１［ｒｃ≯∞：＝Ｋ·山３。
（１４）Ａｏｐｔ由此可以通过查表法，再扣除相应的损耗Ｐ０，即可获得有功功率指令值Ｐ耐＝Ｐ＝疆一Ｐ０。
４高风速下桨距角控制器的设计桨距角控制器用来在风速高于额定值的情况下，通过增大风力机桨距角卢，进而减小风能捕获系数，从而保证风力机输出功率稳定在额定值附近，以防止机组过载。
但随着风力发电机组容量的增大，大型风力发电机组的单个叶片已重达数吨，采用机械装置操作如此巨大的惯性体，其动作时间常数不可能很小ｕ８｜，因此在高频的风速变化下，变距控制必须与通过功率控制间接实现的转速控制相配合，才能实现风力机高风速下的正常运行。
设计的桨距角控制器如图７，为了更好地反映实际机械系统的响应情况，桨距角ｐ的变化率被限制在１００，ｓ以内，且变化范围为００～２５。
，采用转速额图７桨距角控制器模型Ｆｉｇ．７Ｐｉｔｃｈｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｍｏｄｅｌ定值同测量值误差∞一一叫一的比例积分，同时引入了有功额定值同测量值之间差值Ｐ一一Ｐ一的微分环节，改善了控制器的响应特性。
５仿真结果及分析ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ仿真程序自带的风力原动机，桨距角控制器模型并不能用于直驱式风力发电机组的建模与仿真，为此本文采用其用户自定义功斛侉１，建立风电机组和桨距角控制器模块，并搭建背靠背ＶＳＣ换流器模型。
PSCAD风机和风电场建模教程
PSCAD风机和风电场建模教程PSCAD是一种用于电力系统仿真的软件工具，它可以帮助工程师模拟和分析各种电力系统的行为。
在风能领域中，PSCAD也被广泛应用于风机和风电场的建模和仿真。
本文将介绍PSCAD中风机和风电场建模的基本步骤和一些建模技巧。
首先，为了建模风机和风电场，我们需要了解风机和风电场的基本原理。
风机是将风能转化为电能的设备，它由风机转子、风机塔和风机控制系统组成。
风电场是由多个风机组成的集合体，在网络中并联运行。
在PSCAD中建模风机，可以将其分为机械部分和电气部分。
机械部分包括风机转子的旋转和机械件的运动，可以使用旋转机械件模块实现。
电气部分包括风机的电气特性和控制系统，可以使用电气元件和控制系统元件进行建模。
在建模风机转子时，可以使用旋转机械件模块，选择合适的转子类型和参数。
通常，风机转子是根据风速来调整转速和转矩的，可以使用转速和转矩曲线来描述。
在PSCAD中可以使用旋转机械件模块中的曲线调节器来实现这一功能。
在建模风电场时，可以将多个风机并联连接在一起。
在PSCAD中，可以使用并联连接模块将多个风机连接到电网中。
并联连接模块可以根据需要设置风机的数量和参数，以及风机与电网的连接方式和参数。
在建模风电场时，还需要考虑到风机之间的互相影响，例如，当一个风机失效时，其他风机应该能够承担相应的负荷。
在风电场建模中，还需要考虑风电场的调度和控制。
例如，根据电网的需求和风机的性能，可以设置不同的运行模式和控制策略。
在PSCAD中可以使用控制系统模块来建模风电场的控制系统，通过调整控制策略和参数，实现风电场的优化运行。
在建模风机和风电场时，还需要考虑到风速的变化和风机的响应时间。
例如，当风速突然改变时，风机需要一定的响应时间来调整转速和转矩。
在PSCAD中可以使用时间域仿真来模拟风速的变化和风机的响应，通过调整仿真时间步长和模型精度，得到准确的仿真结果。
总之，PSCAD是一种强大的工具，可以帮助工程师建模和仿真风机和风电场。
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。
双馈风电机组的基本原理及PSCAD建模
制作为转子侧换流器控制，
同步旋转坐标系d轴与DFIG
定子磁链矢量Ψs重合。
ur ir Pe / Qs
图10 定子磁链定向的矢量控制
定子磁链定向: ψsd Lsisd Lmird s
ψsq Lsisq Lmirq 0
us =j e s =usq
PQ解耦控制:
ps
3ωe Lm 2Ls
sirq
注：图7来源于朱晓荣老师授课PPT
19
p 风力机协调控制策略1
• 通过转速的PI控制器进行最大功率跟踪控制，通过功率的PI控制 器调节风力机桨距角限制捕获的机械功率。
风机向电网送 出的总功率
转速参考值
• 最大功率跟踪控制器：
转矩参考值
Pe
r*
Te*
• 桨距角控制器： Pe Pe _ max，桨距角为0°，
定子、转子电流频率的关系：
pnr f 2 f 1 60
p-极对数
f1-定子电流频率
nr -发电机转速 f2 -转子电流频率
图2 DFIG变速恒频运行原理框图
• 定子电流频率f1由电网决定， 当发电机转速nr发生变化时，
