课程设计任务书戴晨光

1、目录1. 摘要02. PSCAD简介13. PSCAD 样例说明13.13.23.3样例与工作原理分析1模型的建立过程117 样例结果分析12模型的建立174.永磁风力发电机4.1 永磁风力发电机工作原理分析174.2 永磁风力发电机4.3 永磁风力发电机过程中遇到的模型的建立20结果分析325及解决的. 335.15.2. 33过程中遇到的解决的. 3367心得体会35参考文献36附录37附录 1：dist 样例原理图37附录 2：dist 样例电路图38附录 3：永磁风力发电机原理图39附录 4：永磁风力发电机电路图40盐城工学院课程设计说明书（2015）1. 摘要随着环境污染的加剧和能源

2、的加深，风能开发等新能源利用技术成为世界研究的热点课题。永磁直驱风力发电机由于机械损耗小、运行效率高、维护成本优点而成为研究的重点机型，掌握其运行特性和提高风电机组的风能捕获效率是风力发电领域的重要研究课题。最大功率跟踪(MPPT)策略是提高风电系统功率转换效率的重要。本文系统研究了风力发电系统的运行原理，对永磁直驱风力发电系统进行了详细的理论研究，重点研究基于爬山搜索法的最大风能追踪策略，并提出了相应的目标和实现，以期实现系统的优化及可靠运行。首先了课题的研究背景和意义，综述了国内外风力发电发展概况;为简化结构、降低成本及提高可靠性，本文提出了包含永磁同步发电机、二极管整流桥及斩波器的改进型

3、的小型风力发电系统结构;在分析系统工作原理基础上，建立系统部件的数学模型及完整的系统模型。现有的永磁直驱风力发电系统，基于 PSCAD/EMTDC搭建相目标，应的平台，开发了改进型的小型风电系统模型。本文研究的本文提出了变斜率 MPPT策略，并进行了相关 MPPT的研究，结果了最大功率跟踪策略的正确性和可行性;与传统固定步长MPPT、变步长扰动策略相比，本文的有效提高了最大功率跟踪的快速性和准确性，进而提高了风能转换效率。本文的工作为今后完善小型风力发电系统研究提供了理论依据，对提小型风力发电系统的整体效率及可靠性具有重要的理论意义和实际应用价值。;永磁风力发电;最大风能追踪;PSCAD。0盐

4、城工学院课程设计说明书（2015）2. PSCAD简介EMTDC/PSCAD是电概述：进行电力暂态分析的先进研究之一。它广泛应用于科学研究的各个领域，特别是近 20 年来，随着系统工程与科学的迅速发展，系统已从传统的工程领域发展到非工程领域。电以数学模型代替实际的电，用数值不可缺少的。对系统的运行特性进行实验和研究，它已经成为电研究和设计的工具。电数字已成为电研究、重要3. PSCAD 样例说明3.1 样例与工作原理分析本次距离保护模型采电源供电的长距离输电线路配备主保护是距离保护，双侧电源均采用 R-L-C 中性点接地的 230kV，60Hz 的电源，其内部电阻 9.186，电抗是138mH

5、。通过万用表确定电压电流信号，加断路器 B1 配置距离保护通过长距离输电线路与另一侧相接，路中加上故障。图 1 双电源供电的长距离输电线路配备主保护电路图加上三相故障数字器不同的数字对应不同的故障。0 表示没故障，1 表示 A相接地故障，2 表示 B 相接地故障,3 表示 C 相接地故障，4 表示 AB 两相接地故障， 5 表示 AC 两相接地故障，6 表示 BC 两相接地故障,7 表示 ABC 三相接地故障，8 表示AB 两相相间短路故障，9 表示 AC 两相相间短路故障,10 表示 BC 两相相间短路故障,11表示 ABC 三相相间短路故障。对应的数字转换开关有 1-6 个数，每个数对应一

