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应用PSCAD进行新能源系统仿真研究 武汉大学电气工程学院杨志淳2012 06 第2页 主要内容 一 光伏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 第3页 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 一 光伏发电工作原理及仿真 第4页 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Vpv 电流为Ipv 功率为Ppv 2 Udcp为直流侧电容两端的电压 Ea Eb Ec为逆变器输出的电压 逆变器通过变压器以及滤波电容并入电网 第5页 光伏发电系统输出功率与输出电压受环境温度和光照强度的影响 产生非线性变化 且在一定光照强度和环境温度下 其输出功率与电压的曲线只有一个最大功率点 如图所示 为了提高光伏电池的运行效率 就要保证光伏电池一直以最大功率运行 最大功率控制原理 光伏阵列电压与功率关系 第6页 目前最常用的最大功率追踪方法有干扰法 电导增量法 滞环比较法等 本仿真采用电导增量法 其流程如图所示 电导增量法算法流程 最大功率控制流程 第7页 该算法的原理是光伏阵列P V曲线在功率最大值Pmax处的斜率为零 即P UI 将两端对U求导可得 当dI dU I U时增加电压U 当dI dU I U时减小电压U 使得dI dU I U达到最大功率点电压Umax 即通过比较光伏阵列的电导增量dI dU和瞬时电导 I U来调整工作点电压 从而实现最大功率追踪 最大功率控制方法 第8页 逆变器控制 1 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 2 Pp Qp分别为光伏发电系统输出的有功功率和无功功率 Vd Vq为参考电压的d q分量 Ud为最大功率点时的电压 Id Iq为逆变器输出的电流的d q分量 第9页 电压电流关系曲线 电压电流关系曲线 图中以电压为X轴 以电流为Y轴 得到电压 电流曲线 从图中可以看出 当电压在0 6kV左右时存在最大功率 第10页 图中 a 和 b 都是以时间为为X轴 图 a 以直流电容两端的电压为Y轴 经过8s的振荡以后 直流电压稳定在设定值6 3kV 图 b 以逆变器输出的电压为Y轴 有效值为220V的标准正弦电压 a 直流电容电压 b 光伏系统输出电压 第11页 图中 a 和 b 都是以时间为为X轴 图 a 以输出有功功率的电压为Y轴 经过8s的振荡以后 直流电压稳定在设定值78kW 图 b 以逆变器输出电流的d q轴分量为Y轴 图 a 输出功率 b 输出电流的d q轴分量 第12页 风力发电有多种不同的发电机组 本仿真主要介绍双馈风力发电机组 双馈风力发电机 即双馈异步发电机是在普通绕线形异步感应电机的基础上外加了连接在转子滑环与定子之间的四象限变频器及其控制系统而构成的 因此 双馈异步发电机可以看成是一个具有打开的绕线式转子接有外加电压源的传统异步发电机 此外加电压源通过变频器引入 变频器对转子回路电流实现频率 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 双馈异步发电机除通过定子向电网馈入功率外 还通过部分功率变频器与电网之间交换转差功率 并可以通过变频器的控制对整个双馈异步发电机的有功功率和无功功率分别进行控制 第13页 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控制部分 2 中间部分为异步发电机部分 最右方方块为风轮机部分 第14页 在双馈风力发电机中 发电机的定子侧直接与电网侧相连 转子侧采用三相对称绕组 经过交 直 交变频器与电网侧相连接 以提供发电机交流励磁 励磁电流的相位 幅值 频率均可变 其中励磁频率为转差频率 其中交 直 交变频器为双PWM换流器 可实现四象限运行 电网侧换流器的主要任务是保证电流波形和功率因数满足要求以及保证直流母线电压的稳定 转子侧换流器的主要任务是调节有功功率 实现最大风能捕获以及为转子回路提供励磁 调节定子无功功率 风轮机采用变桨距控制 当风速小于额定风速时 桨距角为零度 采用最大功率跟踪策略来实现最大风能的捕获 当风速增加到大于额定风速时 变桨距装置动作 桨距角逐渐变大 将发电机的输出功率限制在额定功率附近 但由于风轮机的转动惯量较大 因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 第15页 最大功率追踪控制 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如下 在Cp恒定区采用的最大风能跟踪策略 如图所示 想要跟踪Cpmax运行曲线 必须在风速变化时及时调整风力机叶片的转速nw 使其叶尖速比保持不变 即保持最佳叶尖速比 opt 就可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 这就是风力机的最大风能跟踪原理 可以通过控制发电机输出有功功率来调节发电机的电磁转矩 进而调节发电机的转速 转速与功率曲线 第16页 最大功率追踪控制结构图 最大功率追踪控制 第17页 转子磁通角控制结构 最大功率追踪控制 第18页 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持恒定时 定子有功功率与转子电流的转矩分量irq成正比 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 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ird和转矩分量irq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得到 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0 在最大风能跟踪策略实现中 将发电机转速和参考转速 r ref的偏差通过PI控制得到转子电流的转矩分量 其中 r ref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 第19页 转子侧变换器矢量控制 转子侧变换器电路图 第20页 转子侧变换器的控制电路 转子侧变换器矢量控制 第21页 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 电网侧变换器矢量控制 电网侧变换器电路图 第22页 abc三相静止坐标系下建立电网侧变换器的数学模型为 转子dq0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 第23页 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d轴方向与电网电压一致 q轴沿旋转方向超前d轴90 即有 由此 上两式可写成 第24页 对于直流回路中的电容器C 两端电压电流表达式为 由此可见 在电网电压保持恒定时 转子有功功率与ild成比例 而转子无功功率则与ilq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 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 第25页 电压的dq分量转换成abc分量 abc三相电流转换成dq分量 电网侧变换器矢量控制 第26页 电流控制器结构图 电网侧变换器矢量控制 第27页 风力发