风力发电机组监测与控制课程设计说明书基于PSCAD的双馈风力发电系统的建模与仿真专业新能源科学与工程学生姓名李坤班级能源111学号**********指导教师张兰红完成日期2015年1 月10 日摘要电力是国家的支柱能源和工业经济命脉，经济的飞速发展而导致用电量的急剧增加和国内各大型电厂的建设投产将出现大规模的联合供电系统，这样的供电系统的建立将带来巨大的经济和社会效益，但是，如何保证系统安全、稳定、经济的运行以及保障供电质量是摆在电力科技人员面前的一个重大而迫切的问题。

本论文首先介绍了STATCOM具体的工作原理，对STATCOM的电路结构及其无功补偿的原理进行了分析。

然后，通过数学推导建立了STATCOM在abc坐标系以及dq0坐标系下的数学模型，并叙述了本文所采用的常规矢量控制策略的具体控制方法。

分析了双馈型风电场接入输电系统后的暂态特性以及对电力系统暂态稳定性的影响。

基于PSCAD仿真平台建立了风力机模型和双馈型发电机组的动态数学模型，在换流器建模方面，转子侧换流器的矢量控制实现了有功功率和无功功率的解耦控制，网络侧换流器的矢量控制实现了直流母线电压保持恒定以及调节输入系统的无功功率。

关键词:风电场；双馈型发电机；暂态稳定；目录目录 (1)1 引言 (2)2 PSCAD软件简介 (3)3 PSCAD样例说明 (4)3.1 STATCOM功能与工作原理分析 (4)3.2 STATCOM仿真模型的建立过程 (8)3.3 STATCOM仿真结果分析 (12)4.1 双馈风力发电机工作原理与控制方法 (14)4.1.1定子磁链定向矢量控制 (19)4.1.2 定子磁链观测 (23)4.2 双馈风力发电机仿真模型的建立 (24)4.3 双馈风力发电机仿真结果分析 (29)5 仿真过程中遇到的问题及解决的方法 (33)6 结论 (35)7 参考文献 (36)附录 (37)附录1：STATCOM原理图 (37)附录2：STATCOM仿真电路图 (37)附录3：双馈风力发电机原理图 (38)附录4：双馈风力发电机仿真电路图 (38)1 引言电力是国家的支柱能源和工业经济命脉，经济的飞速发展而导致用电量的急剧增加和国内各大型电厂的建设投产将出现大规模的联合供电系统，这样的供电系统的建立将带来巨大的经济和社会效益，但是，如何保证系统安全、稳定、经济的运行以及保障供电质量是摆在电力科技人员面前的一个重大而迫切的问题。

由于配电网结构、运行变化等原因，我国配电网损耗、电压合格率等技术指标与发达国家相比有很大差距，由于电压不合格等原因造成用户电器烧毁的现象仍然存在，而网损过高使得生产的宝贵电能白白浪费，而且影响电力企业的经济效益。

在人们日常生活以及工业生产中，感性负载所占据的比例增大，无功功率问题逐渐成为电力系统和电力用户都十分关注的问题，也是近年来各方面关注的热点之一，功率因数也是衡量电能质量三大指标之一，功率因数也是衡量电能质量三大指标之一。

容性负载包括计算机、开关电源、电视、输电线路等，虽然所占比例不大，但是对电力系统的影响也不容忽视。

输电线路的电感性无功功率小，由于电容效应，输电线路产生的的容性充电功率大于输电线路吸收的电感性无功功率，必须满足电力系统无功平衡的需要，维持电力系统的电压水平，否则电力系统电压过高，将无法保证安全运行。

2 PSCAD软件简介PSCAD/EMTDC是当前国际上普遍流行的一种电磁暂态分析软件包，它主要用来研究电力系统的暂态过程。

该软件包也能适用于一般电气电子线路以及可等价地用电路来描述系统的仿真分析。

该软件具有大规模的计算容量、完整而准确的元件模型库、稳定高效的计算内核、友好的界面和良好的开放性等特点。

特别是良好的图形用户界面使得用户可通过图形添加的方式来解决一些复杂的电路功能，相对于基于数学模型的Matlab 仿真软件而言，更易于被人们接受。

PSCAD/ EMTDC包括了电路、电力电子、电机等电气工程学科中常用的元件模型，这些元件模型主要分布在以下元件库中：（1）无源元件库(Passive Elements)：集中参数电阻R、电感L 、电容C; 随时间变化的电阻R 、电感L 、电容C等；（2）电源模块库(Sources Models)：各种电压源、电流源和多相谐波源等（3）变压器模块库(Transformer Models)：各种单相、三相变压器；（4）电机模块库(Machines)：电动机、发电机等；（5）测量仪器库(Meters)：单相电压表、电流表、三相电压表( RMS)、瞬时有功功率/ 无功功率表、频率表及相位( 差) 表;（6）输入、输出模块库(I/O Devices)：输入的两状态开关，输出示波器等；（7）高压直流输电和柔性交流传输模块(HVDC ＆FACTS)：包括二极管、晶闸管、GT O、IGBT及单相桥、三相桥等（8）控制系统模型库(Control System Modeling Functions)：包含91 种交/ 直流控制、数字/ 模拟控制模型；此外，PSCAD/EMTDC还具有强大的自定义功能，用户可以根据自己的需要创建具有特定功能的电路模块。

3 PSCAD样例说明3.1 STATCOM功能与工作原理分析静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator, STATCOM)，是目前最先进的无功补偿技术，近年来随着电力电子开关技术的进步而逐渐兴起。

