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。

ωref为某风速对应于风力机最佳叶尖速比的转速，与电机实际转速ωp.u.比较后经PI控制得到q轴转子电流的参考值
Irq_ref；无功功率参考值Qref由风力发电厂控制给定，与实际的无功Qg比较后经PI控制得到d轴转子电流的参考值Ird_ref，通过坐标变换得到转子三相电流参考值 Ira_ref、 Irb_ref和Irc_ref。

转子三相电流实际值与参考电流做比较，利用
基于电流滞环控制的PWM技术，设置当差值大于0.001时输出电平1，当差值
小于负0.001时输出电平0，作为换流器相应相上IGBT管的控制脉冲；反相后作为下IGBT管的控制脉冲，实现对发电机转速和无功的控制以及定子电压恒频恒压。

（2）网侧换流器电网电压定向控制
网侧换流器控制策略是：将电网电压矢量与同步旋转坐标系的d轴重合，通过调
节网侧换流器交流侧电流的d轴分量igd和q轴分量igq分别控制网侧换流器送
人电网的有功功率和无功功率。

控制框图如图2所示。

图2 中，ω为旋转坐标系同步电角速度，Lg为网侧换流器交流侧滤波电感，phi
为电网电压矢量的相位角。

根据瞬时功率理论可知影响直流电压的是有功功率[4]，直流电压Ecap与其参考值Ecap_ref的差值送入PI控制器，其输出作为igd的参考值igd_ref，大小决定有功功率的大小，符号决定有功功率的方向；igq的参考
值igq_ref一般取为零，此时网侧换流器工作在单位功率因数状态。

引入反馈量
ωLgigq、ωLgigd和电网电压ug作为补偿后，得到了相互解耦的d轴参考电压ud_ref和q轴参考电压uq_ref，经过坐标变换得到网侧变换器交流三相电压参考值ua_ref、ub_ref和uc_ref，再与三角波比较输出相应相上IGBT管的控制脉冲，反相后输出相应相下IGBT管的控制脉冲，最终达到保持直流电压恒定和控制换流器交流侧功率因数的目的。

本文运用PSCAD建立单台双馈风力发电机经变压器升压并入无穷大电网运行的仿真模型，主要参数如表1所示。

设置0.5秒前电机为转速控制，启动转速为1 p.u.，0.5秒后为转矩控制，功率因
数为1。

选取同步运行，转差率为-0.2和+0.2三种典型运行工况进行仿真计算，
对应的发电机转速分别为1 500 r/min、1 800 r/min和1 200 r/min、根据最佳
叶尖速比计算出对应的风速分别为10.9 m/s、13 m/s和8.7m/s，仿真得到的功率、转子电流和电压曲线如图3所示。

Pg为流向电网的有功功率，Ps为定子送出的有功功率，Pr为转子侧送出的有功功率；Ira、Irb和Irc为转子侧三相电流；ura、urb和urc转子三相电压。

由图3（a）可见，风速为10.9 m/s时，在0.5秒发电机由转速控制转为转矩控制，而后经过约1.8秒振荡，发电机进入稳态运行。

此时，发电机向电网送出的总功率为854 kW，定子绕组送出的有功功率为872 kW，发电机转子从电网吸收的有功功率为12 kW，转子电流频率接近零，转子电压近似为零[5]。

由图3(b)可见，发电机向电网送出的总功率为1.496 MW，定子绕组送出的有功
功率为1.256 MW，转子送出的有功功率为0.241 MW。

由图(c)可见，发电机向
电网送出的总功率为0.43 MW，定子送出的有功功率为0.556 MW，转子吸收的有功功率为0.119 MW。

两者相比，虽然转子电流和电压的频率相同，均为
0.2×50=10 Hz，但相序不同，这就是转子侧功率方向改变的根本原因。

进一步分析计算可知，忽略损耗时，图3中发电机送出的功率满足 Pg=Pr+Ps，同时满足Pr=-sPs。

图（b）中转子电流和电压有效值分别为计算可得转子侧功率为0.245 MW；图(c)中转子电流和电压有效值分别为计算可得转子侧功率为0.12 MW，两者与功率曲线结果对应。

通过对并网运行的双馈风电机组稳态特性的仿真结果可以看出，本文基于PSCAD 建立的单台双馈风力发电机组并入无穷大电网的模型是准确的。

随着风速的变化，该模型可以实现最大风能跟踪控制，换流器控制系统通过调节转子电流的大小和相位改变了功率的大小和流向。

【相关文献】
［1］褚俊龙.基于PSCAD的双馈风力发电机组的建模仿真分析［J］.科技创新与生产力，2015（10）：82-83，86.
［2］王立果，裴庆磊，刘丽莉，等.基于PSCAD/EMTDC的双馈式风力发电机建模与仿真分析［J］.电力科学与工程，2012，28（8）：24-29.
［3］冯双磊，赵海翔，任普春，等.基于PSCAD/EMTDC的双馈式变速恒频风电机组动态模型仿真［J］.电网技术，2009，31（17）：30-35.
［4］闫耀民.双馈调速风力发电机系统的研究［D］.北京：北方交通大学，2003.
［5］郁灿，金新民，张禄，等.双馈风力发电机的稳态分析［J］.大功率变流技术，2010（4）：19-23.。