可调节转子电流频率f2，实现变 速恒频运行。
13
p 双馈风机功率关系
图3 DFIG有功功率关系图
Qs* Pe Pe_max
并网控制器 Qg*
图6 双馈风机控制策略汇总
p 风力机的功率跟踪曲线
Pm
2
Rt2v3C
p
=0.5C
p
（
Rt
）3
Rt2
3 t
Popt
=0.5Cpmax
Rt opt
3
πRt2t3 =koptt3
PSCAD在风力发电机组软并网中的应用
PSCAD/EMTDC在风力发电机组软并网中的应用摘要：建立软并网系统仿真模型及相应的控制系统仿真模型，并在PSCAD/EMTDC环境下模拟仿真风力发电机组的软并网过程，对软并网仿真结果进行分析和研究。
表明在发电机与电网之间装设软并网装置可将并网瞬间的冲击电流限制在较低的范围内。
关键词：软并网；仿真；异步发电机；冲击电流THE APPLICATION OF PSCAD/EMTDC AT SOFT-CONNECTING PROCESS OFGENERATORSAbstract：This design, sets up the model of the soft- connecting system simulation and the corresponding control system simulation, then make some experiments on the simulation of the soft- connecting process of generators. Finally, analysis and summary of the results based on PSCAD/EMTDC software.it is showed that using soft-start to connect the grid can control current value under acceptable limitation.Keywords : soft cut-in；simulation; asynchronous generator; impact current0 引言异步发电机对电网的调速要求不像同步发电机那么严格精确，只要转速接近同步转速时就可并网，国内及国外与电网并联运行的风力发电机组中，多采用异步发电机，但异步发电机在并网瞬间会出现较大的冲击电流，随着风力发电机组单机容量的不断增大，这种冲击电流对发电机自身部件的安全及对电网的影响也愈加严重。
PSCAD课程设计-基于PSCAD_EMDTC的双馈风力发电机的控制策略研究-风力发电机组监测与控制
风力发电机组监测与控制课程设计说明书课题名称基于PSCAD_EMDTC的双馈风力发电机的控制策略研究专业学生姓名班级学号指导教师完成日期盐城工学院课程设计说明书(2015)目录1摘要 (1)2PSCAD软件简介 (2)3PSCAD样例说明 (3)3.1同步风力机样例功能与工作原理分析 (3)3.2同步风力机样例仿真模型的建立过程 (5)3.2.1风源组件 (6)3.2.2风力发电机组 (7)3.2.3调速器组件 (8)3.2.4同步发电机 (11)3.2.5单输入电平比较器 (15)3.2.6电压源 (16)3.2.7故障的模拟组件 (17)3.2.8控制面板 (19)3.3同步风力机样例仿真结果分析 (20)4双馈风力发电机仿真模型的建立 (22)4.1双馈风力发电机工作原理及控制方法分析 (22)4.1.1工作原理分析 (22)4.1.2控制方法分析 (24)4.2双馈风力发电机仿真模型的建立 (26)4.2.1转子侧变换器模块 (26)4.2.2 电网侧变换器模块 (27)4.2.3 电源 (28)4.2.4单输入电平比较器 (29)4.2.5绕线转子感应式电机 (30)4.2.6有功/无功功率器 (31)4.2.7控制面板 (32)4.3双馈风力发电机仿真结果分析 (33)5结论 (34)6心得体会 (35)7参考文献 (36)附录 (37)1摘要随着风电在电力系统中的比例不断增加，其对电力系统的影响已不可忽略。
由于风力发电机组的工作原理和接入方式与传统的三相同步发电机组差异较大，因此对风力发电机组的准确建模是分析大规模风电的接入对电网稳定性、安全性、可靠性等方面影响的关键步骤。
电力系统暂态仿真是开展风电并网研究的一种重要手段，而建立准确、有效的风力发电机组暂态模型则是仿真工作的基础，基于PSCAD能建立详细反映风机控制调节特性的风机电磁暂态仿真模型，包括风机的详细风力机、轴系、发电机及变流器等元件模型与变流器的机侧和网侧控制、风力机的桨距角控制等控制模型，所建立的模型能反应风机在各种扰动下的输出特性。
（整理）PSCAD中的发电机模型.
