應用pscad進行新能源系統(tǒng)仿真研究

1、應用PSCAD進行新能源系統(tǒng)仿真研究,,武漢大學電氣工程學院楊志淳2012.06,第 2 頁,主要內(nèi)容,一、光伏發(fā)電系統(tǒng)工作原理及仿真 二、風力發(fā)電系統(tǒng)工作原理及仿真,第 3 頁,光伏發(fā)電系統(tǒng)一般由光伏陣列模塊、逆變器和控制器三部分組成。逆變器將光伏電池所產(chǎn)生的直流電能逆變?yōu)榻涣餍问健？刂破骺刂乒夥姵刈畲蠊β庶c追蹤、逆變器并網(wǎng)的功率和電流的波形，從而使向電網(wǎng)或負載輸送的功率與光伏陣列模塊所發(fā)的最大電能功率相平衡。

2、,一、光伏發(fā)電工作原理及仿真,第 4 頁,光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,1. 最左邊的方框為光伏陣列模塊，輸出的電壓為Vpv，電流為Ipv，功率為Ppv。2. Udcp為直流側(cè)電容兩端的電壓，Ea/Eb/Ec為逆變器輸出的電壓。逆變器通過變壓器以及濾波電容并入電網(wǎng)。,第 5 頁,光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率與輸出電壓受環(huán)境溫度和光照強度的影響，產(chǎn)生非線性變化，且在一定光照強度和環(huán)境溫度下，其輸出功率與電壓的曲線只有一個最大功率點（如圖

3、所示）。為了提高光伏電池的運行效率，就要保證光伏電池一直以最大功率運行。,最大功率控制原理,光伏陣列電壓與功率關(guān)系,第 6 頁,目前最常用的最大功率追蹤方法有干擾法、電導增量法、滯環(huán)比較法等，本仿真采用電導增量法，其流程如圖所示。,電導增量法算法流程,最大功率控制流程,第 7 頁,該算法的原理是光伏陣列P-V曲線在功率最大值Pmax處的斜率為零，即P=UI。將兩端對U求導可得：,當dI/dU>-I/U時增加電壓U，當dI/dU&l

4、t;-I/U時減小電壓U，使得dI/dU=-I/U達到最大功率點電壓Umax，即通過比較光伏陣列的電導增量dI/dU和瞬時電導-I/U來調(diào)整工作點電壓，從而實現(xiàn)最大功率追蹤.,最大功率控制方法,第 8 頁,逆變器控制,1. 逆變器采用雙環(huán)控制，外環(huán)為功率控制環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流控制環(huán)。2. Pp/Qp分別為光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的有功功率和無功功率。Vd/Vq為參考電壓的d/q分量，Ud為最大功率點時的電壓；Id/Iq為逆變器輸

5、出的電流的d/q分量。,第 9 頁,電壓電流關(guān)系曲線,電壓電流關(guān)系曲線,圖中以電壓為X軸，以電流為Y軸。得到電壓-電流曲線，從圖中可以看出，當電壓在0.6kV左右時存在最大功率。,第 10 頁,圖中，（a）和（b）都是以時間為為X軸，圖（a）以直流電容兩端的電壓為Y軸；經(jīng)過8s的振蕩以后，直流電壓穩(wěn)定在設定值6.3kV。圖（b）以逆變器輸出的電壓為Y軸，有效值為220V的標準正弦電壓。,（a） 直流電容電壓 （b）光伏系統(tǒng)輸出電壓,第

6、11 頁,圖中，（a）和（b）都是以時間為為X軸，圖（a）以輸出有功功率的電壓為Y軸；經(jīng)過8s的振蕩以后，直流電壓穩(wěn)定在設定值78kW。圖（b）以逆變器輸出電流的d/q軸分量為Y軸。,圖 （a） 輸出功率（b）輸出電流的d/q軸分量,第 12 頁,風力發(fā)電有多種不同的發(fā)電機組，本仿真主要介紹雙饋風力發(fā)電機組。 雙饋風力發(fā)電機，即雙饋異步發(fā)電機是在普通繞線形異步感應電機的基礎上外加了連接在轉(zhuǎn)子滑環(huán)與定子之間的四象限變頻器

