基于PSCAD的双馈风力发电实际电网建模与仿真验证

张俊杰,朱燕舞,韩天华,杨 骞

(1.国电龙源电气有限公司,北京 100039;2.国网河北省电力公司邢台供电分公司,河北 邢台 054001)

基于PSCAD的双馈风力发电实际电网建模与仿真验证

张俊杰1,朱燕舞2,韩天华2,杨 骞2

(1.国电龙源电气有限公司,北京 100039;2.国网河北省电力公司邢台供电分公司,河北 邢台 054001)

介绍双馈风电机组控制策略,在对仿真软件PSCAD/EMTDC分析的基础上,基于元件库中的File Reader、Current Source和电路理论,提出一种仿真实际电网的方法。搭建了仿真实际电网的受控电压源模型,研究了实际电网下双馈风力发电系统的控制效果。通过对比分析仿真和实测结果,验证了上述搭建的模型可以很好的仿真实际电网,为研究实际风机在电网异常情况下故障停机的原因打下了基础。

PSCAD/EMTDC;双馈风力发电;受控电压源;仿真验证

0 引言

目前,风力发电中兆瓦级双馈风电机组占很大比重,国内外研究机构对其进行广泛的研究。文献[14]对双馈风力发电控制系统进行研究,搭建了基于电网电压定向控制策略的网侧变流器模型和基于定子磁链定向控制策略的机侧变流器模型。文献则从双馈风力发电系统低电压穿越能力方面进行了详细研究。电压跌落发生时,通过将Crowbar回路投入系统来卸放暂态能量。投入短暂时间后,切除Crowbar并恢复变流器对双馈发电机的控制。基于理想电网条件下的双馈风力发电系统的控制效果和低电压穿越能力研究广泛,而实际电网下的响应特性研究较少。PSCAD/EMTDC作为一款优秀的电磁暂态仿真软件,以其良好的图形化操作界面、丰富的元件模型、稳定的数值计算方法和方便的用户接口而拥有全球众多用户[9],但元件库中没有受控电压源给仿真实际电网电压造成了困难。

1 双馈变流器控制策略

1.1 网侧变流器控制策略

网侧变流器采用电网电压定向的矢量控制策略,从而实现电网和网侧变流器间有功功率和无功功率的解耦控制。网侧变流器在dq坐标系下的电压平衡方程。

式中:d、q分别表示相应的电压、电流量的直轴分量和交轴分量;ugd和ugq为逆变器所需输出的电压。网侧变流器主要作用是维持母线电压稳定。

1.2 机侧变流器控制策略

双馈感应发电机是一个高阶、多变量、非线性、强耦合的机电系统。为了实现发电机有功功率和无功功率的解耦控制,机侧变流器采用定子磁链定向的矢量控制策略。机侧变流器在dq坐标系下的电压平衡方程。

式中:urd和urq为机侧变流器所需输出的电压。p代表微分符号d/d t。

若双馈发电机工作于单位功率因数,则:

式中:Tref为风电机组主控给定转矩,为同步角速度,Pn为双馈发电机极对数。

2 实际电网仿真

2.1 实测数据回放

PSCAD/EMTDC为一款优秀的电磁暂态仿真软件,具备数据波形回放功能。利用示波器或录播仪采集实际电网数据,并将其转换为元件File Reader默认的数据格式,其中第一列数据必须是采样时间序列。若需保留更多的实际电网信息,则需提高示波器或录播仪采样率。根据香农采样定理,为了能够在PSCAD/EMTDC中准确还原实际电网波形,设备采样间隔时间应该大于仿真步长的2倍。

2.2 实际电网建模

数据回放得到的电压信号控制受控电压源即可仿真实际电网,但查找PSCAD/EMTDC元件库发现并不具备受控电压源模型。电路理论指出,电压源和电流源可以相互转换,电流源并联电阻即可等效为电压源。为了避免电压源电压受负载影响,其内阻要远小于负载阻抗。因此将内阻设定为0.001Ω,同时受控信号扩大1000倍。实际电网仿真模型如图1所示。

