应用PSCAD进行新能源系统仿真研究

1、应用应用PSCAD进行进行新能源系统仿真研究新能源系统仿真研究武汉大学电气工程学院武汉大学电气工程学院杨志淳杨志淳2012.06 应用应用PSCAD进行新能源系统仿真研究进行新能源系统仿真研究第 2 页主要内容主要内容应用应用PSCAD进行新能源系统仿真研究进行新能源系统仿真研究第 3 页一、光伏发电工作原理及仿真一、光伏发电工作原理及仿真应用应用PSCAD进行新能源系统仿真研究进行新能源系统仿真研究第 4 页光伏发电系统结构图光伏发电系统结构图EapEbpEcpNp25000.0 uFg1pg3pg5pg4pg6pg2p212325242622UdcpABCABC0.27 kV#2#10.3

2、8 kV0.12 MVAIapIbpIcp100.0 uF100.0 uF100.0 uFVapVbpVcpIdcpTinSinVoutN25.01000.0VpvIpvEaEa应用应用PSCAD进行新能源系统仿真研究进行新能源系统仿真研究第 5 页最大功率控制原理最大功率控制原理光伏阵列电压与功率关系光伏阵列电压与功率关系应用应用PSCAD进行新能源系统仿真研究进行新能源系统仿真研究第 6 页 目前最常用的最大功率追踪方法有干扰法、电导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。流程如图所

3、示。电导增量法算法流程电导增量法算法流程最大功率控制流程最大功率控制流程应用应用PSCAD进行新能源系统仿真研究进行新能源系统仿真研究第 7 页 该算法的原理是光伏阵列该算法的原理是光伏阵列P-V曲线在功率最大值曲线在功率最大值Pmax处的斜率为零，即处的斜率为零，即P=UI。将两端对。将两端对U求导可得：求导可得：()0d pdIUd IIUd td Ud Ud IId UU 当当dI/dU-I/U时增加电压时增加电压U，当，当dI/dU-I/U时减小时减小电压电压U，使得，使得dI/dU=-I/U达到最大功率点电压达到最大功率点电压Umax，即，即通过比较光伏阵列的电导增量通过比较光伏阵列

4、的电导增量dI/dU和瞬时电导和瞬时电导-I/U来来调整工作点电压，从而实现最大功率追踪调整工作点电压，从而实现最大功率追踪.最大功率控制方法最大功率控制方法应用应用PSCAD进行新能源系统仿真研究进行新能源系统仿真研究第 8 页逆变器控制逆变器控制PpQp*-0.66666667*0.66666667NDN/DUdIdrefNDN/DIqrefD+F-D+F-IdIqG1 + sTG1 + sTUdD-E+F+*0.25Iq*0.25IdD-F-VdVqIPIP1. 逆变器采用双环控制，外环为功率控制环，内环为电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。流控制环。2. Pp/Q

5、p分别为光伏发电系统输出的有功功率和无功功率。分别为光伏发电系统输出的有功功率和无功功率。3.Vd/Vq为参考电压的为参考电压的d/q分量，分量，Ud为最大功率点时的电为最大功率点时的电压；压；Id/Iq为逆变器输出的电流的为逆变器输出的电流的d/q分量。分量。应用应用PSCAD进行新能源系统仿真研究进行新能源系统仿真研究第 9 页电压电流关系曲线电压电流关系曲线电压电流关系曲线电压电流关系曲线图中以电压为图中以电压为X轴，以电轴，以电流为流为Y轴。得到电压轴。得到电压-电流曲线，电流曲线，从图中可以看出，当电压在从图中可以看出，当电压在0.6kV左右时存在最大功率。左右时存在最大功率。应用应

6、用PSCAD进行新能源系统仿真研究进行新能源系统仿真研究第 10 页 PV_Inverter : Graphs 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 . . .0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 y Udcp Vap 0.000 0.025 0.050 0.075 0.100 0.125 0.150 0.175 0.200 0.225 . . .-0.40 -0.30 -0.20 -0.10 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 y Vap图中，（图中，（a）和（）和（b）都是

7、）都是以时间为为以时间为为X轴，图（轴，图（a）以直）以直流电容两端的电压为流电容两端的电压为Y轴；经轴；经过过8s的振荡以后，直流电压稳的振荡以后，直流电压稳定在设定值定在设定值6.3kV。图（。图（b）以）以逆变器输出的电压为逆变器输出的电压为Y轴，有轴，有效值为效值为220V的标准正弦电压。的标准正弦电压。 （a） 直流电容电压直流电容电压 （b）光伏系统输出电压）光伏系统输出电压应用应用PSCAD进行新能源系统仿真研究进行新能源系统仿真研究第 11 页 PV_Inverter : Graphs 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 . . .0