6、个故障状态数字。3.2模型的建立过程3.2.1 电源模型这个组件模型一个三相交流电压源,源阻抗可以指定为理想(即无限总线)。这个源可能是通过固定、内部参数或变量的外部信号。本次模型定义为采用 R-L-C中性点接地的 230kV，50Hz 的首段电源，其内部电阻 9.186，电抗是 138mH。双击电源模型选项一：配置选项，可以确定电源名称 source1，电源阻抗类型R-L-C，中性点是否接地 YES，模型显示单线路。1盐城工学院课程设计说明书（2015）选项二：信号参数，可以确定是否有外控电压 NO，外控频率 NO，电压 230kV，电压启动时间 0.05s，频率 60Hz，相移 0。选项三

7、：终端条件可以不用设置。选项四：电阻设定无。选项五：阻抗 R/R-L 设定无。选项六：阻抗 R-L-C 设定 9.186ohm，138mH，0uF。2盐城工学院课程设计说明书（2015）选项七：电感设定。选项八：电容设定。选项九：检测信号设定。3.2.2 线路模型线路的配置组件用于定义的基本性质与导体的传输通道在空气,以及提供TLine /电缆配置编辑器。本次设计线路总长 100kM，分为 90kM 和 10kM 两端，接线形式一直在分界处加故障进行模拟。双击线路模型，依次线路命名 LINE1，频率 60Hz，线路长度 90kM，导体数量 3，终端型号直接连接，下面还可以详细编辑线路模型。3盐

8、城工学院课程设计说明书（2015）对于线路阻抗的计算可以采用此模型：读出 Ia 的数值根据电源电压通过公式：Z = E /( 3Ia)可以计算出线路阻抗通过计算可以得出每千米阻抗为 0.33.2.3 断路器模型。这个组件的模拟三相断路器操作。在(关闭)或关闭(打开)电阻的断路器必须一起指定其初始状态。该组件是通过一个名为输入信号(默认是 BRK）。他有两个状态0 表示 on 断路器是闭合的，1 表示 off 断路器是打开的。断路器可以配置自动通过定时开关逻辑组件,或或通过一个更为详细的组件。断路器也可以手动通过使用,方案。双击断路器模型，参数详细设置。选项一：配置选项，是否单极操作 No，是否

9、开放电流 No，是否使用超前电阻 No，电流截断限制 0kA，图形显示单线线路，是否展现电力潮流 No。选项二：断路器主要参数，断路器命名 B1，断路器开通电阻 1.0e6ohm，断路器关断4盐城工学院课程设计说明书（2015）电阻 0.1ohm。选项三：超前嵌入数据无。选项四：内部输出，电路器三相电流加零序电流，断路器三相状态，无功功率。选项五：激励状态，有功功率 22.18MW，无功功率 4.184MVAR。5盐城工学院课程设计说明书（2015）3.2.4 故障模型这部分有三块组成，最左边的组件是故障的开始和结束，类似转盘的组件是旋转开关可以选择不同的输出状态，最右边的是简单地故障模型。三

10、者组合在一起形成一个多功能故障装换器。双击定时故障逻辑，故障开始时间 0.2s，故障持续时间0.05s。双击旋转开关，命名开关 Fault Type，组名 Faults，是否呈现在图形上 No，装盘位置数 6，起始位置数 2，对应位置 1（0.0），位置 2（1.0），位置 3（6.0），位置 4（7.0），位置 5（10.0），位置 6（11.0）。6盐城工学院课程设计说明书（2015）双击三相故障，选项一：配置选项，故障外部，是否清空可能电流 No，是否接地 Yes，图像显示单线线路，截断电流限制 0kA。选项二：故障电阻，导通电阻 0.01ohm，关断电阻 1.0E6ohm。选项三：故障

11、类型不用设置。7盐城工学院课程设计说明书（2015）选项四：电流故障命名无。选项五：激励选项无。3.2.5 二次系统模型距离保护具体信号处理模块：构建分为两个模块：1、信号处理模块，2、保护动作模块。在系统模型中我们已经用万用表到电压电流信号，在信号处理模块，我们要将电流电压信号处理已获得我们想要的数据。首先将电压与电流信号通过叶变化这里主要取七次谐波对应分解出 ABC 三相对应电压电流的幅值与，如图：叶变换这是一个快速叶变换(FFT),可以确定谐波大小和的输入信号作为时间的函数。输入信号的第一个取样前分解成谐波成分。提供了选项来使用一个、两个或三个输入。对于三个输入,组件可以提供输出序列组件

