07_应用PSCAD进行新能源系统仿真研究
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应用PSCAD进行新能源系统仿真研究
风力发电系统控制及仿真
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。
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应用PSCAD进行新能源系统仿真研究
二、风力发电工作原理及仿真
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。 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。
sT 1 + sT sT 1 + sT
M M Vsmag phsmag
1 sT
phis C Theta + D Angle Resolver slpang
转子磁通角控制结构
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应用PSCAD进行新能源系统仿真研究
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。
（a） 直流电容电压 （b）光伏系统输出电压
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应用PSCAD进行新能源系统仿真研究
PV_Inverter : Graphs 90.00k 80.00k 70.00k 60.00k 50.00k 40.00k 30.00k 20.00k y Pref
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。
0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0.00 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0
y
Vap 0.40 0.30 0.20 0.10 Vap
y
0.00 -0.10 -0.20 -0.30 -0.40 0.000 0.025 0.050 0.075 0.100 0.125 0.150 0.175 0.200 0.225
R=0 2.5 [ohm] 0.04
1 [MVA] 0.69 [kV] / 20 [kV] #2 #1
W IM S S2TMODE TL WindTRQ Wind Park Wm Wpu TIME S2TMODE Tm Vw Wspd TIME
Cp
0.28
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。 3. 最右方方块为风轮机部分。
+y
-y 0.10 0.30 0.50 Position
+x 0.70 Width 20.0
电压电流关系曲线
第9页
应用PSCAD进行新能源系统仿真研究
PV_Inverter : Graphs 0.80 0.70 0.60 Udcp
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。
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201206应用pscad进行新能源系统仿真研究二风力发电系统工作原理及仿真应用pscad进行新能源系统仿真研究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
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
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应用PSCAD进行新能源系统仿真研究
逆变器控制
Pp * -0.66666667 N P N/D D Idref Id Iq N P N/D D Iqref Iq Id D + F * 0.25 I * 0.25 G 1 + sT D + F Ud I G 1 + sT D E ++ F Vd
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应用PSCAD进行新能源系统仿真研究
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。
应用PSCAD进行新能源系统仿真研究
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2页
应用PSCAD进行新能源系统仿真研究
一、光伏发电工作原理及仿真
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。
Qp
* 0.66666667
D
-
F
Vq
Ud
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。 3. 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。
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1.
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GABC
转子侧变换器电路图
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转子侧变换器矢量控制
Ira Irb Irc
* Scale2
* Scale2
* Scale2
C + E Ira_ref 0.0 A B Ctrl S1 T1 T1 E Irb_ref Ctrl = 0 C + 0.0 A B Ctrl S1 A B Ctrl S1 T4 0.0 B Ctrl S1 T6 Ctrl = 0 A 0.0 Ctrl = 0 T3 Ctrl = 0
电压电流关系曲线
Vpv
PV_Inverter : XY Plot X Coordinate Y Coordinate Ipv
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。
0.200 0.180 0.160 0.140 0.120 0.100 0.080 0.060 0.040 0.020 -x 0.000 -0.10 Aperture
0.12 [MVA]
25.0 1000.0
Tin Sin
Vout N
Ipv Vpv
Udcp
0.38 [kV] 0.27 [kV]
Vap
Vbp
Vcp
4 2 g4p
6 2 g6p
2 2 g2p Np
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。 3. 逆变器通过变压器以及滤波电容并入电网。
第5页
应用PSCAD进行新能源系统仿真研究
最大功率控制流程 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
第6页
应用PSCAD进行新能源系统仿真研究
最大功率控制方法 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：
第4页
1.
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最大功率控制原理
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。
PV_Inverter : XY Plot X Coordinate Udcp Y Coordinate Ppv
100.00k 80.00k 60.00k 40.00k 20.00k 0.00
+y
光伏阵列电压与功率关系
-x
+x
-y -20.00k 0.00 Aperture
0.10 0.000s
0.20
0.30
0.40 1.503s
0.50
0.60
0.70
0.80
Width 20.0 Position 0.000
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转子侧变换器矢量控制
Idc DEC DC DEB DB DEA DA D1 T1 T5 Era V729 S1 Erc DEF DF DEE DE DED DD D2 T2 T2 Irb Ira Irc D2 T2 T6 D2 T2 T4 Erb D1 T1 T3 D1 T1 7800 [uF] T1 A V
dp d ( IU ) dI I U 0 dt dU dU
dI I dU U
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.
