PSCAD风机和风电场建模教程

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PSCAD 电力系统仿真

——从风机到风电场建模

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目录

A部分：引言 ...............................................................................................................................- 2 -

1.介绍 ............................................................................................................................- 2 - 2.PSCAD部件 ................................................................................................................- 2 - 3.仿真建模结构 ............................................................................................................- 3 - 4.仿真执行 ....................................................................................................................- 3 -

B部分：建模 ...............................................................................................................................- 4 -

5.从风到同步发电机 ....................................................................................................- 4 -

5.1风源 ..........................................................................................................- 5 - 5.2风力发电机组件 ......................................................................................- 6 - 5.3风力发电机的调速器组件 ................................................................... - 10 - 5.4同步发电机 ........................................................................................... - 14 - 5.5涡轮发电机连接：在额定负载下的模拟 ............................................- 17 -

6.AC/DC/AC：电源和频率转换 ................................................................................. - 19 -

6.1二极管整流器 ........................................................................................- 20 - 6.2过电压保护 ........................................................................................... - 21 - 6.3 DC母线 .................................................................................................. - 22 - 6.4 6-脉冲晶闸管逆变器 .............................................................................- 26 - 6.5与电网的连接 ....................................................................................... - 31 -

7.配电网 ..................................................................................................................... - 33 -

7.1定义网络 ............................................................................................... - 33 - 7.2潮流仿真 ............................................................................................... - 36 -

C部分：仿真 ............................................................................................................................ - 38 -

8. 恒风速研究 ........................................................................................................... - 38 -

8.1架构完整模型 ....................................................................................... - 38 - 8.2恒风研究 ............................................................................................... - 39 -

9.故障分析 ................................................................................................................. - 40 -

9.1默认在节点3 ........................................................................................ - 41 - 9.2默认在节点2 ........................................................................................ - 43 - 9.3结论 ....................................................................................................... - 45 -

10.变风速研究 ........................................................................................................... - 46 -

10.1动态变桨控制 ..................................................................................... - 46 - 10.2被动变桨控制仿真 ............................................................................. - 49 - 10.3比较被动和动态的桨距控制 ............................................................. - 50 -

11.风电场 ....................................................................................................................- 52 -

11.1从一个单一风力发电机到风电场 ......................................................- 52 - 11.2 PWM调节驱动器 ................................................................................- 55 -

D部分：附录 ............................................................................................................................ - 66 -

12. 参考文献 ............................................................................................................. - 66 -

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A部分：引言

1.介绍

近年来，风力发电已引起特别的兴趣，许多风力发电站在世界各地的服务。感应电机在风力发电站，通常用作发电机，但新的永磁发电机的发展，改进的AC-DC-AC转换和输出功率质量优势，使其他的解决方案成为可能。最近的一个解决方案是使用具有可变速度和转换阶段，这是本技术的纸张的情况下研究了一个永磁发电机。

本教程的目的是使用户熟悉PSCAD软件，通过一个完整的例子。 PSCAD中包含功能强大的工具，为风力发电机组的仿真。

B部分描述了一步一步的建设周期为一个风力发电机的整个发电。所有组件的尺寸，并连接到彼此。中级验证模型。

在C部分，不同功率的发电调节方式模拟和分析，对电网的故障情况进行了研究。最后，整个风电场的模型。

2.PSCAD部件

在PSCAD，完整的风力发电机周期的组成如下： 风源组件：

•机械发电机组，以组件“wind turbine”为代表。

•调节调速器发电的输出功率。这项规定可以是被动的（被动变桨控制）或动态（动态俯仰

控制）。所不同的是与否叶片转围绕它们的纵向轴线。这两种类型的调节，可以由组件“Wind turbine governor”仿真。

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•其他组件均为标准的：synchronous machine同步电机, transformer变压器, rectifier整流器, inverter逆变器, Control System控制系统, Modelling Functions (CSMF) 模拟功能,…. 所有这些组件将在B部分作详细介绍