12、的形式。双击叶变换，选项一：配置选项，类型 3 相 ，谐波数量 7，基频 60Hz，震级输出 RMS,输出弧度，输出波形余弦波。8盐城工学院课程设计说明书（2015）选项二：频率输出变量无。通过叶变换得到三相的幅值与相角通过正序、负序零序三相分解得到对应的正序、负序零序三相幅值与相角，如图：三序分解这个序列滤波器计算序列的组件,能计算出大小和角度。双击三序分解可以设定输入输出的皆选弧度。通过得到的三序分量将其合并得到对应输入保护动作的输入量。保护动作模块：9盐城工学院课程设计说明书（2015）Va将数据处理模块得到的数据送到保护动作对于接地故障采用可以得到Ia + kI0对应相的阻抗值，如图:

13、这个组件计算线路接地阻抗眼中的接地阻抗继电器。输出阻抗是在矩形格式(R 和X),优化了使用距离继电器征。多边形特征、距离继电器特征或姆继电器特双击单相接地故障，选项一：主要数据，K 的常数 1.6，相角为弧度。选项二：初始化设置，初始时间 0.1s，输出电阻 R 为 458.8ohm，输出电抗 X 为56.7ohm。对于相间短路故障采用Va -Vb 可以得到对应的阻抗值，如图:Ia - Ib1盐城工学院课程设计说明书（2015）这个组件计算相间阻抗眼中的接地阻抗继电器。输出阻抗是在矩形格式(R 和 X),优化了使用距离继电器多边形特征、距离继电器特征或姆继电器特征。双击相间短路故障计算，设置和

14、接地故障计算一样。计算输入的数据得到对应的阻抗值，将阻抗值输到姆欧阻抗继电器中与设定值比较通过图像可以观察动作区域，姆欧继电器姆的组件被划分为一个“阻抗区元素”,检查是否一个点被输入 R 和 X,躺在一个指定区域的阻抗平面。R 和 X 代表电阻和活性部位的监视阻抗,可以输入在或输出' 1。请注意但是,单元组件的输入参数应该搭配 R 和 X 输入。组件产生一个'如果点定义为 R 和 X 是在指定的区域,否则输出 0。双击姆欧阻抗继电器32。，选项一：配置选项，坐标选项选择（X,Y），圆的半径选项二：中心的 XY 坐标，X 为 5.5，Y 为 31.5。1盐城工学院课程设计说明书（

15、2015）选项三：Z 的设定无。经过这样的构建，一个距离保护的保护动作模块基本搭建完成，对具体参数具体设置即可运行，观察图像，得到相应的结果。这两个模块搭建完成就具体距离保护动作模型已经建立好。如图：第一个模块是信号处理模块，第二个是保护动作模块。通过这个模型可以很好地观察距离保护的现象。3.317 样例结果分析参数如下：1盐城工学院课程设计说明书（2015）双侧电源均采用 R-L-C 中性点接地的 230kV，60Hz 的电源，其内部电阻 9.186，电抗是 138mH。对于保护 1 采用距离保护，运用姆欧继电器进行保护动作总时间 0.5s，故障 0.2s 发生，持续 0.05s。3.3.1

16、 相间短路故障3.3.1 区内故障。在建立模型时，已经计算出线路阻抗每千米 0.3，当故障发生 BC 相间短路在距离保护处 90kM 处时，姆欧继电器设定的整定阻抗以（5.5，,31.5）为圆心半径 32，故障距离阻抗 27故障处信号图：在圆内，对应模拟出的结果。保护安装处电流图：电压图：对应姆欧继电器动作图：1盐城工学院课程设计说明书（2015）可以观察到故障时有段线在圈内，此时继电器动作将故障跳开。保护动作信号图：3.1.2 区外故障改变姆欧继电器参数圈内动作时圆心为（x，y）=（5,31.5）半径为 32 通过公式X = R cos 60° + xY = R sin 60