7、及其控制系統(tǒng)而構(gòu)成的。因此，雙饋異步發(fā)電機可以看成是一個具有打開 的繞線式轉(zhuǎn)子接有外加電壓源的傳統(tǒng)異步發(fā)電機，此外加電壓源通過變頻器引入，變頻器對轉(zhuǎn)子回路電流實現(xiàn)頻率、幅值和相位的調(diào)節(jié)，起到了勵磁電源的作用。,二、風力發(fā)電工作原理及仿真,雙饋異步發(fā)電機除通過定子向電網(wǎng)饋入功率外，還通過部分功率變頻器與電網(wǎng)之間交換轉(zhuǎn)差功率，并可以通過變頻器的控制對整個雙饋異步發(fā)電機的有功功率和無功功率分別進行控制。,第 13 頁,風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,1.

8、 最上方的兩個方塊為電網(wǎng)側(cè)逆變器和電流側(cè)逆變器的 控制部分。2. 中間部分為異步發(fā)電機部分。最右方方塊為風輪機部分。,第 14 頁,在雙饋風力發(fā)電機中，發(fā)電機的定子側(cè)直接與電網(wǎng)側(cè)相連；轉(zhuǎn)子側(cè)采用三相對稱繞組，經(jīng)過交-直-交變頻器與電網(wǎng)側(cè)相連接，以提供發(fā)電機交流勵磁，勵磁電流的相位、幅值、頻率均可變，其中勵磁頻率為轉(zhuǎn)差頻率。其中交-直-交變頻器為雙PWM換流器，可實現(xiàn)四象限運行。電網(wǎng)側(cè)換流器的主要任務是保證電流波形

9、和功率因數(shù)滿足要求以及保證直流母線電壓的穩(wěn)定，轉(zhuǎn)子側(cè)換流器的主要任務是調(diào)節(jié)有功功率，實現(xiàn)最大風能捕獲以及為轉(zhuǎn)子回路提供勵磁，調(diào)節(jié)定子無功功率。風輪機采用變槳距控制，當風速小于額定風速時，槳距角為零度，采用最大功率跟蹤策略來實現(xiàn)最大風能的捕獲；當風速增加到大于額定風速時，變槳距裝置動作，槳距角逐漸變大，將發(fā)電機的輸出功率限制在額定功率附近。但由于風輪機的轉(zhuǎn)動慣量較大，因此變槳距裝置動作具有一定的時延。,風力發(fā)電系統(tǒng)控制及仿真,第 15

10、頁,最大功率追蹤控制,雙饋風力發(fā)電機在變速運行區(qū)，即Cp恒定區(qū)的轉(zhuǎn)速控制策略如下：在Cp恒定區(qū)采用的最大風能跟蹤策略，如圖所示，想要跟蹤Cpmax運行曲線，必須在風速變化時及時調(diào)整風力機葉片的轉(zhuǎn)速nw，使其葉尖速比保持不變，即保持最佳葉尖速比?opt，就可以獲得最佳的風能利用系數(shù)Cpmax,也就能最大限度地捕獲風能，這就是風力機的最大風

11、 能跟蹤原理。可以通過控制 發(fā)電機輸出有功功率來調(diào)節(jié) 發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩，進而調(diào)

12、 節(jié)發(fā)電機的轉(zhuǎn)速。,轉(zhuǎn)速與功率曲線,第 16 頁,最大功率追蹤控制結(jié)構(gòu)圖,最大功率追蹤控制,第 17 頁,轉(zhuǎn)子磁通角控制結(jié)構(gòu),最大功率追蹤控制,第 18 頁,轉(zhuǎn)子側(cè)變換器矢量控制,轉(zhuǎn)子變流器矢量控制的目的是當定子磁鏈或定子電壓保持恒定時，定子有功功率與轉(zhuǎn)子電流的轉(zhuǎn)矩分量irq成正比，而定子無功功率則完全由轉(zhuǎn)子電流的勵磁分量ird決定。轉(zhuǎn)子換流器矢量控制實現(xiàn)了有功功率和無功功率控制的解耦，或者說實現(xiàn)了電磁轉(zhuǎn)矩與定子勵磁控制