3.仿真建模结构

B部分包括：

•风力发电机组的理论研究

•根据中间仿真结果对每个PSCAD组件的选型，以使其结果与理论比较，并验证模型。

本文选择定义连接到一个100对极的永磁同步发电机的风力发电机。然后执行通过一个完整的AC / DC / AC转换器和一个升压变压器连接到电网。这一战略的主要优点是，允许拆下风力发电机组的齿轮箱。

当然，不同的技术都可以在PSCAD中完全仿真。

o Induction generator direct connection 感应发电机直接连接 o Doubly Fed Induction Generator 双馈感应发电机

本模型中的一些算例可以通过要求CEDRAT或您当地的PSCAD分销商获得。 在本文档中，可以总结为如下图的整体序列：

4.仿真执行

在C部分，在全球的序列是通过连接的所有组件B部分的仿真结果进行了分析，如下： •电源产生一个恒定的平均风速（13米/秒） •电源与可变风速和被动变桨控制 •产生的功率与变速和变桨控制动态 •之间的差异变桨距控制的两种类型的

•该风力发电机在网络上的分销网络在故障情况下的影响 •风电场模型和影响的风力发电场的连接上传输网络

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B部分：建模

5.从风到同步发电机

在第一部分（5.1至5.5）中，将以下组分将描述和尺寸： • Wind Source component • Wind Turbine component • Wind Governor

• Synchronous Generator

然后，进行仿真从而检查wind模型。

首先创建一个新的PSCAD项目：Turbine_generator.psc

在项目设置，使单位转换系统（可在PSCAD4.2）以便使用与PSCAD默认单位不同的单位：

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5.1风源

该组件可以在文件夹“Master Library/Machines”中找到。 该风源组件会模拟风的每一个条件： •mean wind speed 平均风速

• periodic gust with a sinus form 以sinus 形式的定期阵风 • ramp 斜坡 • noise 噪音

• damper for all the preceding conditions 前面的所有条件阻尼器

对于风力发电机wind turbine，以下三个风的特性是很重要的：

•平均风速：发电机和发电机的额定特性是根据平均风速确定的。经济研究也是基于这个速度。在一般情况下，平均风速为约13m/s。

切入风速：当风速高于切入速度时，机械制动器被释放，继而发电机旋转。一般情况下，切出速度为4m/s。

•切出速度：当风速高于切出风速时，为了不损坏发电叶片，发电机的旋转停止时。一般情况下，切出速度为约25米/秒。

对于动态仿真，风速的仿真是一整天的；因此，风速必须从切入风速到切出风速变化，以便研究风力发电机在所有风力条件下的反应。在这项研究中，低于切入风速下的启动和高于切出风速的停止是不予考虑的。风的速度被限制在4m/s和25m/s之间。

首先，我们将考虑在13m/ s的恒风。在您的项目中复制风源组件,并定义它的参数如图1所示：

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5.2风力发电机组件

该组件可以在文件夹“Master Library/Machines”中找到。

5.2.1理论研究

通过转子叶片的空气的动能是：

我们可以从风力发电机获得的理论功率是：

其中，是空气密度（1.22kg/m3）；S是转子表面积（m2）；Ws是风速（m/s）。 实际上，由于轮毂hub后的风速不为0，所获得的功率会偏小。

这种效率的特征有贝茨系数（由伯努利方程给出）决定，也被称为功率系数Cp：

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其中，a是转子后的风速/转子前的风速。

5.2.2 Cp曲线与PSCAD标准模型

在这项研究中，我们将使用一个标准的3个叶片的转子。 3或2叶片的风力发电机的功率系数将小于理论值。

在PSCAD主库中有风力发电机的标准模型，其功率系数根据下面的公式确定（model of PM Anderson[1]）：

=2.237*风速/轮毂速度 ：叶片的入射角

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Cp在=0时达到最大，=0时的曲线Cp(y)如下图所示：

5.2.3 参数计算

该模型的永磁发电机具有以下特点：

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•额定条件下的Cp计算

无齿轮箱轮毂速度=永磁同步发电机额定转速 在平均风速为13米/秒时，必须达到额定功率。 = 风速*2.237/轮毂速度 = 13*2.237/3.1416 = 9.25