17、76; + y作出上图区内动作。如果改变圆心（x，y）=（5,5）半径为 10 通过公式计算可以得到圈外故障继电器不动作。1盐城工学院课程设计说明书（2015）对应保护动作信号图：可以看出在区外保护不动作。3.2 接地故障3.2.1 区内故障在建立模型时，已经计算出线路阻抗每千米 0.3，当故障发生 A 相接地短路在距离保护处 90kM 处时，姆欧继电器设定的整定阻抗以（5.5，,31.5）为圆心半径 32，故障距离阻抗 27故障信号图：在圆内，对应模拟出的结果。保护安装处电压图：1盐城工学院课程设计说明书（2015）保护安装处电流图：可以看出，阻抗轨迹在圈内所以动作。保护动作信号图：1盐城工

18、学院课程设计说明书（2015）3.2.2 区外故障和相间短路故障类似改变姆欧继电器设定参数我们可以得到区外故障继电器况。对应保护不动作：情对应保护不动作：可以看出在区外保护不动作。4.永磁风力发电机模型的建立4.1 永磁风力发电机工作原理分析系统的基本组成： 直驱式同步风力发电系统主要采用如下结构组成：风力机（这里概括为：叶片、轮毂、导航罩）、变桨机构、机舱、塔筒、偏航机构、永磁同步发电机、风速仪、风向标、变流器、风机总控系统等组成。其中全功率变流器又可分为发电机侧整流器、直流环节和电网侧逆变器。就空间位置而言，变流器和风机总控系统一般放在塔筒底部，其余主要部件均位于塔顶。永磁同步发电机相较于

19、同步电机，除了用永磁体替代了励磁绕组外，其他基本上与同步电机相同，因而，只要用永磁电机转子的等效磁导率计算出电机的各种电1盐城工学院课程设计说明书（2015）感，分析同步电机的便可用于分析永磁同步发电机。在建立永磁同步发电机的数学模型前，做如下假设 0： (1)忽略发电机内部涡流和磁滞损耗；(2) 相绕组中感应电动势的波形为正弦波；(3) 定子绕组中产生的励磁磁场为正弦分布，不考虑谐波与饱和；(4)转子上不阻尼绕组；(5)永磁材料的电导率为零。本文按电惯例选取绕组电压、电流的正方向。采用转子磁场定向矢量技术，推导出 d、q 轴坐标系下永磁同步发电机的数学模型，是研究永磁同步电机的常用。其电压方

20、程为：did dt diU= R i + L- ds dde q(4-1)U = R i + Lqdt+ qs qqe d其中，定子磁链方程为：d = f + Ldidq = Lqiq(4-2)将定子磁链方程（4-2）代入到发电机电压方程（4-1）可得以磁链和电感为变量的电压模型：did dt diU = R i + L- L i ds dde q q(4-3)qdtU = R i + L+ + L i qs qqe fe d d其中，Ud、Uq 分别是发电机定子输出电压的 d 轴、q 轴分量；id、iq 分别是发电机定子输出电流的 d 轴、q 轴分量；Ld、Lq 分别是发电机定子 d、q 轴

21、的电感； f 是发电机永磁体磁链；e 是发电机的电角速度；Rs 是发电机的定子电阻。永磁同步发电机的电磁转矩方程为:Te = pn éë f iq + (Ld - Lq )idiq ùû其中，pn 表示电机的极对数。对于面装式永磁体结构的发电机，Ld=Lq，此时：(4-4)Te = pnf iq永磁同步发电机的有功功率和无功功率可表示为：(4-5)1盐城工学院课程设计说明书（2015）P = Uqiq + Udid(4-6)Q = U i - U iq dd q2. 工作原理：系统中能量传递和转换路径为：风力机把捕获的空气的动能转换为机械能，直驱系统中的