8、.00 10.00k20.00k30.00k40.00k50.00k60.00k70.00k80.00k90.00ky Pref Id 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20.0 . . .-2.0k-1.5k-1.0k-0.5k0.0 0.5k1.0ky Id Iq图中，（图中，（a）和（）和（b）都是）都是以时间为为以时间为为X轴，图（轴，图（a）以输）以输出有功功率的电压为出有功功率的电压为Y轴；经轴；经过过8s的振荡以后，直流电压稳的振荡以后，直流电压稳定在设定值定在设定值78kW。图（。图（b）以）以逆变器输出电流的逆变器输出电流的d/q轴分量轴

9、分量为为Y轴。轴。图图 （a） 输出功率（输出功率（b）输出电流的）输出电流的d/q轴分量轴分量应用应用PSCAD进行新能源系统仿真研究进行新能源系统仿真研究第 12 页 风力发电有多种不同的发电机组，本仿真主要介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。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

10、有打开此，双馈异步发电机可以看成是一个具有打开 的绕线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。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，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

11、机的有功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。功率和无功功率分别进行控制。 应用应用PSCAD进行新能源系统仿真研究进行新能源系统仿真研究第 13 页风力发电系统结构图风力发电系统结构图IstatorCTRLSTLNI MWV& Controls& ControlsGRIDConverterConverterGENERATORGABCSABCS2TMODETIMEWindTRQWind ParkTmCpVwWm0.28WpuWspdTIMES2TMODEVsP = 0.4757Q = -0.001374V = 1.008VA2.5 ohm0.04#1#21

12、MVA0.69 kV / 20 kVR=01. 最上方的两个方块为电网侧逆变器和电流侧逆变器的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。控制部分。2. 中间部分为异步发电机部分。中间部分为异步发电机部分。3.最右方方块为风轮机部分。最右方方块为风轮机部分。应用应用PSCAD进行新能源系统仿真研究进行新能源系统仿真研究第 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；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，经过交转子侧采用三相对称绕组，经过交-直直-交变频器与电网侧相连接，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

13、位、幅值、频率均可变，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。其中交其中励磁频率为转差频率。其中交-直直-交变频器为双交变频器为双PWM换流器，换流器，可实现四象限运行。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。定子无功功率。风轮机采用变桨距

14、控制，当风速小于额定风速时，桨距角为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。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风力发电系统控制及仿真应用应用PSCAD进行新能源系统仿真研究进行新能源系

15、统仿真研究第 15 页最大功率追踪控制最大功率追踪控制双馈风力发电机在变速运行区，即双馈风力发电机在变速运行区，即Cp恒定区的转速控制策恒定区的转速控制策略如下：在略如下：在Cp恒定区采用的最大风能跟踪策略，如图所示，想恒定区采用的最大风能跟踪策略，如图所示，想要跟踪要跟踪Cpmax运行曲线，必须在风速变化时及时调整风力机叶片运行曲线，必须在风速变化时及时调整风力机叶片的转速的转速nw，使其叶尖速比保持不变，即保持最佳叶尖速比，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也就能最大限度地捕获风能，这

16、就是风力机的最大风能，这就是风力机的最大风 能跟踪原理。可以通过控制能跟踪原理。可以通过控制 发电机输出有功功率来调节发电机输出有功功率来调节 发电机的电磁转矩，进而调发电机的电磁转矩，进而调 节发电机的转速。节发电机的转速。转速与功率曲线转速与功率曲线应用应用PSCAD进行新能源系统仿真研究进行新能源系统仿真研究第 16 页最大功率追踪控制结构图最大功率追踪控制结构图最大功率追踪控制最大功率追踪控制应用应用PSCAD进行新能源系统仿真研究进行新能源系统仿真研究第 17 页VbetaVsmagVcVaC-D+VbC-D+phisyphisxphsmagGsT1 + sTphisValfaGsT

17、1 + sT1sT1sTphis*0.00257IsaC-D+IsbIsc*0.00257*0.00257YXMPMPYXABC3 to 2 TransformalfabetaC+D-phisslpangAngleResolverTheta转子磁通角控制结构转子磁通角控制结构最大功率追踪控制最大功率追踪控制应用应用PSCAD进行新能源系统仿真研究进行新能源系统仿真研究第 18 页转子侧变换器矢量控制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持恒定时，定子有功功率与转子电流的转矩分

18、量irq成正比，成正比，而定子无功功率则完全由转子电流的励磁分量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。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功功率的解耦控制。转子电流的励磁分量ird和转矩分量和转矩分量irq分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别通过对定子无功功率的控制和实

19、现最大风能捕捉策略来得到。到。一般的控制策略中，为实现双馈风力发电机组的单位功一般的控制策略中，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率因数控制，设定定子侧无功功率的参考值为0。在最大风。在最大风能跟踪策略实现中，将发电机转速和参考转速能跟踪策略实现中，将发电机转速和参考转速 r_ref的偏差的偏差通过通过PI控制得到转子电流的转矩分量，其中控制得到转子电流的转矩分量，其中 r_ref是根据风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。速与机组运行情况确定的对应最大捕获风能的转速。应用应用PSCAD进行新能源系统仿真研究进行新能源系统仿真研究第 19