•汽轮机额定功率：

一般而言，在机械周期中，涡轮机的功率比发电机高20%左右： 发电机的额定功率：Sngen = 3 MVA

发电机额定功率：Snturb = 1.2 *3 = 3.6 MVA •转子半径和面积的计算：

在PSCAD中，功率由下式给出： P = 0.5*ρ* S* Ws3* Cp

其中，Cp=0.4，Ws = 13 m/s， = 1.22 kg/m3

S =6716 m2 R =46.2 m

5.2.4定义的风力涡轮机参数

复制一个 wind turbine 到工程中，并确定其参数如下：

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5.3风力发电机的调速器组件

该组件可以在 “Master Library/Machines”中找到。

5.3.1理论研究

根据风力条件，调节 可以调节Cp 从而可以调节发电机的输出功率。存在两种调整策略，并说明如下： •被动桨距控制：

由风力涡轮机制造者确定的 角，能在一个预定义的平均速度下产生最大的能量的。当低于平均风速时，没有角度控制：Cp是不是最大的。当高于平均风速时，叶片轮廓创建湍流，以阻止叶片的转速增加。 •动态桨距控制：

在此配置中，叶片沿其纵向轴线转动。调节系统会给出参考功率，并每一秒系统都会转动叶片，从而以此来调节输出功率，如下面的曲线所示：



•区域 I ：Vwind < Vcut-in P = 0 (涡轮机不转动) • 区域 II ：P• 区域 III：P = Prated with β ≠ 0, 通过动态桨距控制，功率P保持在Prated

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• 区域 IV：Vwind > Vcut-out P = 0 (涡轮机受机械制动而停止转动)

5.3.2定义风机调速器参数

复制一个风机调速器组件到您的项目，并确定其参数如下：

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5.4同步发电机

该同步发电机由以下组件描述：

该组件可以在 “Master Library/Machines”中找到。 •计算的参数：

在本研究中，我们使用的是是永久磁铁发电机，所以其励磁恒定为1 p.u：



注意：

1. p.u值：在PSCAD中所有的内部值被定义为标幺值，因此，一个新的基准值的修改将改变所有的内部参数，用户并不需要计算出所有的新值。 2. PSCAD中同步机的启动：PSCAD允许在发电机作为电源或者其转子转速恒定时启动仿真。在我们的研究中，启动是在平均风速，及初始机器速度下完成的。

3. 永磁发电机的建模：为使用一个静电的同步模型来模拟一个永磁同步发电机，我们选择了以下条件： • 恒定励磁电压：1 p.u.

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• 一个大的不饱和瞬态时间Tdo’，这增加了磁场泄漏：10秒

• 一个非常小的不饱和瞬变时间Tdo’’，它模拟了一个大的阻尼电阻的效果：0.0001s

•初始励磁电流等于它的永久值

复制一个同步电机组件到您的项目，并确定其参数如下：

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5.5涡轮发电机连接：在额定负载下的模拟

现在，连接所有的组件如下：

注意：额定负载的计算风速=额定值= 13 m/s

为了达到最大功率且风机输出功率为3.6 MW， = 0

发电机的额定负载是: R = 0.257 Ω 。 仿真参数及分析 : • Duration: 40s • Time step: 100 μs • Plot step: 1000μs

• Startup method: Standard

• Scale Factors ( to display T and P with有名值 and non 标幺值)