STATCOM的原理是利用全控型大功率电力电子器件构成可控的电压源或电流源，使其输出电流超前或滞后系统电压90 ，从而对系统所需的无功进行动态补偿。

早期有文献称之为静止无功发生器(Static Var Generator, SVG) 。

利用电力电子变流器进行无功补偿的可能性虽然早在 20 年前就已经为人们所认识，但限于当时电力电子器件的耐压和功率水平，无法制造出输电系统中具有实用价值的装置。

直到近年来，尤其是高压大功率的门极可关断晶闸管GTO的出现，才极大的推动了STATCOM的开发和应用。

STATCOM 是并联型FACTS 设备，它同基于可控电抗器和投切电容器的传统静止无功补偿器SVC相比，性能上具有极大的优越性，越来越得到广泛的重视，必将取代 SVC 成为新一代的无功电压控制设备。

从理论上分析，STATCOM的直流侧可以采用电容或者电感两种形式。

因此，其基本拓扑结构分为电压源型和电流源型，分别如图 3-1、3-2 所示：图 3-1 电压源型STA TCOM图 3-2 电流源型STA TCOM实际上，目前STATCOM 装置中研究最深入、应用最广泛是电压源型逆变器结构，原因如下：1、电流源型逆变器的工作原理，需要采用具有对称特性的大功率开关器件，即双向电压阻断能力。

而目前常用的可关断器件存在反向阻断能力差、导通损耗过大的问题；相比之下，电压源型逆变器则不会受到该限制。

2、电流源型逆变器直流侧储能电感不具备防止器件过电压的能力，因此需要安装额外的保护电路或者增大取值裕量；相比之下，电压源型逆变器的直流电容本身具备防止功率器件过电压的能力。

3、电流源型逆变器的直流侧储能电抗在工作中会产生比较大的损耗，给装置设计带来困难；而电压源型逆变器的储能电容损耗要小的多。

电压源型逆变器具有的以上优势使其成为目前条件下更合理的选择，因此本文主要研究基于电压源型逆变电路的STATCOM。

电压源型STATCOM 的工作原理，是通过可控的大功率电力电子开关器件将直流侧电压进行逆变，从而在逆变器交流侧输出一个与电网同频的正弦电压。

此时STATCOM 可以视为一个与电网同步的并且灵活控制的交流电压源，其接入系统时的等效电路如图 3-3：图 3-3 电压源型 STA TCOM 接入系统的等效图图中U S •为 STATCOM 公共接入点(Point of Common Coupling, PCC )处系统电压， U I •为 STATCOM 交流侧逆变输出电压，L 为连接电抗器，于是 STATCOM 装置输出的电流为：进而得到 STATCOM 输出的单相视在功率为：在理论上，STATCOM 只对无功进行补偿，因此与电网之间不存在有功的往返。

然而实际上由于开关损耗以及电容和电抗上等效电阻的存在，STATCOM 装置还是需要从电网吸收很小的有功电流以维持直流侧电压平衡。

由于这部分有功相比无功非常微小，因此在进行理论分析的时候一般忽略不计。

最后近似认为STATCOM 输出的电压U I •与电网电压U S •相位相同，从而得到装置输出的单相无功功率为：由以上分析可得，在正常工作时 STATCOM 具有无功双向调节能力：即容性工况和感性工况，分别如下图所示：图 3-4 容性工况图 3-5 感性工况 (1) 当U I •＞U S •，即 STATCOM 装置交流侧逆变电压幅值大于系统电压幅值，此时流过电抗器的补偿电流超前系统电压90°，STATCOM 装置向系统输出 正的无功功率(Q ＞0)，处于容性工况。

(2) 当U I •＜U S •，即 STATCOM 装置交流侧逆变电压幅值小于系统电压幅值，此时电抗器上的补偿电流滞后系统电压90°，STATCOM 装置向系统输出负的无功功率(Q ＜0)，处于感性工况。

综上所述，STATCOM 的工作原理与以往的无功补偿技术存在本质区别。

通过对逆变器交流侧电压的幅值和相位进行调控，或者直接对其补偿电流进行跟踪控制，就能够在容性到感性范围内连续调节无功补偿电流，并且做到精确的稳态跟踪准以及快速的动态响应。

3.2 STATCOM仿真模型的建立过程简单的6-脉冲的静止同步补偿器（STATCOM）图3-6电压控制与PI控制器主电路搭建：交流系统：电压115kv短电路500mva电压控制装置的电压水平，是：0.78 PU正常条件0.61 PU故障条件负载：电力88mva功率因数0.884故障：3单相接地阻抗的75与X / R比率等于1-发生在1.5秒和0.75秒图3-7 主电路图3-8两电平电压型statcom如图3-9所示将直流侧电压与直流基准电压的差值经PI调节得到直流侧电流图3-9 电压控制环检测算法的实现如图3-10 3-11所示通过PLL模块得到电网电压相角wt图3-10 三角波形的交流电压的同步发电系统图3-11 参考波形的同步系统交流电压和偏移角单相生成如图3-12所示对上述差值进行滞环控制得到PWM波其中环宽为0.002。

图3-12 触发脉冲的产生3.3 STATCOM仿真结果分析图3-13 为系统仿真主接线图其中仿真参数设置电网电压为115kV，容量为μ。

100MVA，频率为50HZ，系统等效电阻为0.1Ω，直流侧电容为300F 故障设置在1.5S，三相故障接地，持续时间为0.5S。