20、页7800 uFIrcIrbT1T1D2T1T2D1T2D2T1D1T2T4T5T6T3ErcIraErbEraT2D1D2GABCDADDDBDEDCDFV729S1IdcDECDEBDEADEFDEEDEDVA转子侧变换器矢量控制转子侧变换器矢量控制转子侧变换器电路图转子侧变换器电路图应用应用PSCAD进行新能源系统仿真研究进行新能源系统仿真研究第 20 页hynhyT1T4C-E+C-E+C-E+T3T6T5T2Irb_refIrc_refhyira_refira_refhyT1C+E+C+E-IrbIrc*-1.0ABCtrlCtrl =0S1ABCtrlCtrl =00.00.0S1

21、ABCtrlCtrl =0S1ABCtrlCtrl =00.00.0S1ABCtrlCtrl =0S1ABCtrlCtrl =00.00.0S1IraIra_ref*Scale2*Scale2*Scale2 转子侧变换器的控制电路转子侧变换器的控制电路转子侧变换器矢量控制转子侧变换器矢量控制应用应用PSCAD进行新能源系统仿真研究进行新能源系统仿真研究第 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

22、控制。其中电网侧换流器电流的直轴分量用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。器与电网之间的无功功率的交换。V1bV1cV1aD12T1D1D12T12T1D12T1D12T1I1bI1c2T17800 uFT1sT3sT5sD1T4sT6sT2sI1aSABCInEnP = -0.004244Q = 0.001533VAVA1e4ABCABC0.5#2#10.60.3BRK_CHP0.4ohmBRK_CHOP电网侧变换器矢量控制电网侧变

23、换器矢量控制 电网侧变换器电路图电网侧变换器电路图应用应用PSCAD进行新能源系统仿真研究进行新能源系统仿真研究第 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：三相静止坐标系下建立电网侧变换器的数学模型为：111111sacaaasbcbbbscccccuuiiduuLiR idtuuii 转子转子dq0旋转坐标系下数学模型为：旋转坐标系下数学模型为：1111111101000101ddsdcddqqsqcqqsciiuuidRdPiiuuPidtLLdtiiuui 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：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

24、：1111111ddsdcdqqsqcqiiuuRLdiiuuLRdtLLL应用应用PSCAD进行新能源系统仿真研究进行新能源系统仿真研究第 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：网侧换流器和电网之间交换的功率，即转子功率可表示为：113()2ssddsqqPu iu i113()2ssdqsqdQu iu i 由于采用电网电压定向的矢量控制方案，参考坐标系的由于采用电网电压定向的矢量控制方案，参考坐标系的d轴轴方向与电网电压一致，方向与电网电压一致，q轴沿旋转方向超前轴沿旋转方向超前d轴轴90，即有：，即有：0gdggquuu由此，上两式可写成：由此，上两式可写成：1

25、13232sgdsgqPuiQui 应用应用PSCAD进行新能源系统仿真研究进行新能源系统仿真研究第 24 页 对于直流回路中的对于直流回路中的电容器电容器C，两端电压电流表达式为：，两端电压电流表达式为： 由此可见，在电网电压保持恒定时，转子有功功由此可见，在电网电压保持恒定时，转子有功功率与率与ild成比例，而转子无功功率则与成比例，而转子无功功率则与ilq成比例，网侧成比例，网侧换流器实现了转子有功功率和无功功率的解耦控制。换流器实现了转子有功功率和无功功率的解耦控制。342d cldd c rd uCm iid t 根据以上分析，得出网侧换流器的矢量控制结构根据以上分析，得出网侧换流器

26、的矢量控制结构示意图如下：示意图如下：应用应用PSCAD进行新能源系统仿真研究进行新能源系统仿真研究第 25 页i1ai1ci1bi1aGsT1 + sTi1betai1alfai1q0.01326phii1di1di1qG1 + sTG1 + sTD+F-GsT1 + sTYXMPMPYX*1*1*1YXMXPYMPStatorto RotoralfaDQbetaABC3 to 2 TransformalfabetaVdref1Vqref1vqrefvdrefVarefVcrefVbrefphiYXMPMPYXYXMXPYMPto StatorDQRotoralfabetaABC2 to 3Transformalfabeta电压的电压的dq分量转换成分量转换成abc分量分量abc三相电流转换成三相电流转换成dq分量分量电网侧变换器矢量控制电网侧变换器矢量控制应用应用PSCAD进行新能源系统仿真研究进行新能源系统仿真研究第 26 页D-F-IPi1d*0i1qB+D-F+3.266Vdref1Vqref1D+F-EcaprefEcapIPD+F+GsT1 + sT*0IPD+F-EcapG1 + sTD+F-idref*1电流控制器结构图电流控制器结构图电网侧变换器矢量控制电网侧变换器矢量控制应用应用PSCAD进行新能源系统仿真研究