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曲线的演变遵循基本的机械规则：

• 机械转矩 – 电磁转矩 = J*dw/dt + f*w

启动时，机械转矩＞电磁转矩，速度增加；

•风机功率有 Cp 值决定，而 Cp 是风速与轮毂速度的函数 在本例中，风速是常数：13m/s，因此，Cp仅是轮毂速度决定。 随着速度增加，功率系数

风机功率降低

• 最终稳定状态：机械转矩 – 电磁转矩 = f*w Tturb = 1 173 000 Nm

TelecGene = 1 156 000 Nm

f*w = 1 173 000 – 1 156 000 = 17 000 Nm w = 3.06 rad/s

and f = 0.02 pu = 0.02 * 955000 = 19100 Nm

f*w = 19100 * 3.06 / 3.14 = 18 600 Nm ≅17000 Nm

• 风机功率对应的额定功率（3.6 MW） • 发电机的功率从0开始到风机的额定功率 • 速度接近额定速度（3.06 rad/s）

降低。

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6.AC/DC/AC：电源和频率转换

风源的速度是可变的，而为把同步发电机连接到电网，需要恒定的频率和恒定电压，因此必须通过一个AC-DC-AC级转换器，从而把同步发电机的输出（频率和电压可变）连接到电网。

在下面的部分中，将对功率转换级进行说明和参数定义。 它由以下部分构成： ●一个二极管整流器

●一条直流母线（有存储电容电压） ●一个6脉冲晶闸管逆变桥

由于模型只表示一个单一的风力发电机，晶闸管的触发角不是控制在电网连接点的电压的函数，但能使DC母线电压保持在+/-10%的额定电压。这将涉及到下面所示的HVDC控制系统的建模。

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6.1二极管整流器

在PSCAD中，可以用以下组件对三相二极管整流器建模：

6pulse_bridge组件可以在文件夹“Master Library/HVDC&FACTS”中找到。 复制发电机和风机到子页面中，然后连接到整流器上。

6-pulse bridge (6-脉冲桥)可用于作为晶闸管桥或一个二极管桥，但触发角(AO)恒定设为0。

整流器参数：

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6.2过电压保护

直流电压的额定值是：

一台发电机的输出电压与其速度成正比，发电机的速度不能被控制，DC母线必须实行过电压保护。使用安全裕量为10%：

为了确保母线的安全，在过电压的情况下，通过单输入电平比较器，把整流器封锁。该组件可以在“Master Library/CSMF”中找到。

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Figure 13: Single input level comparator characteristics

Figure 14: Rectifier and overvoltage protection

6.3 DC母线

6.3.1建立DC母线

1）存储容量：

在直流母线中储存的能量，必须能够承受1秒的电压骤降。

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→存储的能量为：



2）电阻器：

电容器未充电时可建模为短路，因此我们必须加入一个电阻，当低电压时，以限制峰值电流在额定值附近。



3）断路器：

该系统为一阶系统，其负载时间常数为



为减少热量损失，该电阻必须在7.5s后被短路。

使用single_phase breaker（单相断路器）来控制电阻的短路（该组件可以在文件夹“Master Library/Breakers”中找到）

断路器的参数配置如下：

Figure 15: Breaker characteristics

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为控制断路器，可以使用下面的序列发生器：

Figure 16: Breaker operation sequencers

按如下配置：

6.3.2模型验证

为检查系统是否正确结算，准备距离和范围，以可视化的下列值：

Figure 18: Scale Factors and RMS constants for measured quantities

仿真参数：

● Duration: 60s

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● Time step: 100μs ● Plot step: 1000μs

Figure 19: Curves obtained with “turb_gen_DC_Connection.psc”