22、永磁同步发电机把风力机传递的机械能转换为频率和电压随风速变化而变化的不控电能，变流器把不控的电能转换为频率和电压与电网同步的可控电能并馈入电网，从而最终实现直驱系统的发电并网。3.电网、模式：风力发电机组的系统是综合性系统。它不仅要监视机组运行参数，对机组运行进行。而且还要根据风速与风向的变化，对机组进行优化，以提高机组的运行效率和发电量。风力发电系统的基本目标分为三个层次：分别为保证风力发电机组安全可靠运行，获取最大能量，提供良好的电力质量。系统主要偿单元、并网各种传感器、变距系统、运行主器、功率输出单元、无功补单元、安全保护单元、通讯接口电路、单元。具体跟踪内容有：信号的、处理，变桨、转速

23、、自动最大功率点、功率因数、偏航、自动解缆、并网和解列。、停机制动、安全保护系统、就地在直驱永磁风力发电机组中，其系统主要由变流器机侧、变流器网侧、桨距角、最大功率跟踪等模块组成。由于风机可能遇到的情况较多，且自身情况调整变流器容量有限和风力机机械强度有限等硬性限制，因此需要根据具体策略。切入风速指的是风力机对额定负载开始有功率输出时的最小风速，一般来说为 3m/s 到 4m/s；切出风速指的是风力机停止对额定负载功率输出时的风速，一般来说为25m/s。根据风速的变化，风力发电机组的运行过程可主要分为启动阶段、最大功率跟踪阶段、恒转速阶段和恒功率阶段这四个阶段。风力机功率与风速的曲线如图 0-

24、1 所示。图 0-1 风力机功率与风速的曲线第一阶段是启动阶段。一般来说，当风速达到切入风速时，风力发电机组便可启1盐城工学院课程设计说明书（2015）动。当风速比切入风速小的时候，风力机在风力的作用下做机械转动，发电机不工作。第二阶段是最大功率跟踪阶段（a-b）。随着风速的提高，转速也提高，在此阶段处于启动转速与额定转速之间，系统发电机转速，使得叶尖速比最佳，进而使风能利用系数 Cp 最大，最大限量地将捕获的风能转化为电能，实现最大功率跟踪。第三阶段是恒转速阶段（b-c）。在此阶段，风速还未到达额定风速，由于受到风电机组最大转速的限制，转速达到最大值后维持不变，实现恒转速运行。而风速继续提高

25、，风力发电机组的功率随之继续增大。第四阶段是恒功率阶段。在此阶段，风速超过了额定风速，但由于发电机和变流器都有功率极限，因此需要输出功率维持在额定值。风能利用系数 Cp 受桨距角影响较大，因此在此阶段可调节桨距角，降低 Cp，从而实现恒功率运行。直驱式永磁同步风力发电机组的典型结构如图 2-1 所示：风力机永磁同步发电机网侧变流器机侧变流器变压器ACDC滤波电感传输线电抗+轴系电网-VtVgVDCAC直流电容VTisVTigvs变流器变流器网侧vg机侧最大功率跟踪桨距角ref图 4-1 直驱永磁风力发电机组结构图4.2 永磁风力发电机模型的建立对于风力发电机组的研究，PSCAD提供了丰富的模型

26、库，风速模型，可模拟平均分量、斜坡分量、阵风分量和涡流分量这四个分量单独或组合作用下风的状态。本文对风速模型不具体建模，根据具体情况利用斜坡风或固定值模拟风速。PSCAD中也提供了风力机的模型，其模型及参数设置如下。2盐城工学院课程设计说明书（2015）图 4-2 永磁风力发电机组 PSCAD 接线图 1风的来源这个组件模型提供给风力涡轮机的风速。输入：ES：外部信号表示风的速度米/秒 输出：Vw：风速可涡轮米/秒外部输入的 ES 可用于任何类型的风的变化可能不被定义在组件的输入。用户可以选择启用或禁用该输入。参数设置2盐城工学院课程设计说明书（2015）常用的常数这部分主要是用来指定一个真正

