基于PSCAD的雙饋風力發電實際電網建模與仿真驗證

張俊杰,朱燕舞,韓天華,楊 騫

(1.國電龍源電氣有限公司,北京 100039;2.國網河北省電力公司邢臺供電分公司,河北 邢臺 054001)

基于PSCAD的雙饋風力發電實際電網建模與仿真驗證

張俊杰1,朱燕舞2,韓天華2,楊 騫2

(1.國電龍源電氣有限公司,北京 100039;2.國網河北省電力公司邢臺供電分公司,河北 邢臺 054001)

介紹雙饋風電機組控制策略,在對仿真軟件PSCAD/EMTDC分析的基礎上,基于元件庫中的File Reader、Current Source和電路理論,提出一種仿真實際電網的方法。搭建了仿真實際電網的受控電壓源模型,研究了實際電網下雙饋風力發電系統的控制效果。通過對比分析仿真和實測結果,驗證了上述搭建的模型可以很好的仿真實際電網,為研究實際風機在電網異常情況下故障停機的原因打下了基礎。

PSCAD/EMTDC;雙饋風力發電;受控電壓源;仿真驗證

0 引言

目前,風力發電中兆瓦級雙饋風電機組占很大比重,國內外研究機構對其進行廣泛的研究。文獻[14]對雙饋風力發電控制系統進行研究,搭建了基于電網電壓定向控制策略的網側變流器模型和基于定子磁鏈定向控制策略的機側變流器模型。文獻則從雙饋風力發電系統低電壓穿越能力方面進行了詳細研究。電壓跌落發生時,通過將Crowbar回路投入系統來卸放暫態能量。投入短暫時間后,切除Crowbar并恢復變流器對雙饋發電機的控制。基于理想電網條件下的雙饋風力發電系統的控制效果和低電壓穿越能力研究廣泛,而實際電網下的響應特性研究較少。PSCAD/EMTDC作為一款優秀的電磁暫態仿真軟件,以其良好的圖形化操作界面、豐富的元件模型、穩定的數值計算方法和方便的用戶接口而擁有全球眾多用戶[9],但元件庫中沒有受控電壓源給仿真實際電網電壓造成了困難。

1 雙饋變流器控制策略

1.1 網側變流器控制策略

網側變流器采用電網電壓定向的矢量控制策略,從而實現電網和網側變流器間有功功率和無功功率的解耦控制。網側變流器在dq坐標系下的電壓平衡方程。

式中:d、q分別表示相應的電壓、電流量的直軸分量和交軸分量;ugd和ugq為逆變器所需輸出的電壓。網側變流器主要作用是維持母線電壓穩定。

1.2 機側變流器控制策略

雙饋感應發電機是一個高階、多變量、非線性、強耦合的機電系統。為了實現發電機有功功率和無功功率的解耦控制,機側變流器采用定子磁鏈定向的矢量控制策略。機側變流器在dq坐標系下的電壓平衡方程。

式中:urd和urq為機側變流器所需輸出的電壓。p代表微分符號d/d t。

若雙饋發電機工作于單位功率因數,則:

式中:Tref為風電機組主控給定轉矩,為同步角速度,Pn為雙饋發電機極對數。

2 實際電網仿真

2.1 實測數據回放

PSCAD/EMTDC為一款優秀的電磁暫態仿真軟件,具備數據波形回放功能。利用示波器或錄播儀采集實際電網數據,并將其轉換為元件File Reader默認的數據格式,其中第一列數據必須是采樣時間序列。若需保留更多的實際電網信息,則需提高示波器或錄播儀采樣率。根據香農采樣定理,為了能夠在PSCAD/EMTDC中準確還原實際電網波形,設備采樣間隔時間應該大于仿真步長的2倍。

2.2 實際電網建模

數據回放得到的電壓信號控制受控電壓源即可仿真實際電網,但查找PSCAD/EMTDC元件庫發現并不具備受控電壓源模型。電路理論指出,電壓源和電流源可以相互轉換,電流源并聯電阻即可等效為電壓源。為了避免電壓源電壓受負載影響,其內阻要遠小于負載阻抗。因此將內阻設定為0.001Ω,同時受控信號擴大1000倍。實際電網仿真模型如圖1所示。

圖1 實際電網仿真模型

2.3 雙饋風電機組建模

雙饋風電機組主要包括箱式變壓器、雙饋感應發電機和雙饋變流器。其中箱式變壓器額定電壓36.75 k V/0.69 k V,額定容量1.6 MVA,短路電壓百分比6.45%,空載損耗1.65 k W,負載損耗17.7 k W,聯結組別Dyn11。雙饋感應發電機額定功率1.55 MW,轉子開路電壓1 870 V,定子漏阻0.003 471Ω,定子漏抗0.017 459Ω,轉子漏阻0.002 694Ω,轉子漏抗0.063 452Ω,勵磁電抗1.810 976Ω。根據以上參數基于PSCAD/EMTDC搭建的雙饋風力發電實際電網仿真模型如圖2所示,Grid元件為所搭建的實際電網仿真模型。

圖2 雙饋風力發電實際電網仿真模型

3 仿真分析及驗證

基于搭建的仿真模型,某風場實測電網電壓波形和仿真中電壓源輸出電壓波形如圖4所示。

圖3 風場實測和仿真電網電壓對比

從圖3可知,實測和仿真波形吻合。同時波形說明35 k V系統電壓畸變嚴重。風場實際情況顯示,雙饋風電機組在圖3所示電網下矢量控制失調。根據1.5 MW風電機組功率曲線可知,轉速1 050 r/min時發電機定子電流約110 A,轉子電流約94 A,且轉子頻率應該為轉差頻率約15 Hz。風場實測波形與理論相差很大,實測波形如圖4所示。PSCAD仿真波形如圖5所示。

圖4 雙饋風電機組風場實測波形

對比圖4和圖5波形可知,仿真結果與實測相似,說明該文所搭建的雙饋風力發電實際電網建模可以很好的仿真現場情況,模型的可信性得到驗證。

4 結論

圖5 雙饋風電機組實際電網下仿真波形

該文基于PSCAD/EMTDC元件庫中的File Reader和Current Source模塊,通過示波器或錄播儀得到實測數據的基礎上,給出了有效仿真實際電網的方法并搭建了模型。對比分析實際電網下雙饋風力發電系統的仿真和實測結果,驗證了所搭建的系統模型具備很高的可信性,為研究實際風機在電網異常情況下故障停機的原因打下了基礎。該方法擴大了PSCAD/EMTDC的應用范圍,使其不僅可以仿真理想電網還可以仿真實際電網。

[1] 王金行,趙生傳,王澤眾,等.PSCAD/EMTDC環境先雙饋風力發電機組的建模與仿真[J].可再生能源,2012,30(3):22 26.

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本文責任編輯:羅曉曉

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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張俊杰(1983-),男,工程師,主要從事風力發電技術方面工作。