（整理）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。
5.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。
6.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。
7.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。
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PSCAD电力系统仿真——从风机到风电场建模目录A部分：引言............................................................. - 2 -1.介绍............................................................... - 2 -2.PSCAD部件......................................................... - 2 -3.仿真建模结构....................................................... - 3 -4.仿真执行........................................................... - 3 - B部分：建模............................................................. - 4 -5.从风到同步发电机................................................... - 4 -5.1风源......................................................... - 5 -5.2风力发电机组件............................................... - 6 -5.3风力发电机的调速器组件....................................... - 9 -5.4同步发电机.................................................. - 12 -5.5涡轮发电机连接：在额定负载下的模拟.......................... - 15 -6.AC/DC/AC：电源和频率转换.......................................... - 17 -6.1二极管整流器................................................ - 17 -6.2过电压保护.................................................. - 19 -6.3 DC母线..................................................... - 20 -6.4 6-脉冲晶闸管逆变器.......................................... - 23 -6.5与电网的连接................................................ - 29 -7.配电网............................................................ - 31 -7.1定义网络.................................................... - 31 -7.2潮流仿真.................................................... - 34 - C部分：仿真............................................................ - 36 -8. 恒风速研究....................................................... - 36 -8.1架构完整模型................................................ - 36 -8.2恒风研究.................................................... - 37 -9.故障分析.......................................................... - 38 -9.1默认在节点3 ................................................. - 38 -9.2默认在节点2 ................................................. - 41 -9.3结论........................................................ - 43 -10.变风速研究....................................................... - 44 -10.1动态变桨控制............................................... - 44 -10.2被动变桨控制仿真........................................... - 47 -10.3比较被动和动态的桨距控制................................... - 48 -11.风电场........................................................... - 50 -11.1从一个单一风力发电机到风电场............................... - 50 -11.2 PWM调节驱动器............................................. - 53 - D部分：附录............................................................ - 64 -12. 参考文献........................................................ - 64 -A部分：引言1.介绍近年来，风力发电已引起特别的兴趣，许多风力发电站在世界各地的服务。
感应电机在风力发电站，通常用作发电机，但新的永磁发电机的发展，改进的AC-DC-AC转换和输出功率质量优势，使其他的解决方案成为可能。
最近的一个解决方案是使用具有可变速度和转换阶段，这是本技术的纸张的情况下研究了一个永磁发电机。
本教程的目的是使用户熟悉PSCAD软件，通过一个完整的例子。
PSCAD中包含功能强大的工具，为风力发电机组的仿真。
B部分描述了一步一步的建设周期为一个风力发电机的整个发电。
所有组件的尺寸，并连接到彼此。
中级验证模型。
在C部分，不同功率的发电调节方式模拟和分析，对电网的故障情况进行了研究。
最后，整个风电场的模型。
2.PSCAD部件在PSCAD，完整的风力发电机周期的组成如下：风源组件：•机械发电机组，以组件“wind turbine”为代表。
•调节调速器发电的输出功率。
这项规定可以是被动的（被动变桨控制）或动态（动态俯仰控制）。
所不同的是与否叶片转围绕它们的纵向轴线。
这两种类型的调节，可以由组件“Wind turbine governor”仿真。
•其他组件均为标准的：synchronous machine同步电机, transformer变压器, rectifier整流器, inverter逆变器, Control System控制系统, Modelling Functions (CSMF) 模拟功能,….所有这些组件将在B部分作详细介绍3.仿真建模结构B部分包括：•风力发电机组的理论研究•根据中间仿真结果对每个PSCAD组件的选型，以使其结果与理论比较，并验证模型。
本文选择定义连接到一个100对极的永磁同步发电机的风力发电机。
然后执行通过一个完整的AC / DC / AC转换器和一个升压变压器连接到电网。
这一战略的主要优点是，允许拆下风力发电机组的齿轮箱。
当然，不同的技术都可以在PSCAD中完全仿真。
o Induction generator direct connection 感应发电机直接连接o Doubly Fed Induction Generator 双馈感应发电机本模型中的一些算例可以通过要求CEDRAT或您当地的PSCAD分销商获得。
在本文档中，可以总结为如下图的整体序列：4.仿真执行在C部分，在全球的序列是通过连接的所有组件B部分的仿真结果进行了分析，如下：•电源产生一个恒定的平均风速（13米/秒）•电源与可变风速和被动变桨控制•产生的功率与变速和变桨控制动态•之间的差异变桨距控制的两种类型的•该风力发电机在网络上的分销网络在故障情况下的影响•风电场模型和影响的风力发电场的连接上传输网络B部分：建模5.从风到同步发电机在第一部分（5.1至5.5）中，将以下组分将描述和尺寸：• Wind Source component• Wind Turbine component• Wind Governor• Synchronous Generator然后，进行仿真从而检查wind模型。
首先创建一个新的PSCAD项目：Turbine_generator.psc在项目设置，使单位转换系统（可在PSCAD4.2）以便使用与PSCAD默认单位不同的单位：5.1风源该组件可以在文件夹“Master Library/Machines”中找到。
该风源组件会模拟风的每一个条件：•mean wind speed 平均风速• periodic gust with a sinus form以sinus 形式的定期阵风• ramp斜坡• noise噪音• damper for all the preceding conditions前面的所有条件阻尼器对于风力发电机wind turbine，以下三个风的特性是很重要的：•平均风速：发电机和发电机的额定特性是根据平均风速确定的。
经济研究也是基于这个速度。
在一般情况下，平均风速为约13m/s。
切入风速：当风速高于切入速度时，机械制动器被释放，继而发电机旋转。
一般情况下，切出速度为4m/s。
•切出速度：当风速高于切出风速时，为了不损坏发电叶片，发电机的旋转停止时。
一般情况下，切出速度为约25米/秒。
对于动态仿真，风速的仿真是一整天的；因此，风速必须从切入风速到切出风速变化，以便研究风力发电机在所有风力条件下的反应。
在这项研究中，低于切入风速下的启动和高于切出风速的停止是不予考虑的。