27、的恒定值的数据信号线，或一个组件的输入。常用常数类似于实常数，但提供了预定义的，常见的常数。参数设置风力发电机组2盐城工学院课程设计说明书（2015）该组件模型的风力涡轮机。风速大众和连接到涡轮 W 机械速度输入。是涡轮叶片的角度和进度。TM 和 P 的输出转矩和功率分别为输入：VW：风速（必须是正数）米/秒W：机机械速度弧度/秒：俯仰角°输出：TM：涡轮的输出转矩p.u. P：涡轮机的输出功率p.u.，根据的等级在 PSCAD提供的风力机模型中，输入量为风速 Vw、风力机转速及桨距角，而输出量为机械转矩 Tm 和机械功率 P。在参数设置上，可对风力机容量、风力机半径和空气密度等进行

28、设置。参数设置2盐城工学院课程设计说明书（2015）图 4-3 永磁风力发电机组 PSCAD 接线图 2永磁同步电机该组件模型的永磁同步电机。除了三定子绕组短路绕组，两个额外的，模型的，和 Te电磁阻尼的影响。为输出电磁转矩。参数设置的速度可通过输入一个正数到的 W 输入直接2盐城工学院课程设计说明书（2015）三 SLD 电线转换器（）该组件可以用来将三相，电气信号（即在单行视图）为三个的单相电信号。当然，它也可以用于执行反向，即合并三个电气信号。的单相电信号转换为三相（单线）参数设置2盐城工学院课程设计说明书（2015）电压表电压表是用来创建一个信号，它代表了电位差（千伏）中的两个节点之间

29、的电路图。这个信号是由用户指定一个名称。接入信号，用户必须使用名称作为数据上的线或组件的输入连接。参数设置电力电子开关这个组件模型下面的电力电子器件：晶闸管二极管 GTO 和的晶体管所有的都表示为一个并联 RC 缓冲装置可选两电阻开关，如下图所示：晶闸管，GTO 和模型需要输入选通脉冲可以应用于高频开关和脉冲宽度调制的电力电子电路。内插脉冲可以通过使用内插脉冲分量提供给这些。在模拟电压源转换器或其他 FACTS 装置，必须确保所观察到的损失采取的是现实的。插值算法是自动调用所有自然换向过程和关断（正向转折）为了计算准确的即时切换。请注意，在或关闭使用的栅极信号的装置将不插除非在特别选定的输入参

30、数。2盐城工学院课程设计说明书（2015）参数设置2盐城工学院课程设计说明书（2015）图 4-4 永磁风力发电机组 PSCAD 接线图 3两输入选择器该组件的输出将信号连接到，或信号连接到 B，这取决于值。参数设置采样和保持这一块的操作是相当简单的。真正的输入传递到输出保持在 0。当将变为 1，输出被冻结在其先前的输出状态。在 2 个保持输入的情况下，信号必须是 1 的输出被冻结。2盐城工学院课程设计说明书（2015）参数设置（1）器这是一个组成部分，与非饱和限制可复位器。是一个系统功能的基本构建块，并可以设置使用梯形或矩形的集成。输出可以重置通过在明确的输入具有一个非零整数输入一个预定义的

31、值。1秒的默认值是时间常数的假定如果它的绝对值小于 10-20。插值的兼容性可提供集成|矩形选择。当启用时，时间和信号的极性时会考虑特定的时间步计算的精确。插值也可以启用兼容性特别对器件的清除输入。如果是这样，内插的信息用于确定复位确切的时间，从而计算出精确的输出值在下一个时间复位。2盐城工学院课程设计说明书（2015）参数设置3盐城工学院课程设计说明书（2015）3盐城工学院课程设计说明书（2015）4.3 永磁风力发电机结果分析图 4-5 永磁风力发电机结果图3盐城工学院课程设计说明书（2015）5过程中遇到的及解决的5.1过程中遇到的在做样例的过程中，我更改基于（x,y）（5,10）点为圆心半径 r=5 的圆用来判别阻改变姆欧继电器参数圈内动作时圆心为（x，y）=（5,31.5）半径为 32 通过公式X = R cos 60° + x Y = R sin 60° + y阻没有明显变化5.2解决的后来经过检查发