图1 实际电网仿真模型

2.3 双馈风电机组建模

双馈风电机组主要包括箱式变压器、双馈感应发电机和双馈变流器。其中箱式变压器额定电压36.75 k V/0.69 k V,额定容量1.6 MVA,短路电压百分比6.45%,空载损耗1.65 k W,负载损耗17.7 k W,联结组别Dyn11。双馈感应发电机额定功率1.55 MW,转子开路电压1 870 V,定子漏阻0.003 471Ω,定子漏抗0.017 459Ω,转子漏阻0.002 694Ω,转子漏抗0.063 452Ω,励磁电抗1.810 976Ω。根据以上参数基于PSCAD/EMTDC搭建的双馈风力发电实际电网仿真模型如图2所示,Grid元件为所搭建的实际电网仿真模型。

图2 双馈风力发电实际电网仿真模型

3 仿真分析及验证

基于搭建的仿真模型,某风场实测电网电压波形和仿真中电压源输出电压波形如图4所示。

图3 风场实测和仿真电网电压对比

从图3可知,实测和仿真波形吻合。同时波形说明35 k V系统电压畸变严重。风场实际情况显示,双馈风电机组在图3所示电网下矢量控制失调。根据1.5 MW风电机组功率曲线可知,转速1 050 r/min时发电机定子电流约110 A,转子电流约94 A,且转子频率应该为转差频率约15 Hz。风场实测波形与理论相差很大,实测波形如图4所示。PSCAD仿真波形如图5所示。

图4 双馈风电机组风场实测波形

对比图4和图5波形可知,仿真结果与实测相似,说明该文所搭建的双馈风力发电实际电网建模可以很好的仿真现场情况,模型的可信性得到验证。

4 结论

图5 双馈风电机组实际电网下仿真波形

该文基于PSCAD/EMTDC元件库中的File Reader和Current Source模块,通过示波器或录播仪得到实测数据的基础上,给出了有效仿真实际电网的方法并搭建了模型。对比分析实际电网下双馈风力发电系统的仿真和实测结果,验证了所搭建的系统模型具备很高的可信性,为研究实际风机在电网异常情况下故障停机的原因打下了基础。该方法扩大了PSCAD/EMTDC的应用范围,使其不仅可以仿真理想电网还可以仿真实际电网。

[1] 王金行,赵生传,王泽众,等.PSCAD/EMTDC环境先双馈风力发电机组的建模与仿真[J].可再生能源,2012,30(3):22 26.

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[4] 刘其辉.变速恒频风力发电系统运行与控制研究[D].浙江:浙江大学,2005

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[7] 贺益康,周 鹏.变速恒频双馈异步风力发电系统低电压穿越技术综述[J].电工技术学报,2009,24(9):140145.

[8] 姚 骏,廖 勇.基于Crowbar保护控制的交流励磁风电系统运行分析[J].电力系统自动化,2007,31(23):7982.

[9] 石 访.电磁暂态软件PSCAD/EMTDC的应用现状与展望[J].华东电力,2008,36(12)

本文责任编辑:罗晓晓

Modeling of Doubly-fed Wind Power System Real Grid and Simulation Validation

Zhang Junjie1,Zhu Yanwu2,Han Tianhua2,Yang Qian2

(1.Guodian Longyuan Electrical Co.,Ltd.,Beijing 100039,China; 2.State Grid Hebei Eletric Power Corperation Xingtai Power Branch,Xingtai 054001,China)

This paper introduces the control strategy of doubly-fed induction generator,analysis on the simulation software PSCAD/EMTDC,based on component library reader,current source and circuit theory,puts forward a simulation actual power grid method.buildsthe controlled voltage source model for the simulation actual power grid and researches the control effect of doubly-fed induction generator.Through analysis on simulation and measured results,proves the built model effect,builds a foundation for researching the cause of wind turbine fault in abnormal power grid.

PSCAD/EMTDC;doubly-fed wind power generator;controlled voltage source;simulation validation

TM614

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张俊杰(1983-),男,工程师,主要从事风力发电技术方面工作。