13、的解耦。轉(zhuǎn)子側(cè)換流器實現(xiàn)了雙饋風力發(fā)電機定子有功功率和無功功率的解耦控制。轉(zhuǎn)子電流的勵磁分量ird和轉(zhuǎn)矩分量irq分別通過對定子無功功率的控制和實現(xiàn)最大風能捕捉策略來得到。一般的控制策略中，為實現(xiàn)雙饋風力發(fā)電機組的單位功率因數(shù)控制，設定定子側(cè)無功功率的參考值為0。在最大風能跟蹤策略實現(xiàn)中，將發(fā)電機轉(zhuǎn)速和參考轉(zhuǎn)速?r_ref的偏差通過PI控制得到轉(zhuǎn)子電流的轉(zhuǎn)矩分量，其中?r_ref是根據(jù)風速與機組運行情況確定的對應最大捕獲風能的轉(zhuǎn)速。

14、,第 19 頁,轉(zhuǎn)子側(cè)變換器矢量控制,轉(zhuǎn)子側(cè)變換器電路圖,第 20 頁,轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的控制電路,轉(zhuǎn)子側(cè)變換器矢量控制,第 21 頁,電網(wǎng)側(cè)換流器的控制采用了基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制方案，此矢量控制方案用于電網(wǎng)與電網(wǎng)側(cè)換流器之間傳輸?shù)挠泄β屎蜔o功功率的解耦控制。其中電網(wǎng)側(cè)換流器電流的直軸分量用來控制直流母線電壓保持恒定，而交軸分量用來控制電網(wǎng)側(cè)換流器與電網(wǎng)之間的無功功率的交換。,電網(wǎng)側(cè)變換器矢量控制,電網(wǎng)側(cè)變換器電路圖,第 22 頁,

15、abc三相靜止坐標系下建立電網(wǎng)側(cè)變換器的數(shù)學模型為：,轉(zhuǎn)子dq0旋轉(zhuǎn)坐標系下數(shù)學模型為：,由于換流變壓器采用了零序分量消除設計，因此上式可以寫為：,第 23 頁,網(wǎng)側(cè)換流器和電網(wǎng)之間交換的功率，即轉(zhuǎn)子功率可表示為：,由于采用電網(wǎng)電壓定向的矢量控制方案，參考坐標系的d軸方向與電網(wǎng)電壓一致，q軸沿旋轉(zhuǎn)方向超前d軸90°，即有：,由此，上兩式可寫成：,第 24 頁,對于直流回路中的電容器C，兩端電壓電流表達式為：,由此可見，在電網(wǎng)電

16、壓保持恒定時，轉(zhuǎn)子有功功率與ild成比例，而轉(zhuǎn)子無功功率則與ilq成比例，網(wǎng)側(cè)換流器實現(xiàn)了轉(zhuǎn)子有功功率和無功功率的解耦控制。,根據(jù)以上分析，得出網(wǎng)側(cè)換流器的矢量控制結(jié)構(gòu)示意圖如下：,第 25 頁,電壓的dq分量轉(zhuǎn)換成abc分量,abc三相電流轉(zhuǎn)換成dq分量,電網(wǎng)側(cè)變換器矢量控制,第 26 頁,電流控制器結(jié)構(gòu)圖,電網(wǎng)側(cè)變換器矢量控制,第 27 頁,風力發(fā)電系統(tǒng)仿真,圖中，（a）和（b）都是以時間為為X軸，圖（a）以輸出的有功和無功為Y軸；