电机的转矩一直高于阻力矩，从而速度增加。随着速度增加，Cp 降低，从而风机的功率和转矩降低。

在t=7.5s时，电阻被短路，电容器充电，过电压调节限制母线电压在1760 V，Idc降至0，因此发电机的输出功率降为0，当

时，将到达一个新的稳态。

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6.4 6-脉动晶闸管逆变器

6.4.1演示

在此项研究中，模型化的逆变器是一个电流逆变器与晶闸管（单向电流，双向的电压）。 同时，增加了一个电感，以模拟逆变器输入出的电流源。 •电感器：

直流母线必须能够承受1秒的电压骤降

。

在自电感中存储的能量为

由于

选择一个电感，并粘贴到模型中。 •逆变器：

对于整流器，为了获得一个晶闸管电流逆变器，请选择的6脉冲桥组件。其特性如下图所示：

Figure 20: Thyristor Inverter characteristics

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•逆变器必须提供两个额外的功能：

•在配电系统故障下DC母线线电压崩溃限制 •DC母线电压控制

6.4.2电压崩溃的限制

在配电网故障的情况下，必须对母线进行短路保护，否则电压就会崩溃。 而过电压限制的安全余量是10%。

低电压极限值=09*1600=1440 V

为保证母线安全防止低电压，我们会停止整流器。这是通过单输入电平比较器(Single input level)组件完成的，其定义如下图所示：

Figure 21: Single Input Level Comparator characteristics

可以把单输入电平比较器与逆变器相连，已得到如下方案：

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Figure 22: Inverter

6.4.3电压调节

在此，使用单一的风力发电机建模。风机连接到电网的弱冲击会使对DC母线的电压控制启动，而不是直接作用于连接点。

DC母线的电压波动必须保持在0.95p.u.到1.05p.u.之间。 •Vdv-5%＜V_Dcbus＜ Vdv+5% •1520 V ＜V_Dcbus＜1680 V

该控制将通过HVDC控制系统(HVDC control system)组件执行，该组件可以在PSCAD的Master library中找到(在HVDC, FACTS & Power Electronics中)：

• “Voltage Dependent current limits” • “Generic current controller”,

• Voltage Dependent Current Limits:

用户将定义的两个电压值之间以保持直流电压。这些值被称为“Applying Limit”（Von）和“Removing Limit”（VOFF）。用户还输入最小电流值，被称为“Current Limit”，然后：

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•如果 VD >”Removing Limit” : Current Order CO= Current Input CI •如果 VD < “Applying Limit” : Current Order CO= Current Limit

之后，对于Von与Voff的特性曲线有两个选项供以选择：磁滞特性曲线和斜线特性曲线：

请按以下参数配置该组件：

注意：对于测量电压：, 1 p.u. = 1000V

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输入电流为额定功率下的电流：

Idc = Pdc/V_DCbus = 3000000/1600 =1880 A = 1.88 KA

• Generic Current controller:

该模型允许从一个比例积分控制器产生一个alpha order，作用于来自“Voltage Dpendent Current Limits”的电流顺序(Current order (CO))与DC母线的测量电流(measured current (CD))之间。

该组件配置如下：

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整个系统如下图所示：

Figure 25: complete_model.psc

注意：整流器、逆变器、电容器的公共电位(common potential)不再接地，否则会导致不稳定。

6.5与电网的连接

把下列元件放到系统中：

Figure 26: Connection between the distributed generator & the distribution network

•电容器 Capacitors：

在输出端加设电容器，以平稳输出电压，并补偿输出的无功电压。

仿真时电容器的设置如下：电容器的 C=2 mf 时注入电网的无功功率为零null。 •变压器 Transformer:

为把逆变器的输出端连接到电网，调整输出电压，因而连接一个变压器。

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逆变器的输出电压为： 电流为 Ieff-fond = Idc*√6 /π 忽略逆变器的损失，则：

⇔ ⇒

晶闸管中一定是电流超前电压，因此为设定安全界限，我们选择 ϕ = π/4:

V = 968 V and U = 1675V

完整的模型如下图所示：

Figure 28: complete_model.psc

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7.配电网

配电网模型为开环运行的辐射网。其功率流向总是同一个方向。 创建一个新的项目：distribution_grid.psc。

7.1定义网络

本研究中使用到的网络如图所示：

Figure 29: Distribution grid

•电压源 Voltage Source:

发电机的建模由以下组件构成：三相电压源Model 1(3phase Voltage Source Model1)，该组件可以在文件夹“Mster Library/Sources”中找到。

把电压源模型复制到istribution_grid.psc中，并按下图配置参数：

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Figure 30: Voltage Source characteristics

•变压器 Transformer： 三相变压器用以下元件描述：

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Figure 31: Grid Transformer characteristics

•节点1负荷 Node 1 Load： 节点1使用恒定负荷模型，该组件可以在文件夹“Master Library/Passive”中找到。

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Figure 32: Node 1 load characteristics