第 12 页
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风力发电系统结构图
CTRL GRID Converter & Controls SABC P = 0.4757 Q = -0.001374 V = 1.008 A V Vs V N Istator GENERATOR Converter & Controls GABC
10.00k 0.00 0.0 2.0 4.0 6.0
Id 1.0k 0.5k 0.0 -0.5k -1.0k -1.5k -2.0k 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20.0 Id Iq
8.0
10.0
12.0
14.0
16.0
y
图 （a） 输出功率（b）输出电流的d/q轴分量
转速与功率曲线
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应用PSCAD进行新能源系统仿真研究
最大功率追踪控制
最大功率追踪控制结构图
第 16 页
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最大功率追踪控制
D + Va C * Isa 0.00257 D + Vb C * Isb 0.00257 * Isc 0.00257 phis D + Vc C A Valfa B 3 to 2 Transform beta Vbeta C alfa 1 sT G G phisx X Y P X Y phisy P phis
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光伏发电系统结构图
Idcp 1 2 g1p 25000.0 [uF] 3 2 g3p 5 2 g5p A Ea B C #2 #1 B C 100.0 [uF] 100.0 [uF] 100.0 [uF] Ibp Icp
Ea A Iap Eap Ebp Ecp
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风力发电系统控制及仿真
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。
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二、风力发电工作原理及仿真
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。 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。
sT 1 + sT sT 1 + sT
M M Vsmag phsmag
1 sT
phis C Theta + D Angle Resolver slpang
转子磁通角控制结构
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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。
（a） 直流电容电压 （b）光伏系统输出电压
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PV_Inverter : Graphs 90.00k 80.00k 70.00k 60.00k 50.00k 40.00k 30.00k 20.00k y Pref
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。
0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0.00 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0
y
Vap 0.40 0.30 0.20 0.10 Vap
y
0.00 -0.10 -0.20 -0.30 -0.40 0.000 0.025 0.050 0.075 0.100 0.125 0.150 0.175 0.200 0.225
R=0 2.5 [ohm] 0.04
1 [MVA] 0.69 [kV] / 20 [kV] #2 #1
W IM S S2TMODE TL WindTRQ Wind Park Wm Wpu TIME S2TMODE Tm Vw Wspd TIME
Cp
0.28
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。 3. 最右方方块为风轮机部分。
+y
-y 0.10 0.30 0.50 Position
+x 0.70 Width 20.0
电压电流关系曲线
第9页
应用PSCAD进行新能源系统仿真研究
PV_Inverter : Graphs 0.80 0.70 0.60 Udcp
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。
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201206应用pscad进行新能源系统仿真研究二风力发电系统工作原理及仿真应用pscad进行新能源系统仿真研究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
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武汉大学电气工程学院 杨志淳 2012.06
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逆变器控制
Pp * -0.66666667 N P N/D D Idref Id Iq N P N/D D Iqref Iq Id D + F * 0.25 I * 0.25 G 1 + sT D + F Ud I G 1 + sT D E ++ F Vd
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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。
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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
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一、光伏发电工作原理及仿真
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。
Qp
* 0.66666667
D
-
F
Vq
Ud
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。 3. 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。
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GABC
转子侧变换器电路图
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转子侧变换器矢量控制
Ira Irb Irc
* Scale2
* Scale2
* Scale2
C + E Ira_ref 0.0 A B Ctrl S1 T1 T1 E Irb_ref Ctrl = 0 C + 0.0 A B Ctrl S1 A B Ctrl S1 T4 0.0 B Ctrl S1 T6 Ctrl = 0 A 0.0 Ctrl = 0 T3 Ctrl = 0
电压电流关系曲线
Vpv
PV_Inverter : XY Plot X Coordinate Y Coordinate Ipv
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。
0.200 0.180 0.160 0.140 0.120 0.100 0.080 0.060 0.040 0.020 -x 0.000 -0.10 Aperture
0.12 [MVA]
25.0 1000.0
Tin Sin
Vout N
Ipv Vpv
Udcp
0.38 [kV] 0.27 [kV]
Vap
Vbp
Vcp
4 2 g4p
6 2 g6p
2 2 g2p Np
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。 3. 逆变器通过变压器以及滤波电容并入电网。
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最大功率控制流程 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
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最大功率控制方法 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：
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最大功率控制原理
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。
PV_Inverter : XY Plot X Coordinate Udcp Y Coordinate Ppv
100.00k 80.00k 60.00k 40.00k 20.00k 0.00
+y
光伏阵列电压与功率关系
-x
+x
-y -20.00k 0.00 Aperture
0.10 0.000s
0.20
0.30
0.40 1.503s
0.50
0.60
0.70
0.80
Width 20.0 Position 0.000
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转子侧变换器矢量控制
Idc DEC DC DEB DB DEA DA D1 T1 T5 Era V729 S1 Erc DEF DF DEE DE DED DD D2 T2 T2 Irb Ira Irc D2 T2 T6 D2 T2 T4 Erb D1 T1 T3 D1 T1 7800 [uF] T1 A V
dp d ( IU ) dI I U 0 dt dU dU
dI I dU U
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.
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风力发电系统结构图
CTRL GRID Converter & Controls SABC P = 0.4757 Q = -0.001374 V = 1.008 A V Vs V N Istator GENERATOR Converter & Controls GABC
10.00k 0.00 0.0 2.0 4.0 6.0
Id 1.0k 0.5k 0.0 -0.5k -1.0k -1.5k -2.0k 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20.0 Id Iq
8.0
10.0
12.0
14.0
16.0
y
图 （a） 输出功率（b）输出电流的d/q轴分量
转速与功率曲线
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最大功率追踪控制
最大功率追踪控制结构图
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最大功率追踪控制
D + Va C * Isa 0.00257 D + Vb C * Isb 0.00257 * Isc 0.00257 phis D + Vc C A Valfa B 3 to 2 Transform beta Vbeta C alfa 1 sT G G phisx X Y P X Y phisy P phis
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光伏发电系统结构图
Idcp 1 2 g1p 25000.0 [uF] 3 2 g3p 5 2 g5p A Ea B C #2 #1 B C 100.0 [uF] 100.0 [uF] 100.0 [uF] Ibp Icp
Ea A Iap Eap Ebp Ecp