•节点2、3负荷 Node 2 and Node 3 Loads：

Figure 33: Node 2, 3 load characteristics

7.2潮流仿真

•测量和图表

•在三节点中，提取单相的PMS电流作为三相测量电流

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•仿真参数 Simulation parameters:

• Duration: 2s

• Time step: 100μS • Plot step: 1000μs

Figure 34: Load flow grid simulation

在 t=2s 时，我们得到数据如下：

由于电网中存在损耗，电压会轻微下降：

。

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C部分：仿真

8. 恒风速研究 8.1架构完整模型

现在，把配电网连接到风力发电机组上。

首先，创建电网的子页面。按照B部分描述的步骤。该子页面有一个与主页面的电气连接，该连接位于电网的节点2。这个节点是一个3维电气节点。然后，得到：

Figure 35: “Grid” sub-page interface

然后，把“distribution_grid.psc”中的所有元素粘贴到这个子页面。不要忘记在配电网的节点2加上外部电气节点。

之后会得到完整的模型如下：

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Figure 36: Complete model

8.2恒风研究

第一项研究测试恒定的风速。 然后添加meters和channels，以可视化下列值：Alpha，Idc，Idc2，Pgrid，Qgrid，V_DCbus。

•仿真参数：

• Duration: 40 s

• Time step: 100μs • Plot step: 1000μs

• Startup Method: Standard 结果如下图所示：

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Figure 37: constant_wind_study results

• 分析

随着速度增加，发电机的电压增加。

当Vdv达到1440 V，DC母线调节功能被激活，alpha变频器保持电压在1520V - 1680 V，一旦Vdv达到1520 V，逆变器解锁，且Idc2从DC母线流向电网。α角随着测量电压的变化而变化。

我们可以测到1.6MW的输出有功功率，由于在电容器的存在。没有无功功率。

9.故障分析

为防止故障，分布式发电机与辐射状配电网相连接的情况通常都不被支持。 配电网为辐射状网络，而且其保护是基于电流测量的保护。配电系统与之前的

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相同。

故障的模拟是通过“Master Library/Faults”文件夹中的以下两个组件实现的：

本仿真的构成如下：分布式发电机连接到一个节点，而故障组件连接到另一个节点。之后，测量电流和有功功率，以确定必要的保护水平，并与无风力发电机的情况下的测量值相比较。

9.1默认在节点3

9.1.1不用DG

首先执行一个单独的只有配电网的仿真。

把三相故障元件按如下定义，并将其连接到网络节点3：

Figure 38: 3Phase fault on the grid

故障元件的配置如下：

Figure 39: Three phase Fault component characteristics

• 配置 Time fault logic 组件如下：

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Figure 40: Time fault logic configuration

• 仿真参数：

• Duration: 20 s • Time step: 50 μs • Plot step: 1000 μs

9.1.2 把DG连接到节点1

在横风速模型的项目中，在电网节点3添加一个故障组件。 把风力发电机连接到节点1。

Figure 41: Timed Fault logic characteristics

更改电网和分布式发电机之间的连接，在该仿真中，外部节点为节点1。

• 曲线 & 分析

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Table 13: Results from fault_analysis1b.psc

在有DG的情况下，节点1的峰值比没有DG时的峰值要低。 因此：

1）检测水平必须低于最小值（但高于正常消耗值）。

2）在正常情况下没有DG时的电流必须不能达到的检测电平，或者电网的管理员必须知道的DG在线或离线，以修改保护级别。

9.2默认在节点2

9.2.1没有DG

现在，我们在节点2插入相同类型的故障（A相接地）：

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然后，像之前一样，运行相同的仿真。

9.2.2把DG连接到节点3

把电网连接点设为节点3，执行相同的仿真：

Figure 42: Grid connection at node 3

• 曲线 & 分析

Figure 43:Current in phase A at node3

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Figure 44:Active Power at node 3

Figure 45:Fault current

Table 14: Simulation results from fault_analysis 2b.psc

发生故障时，有DG（有功功率为负）的情况下，电流I3的流向为另一个方向。 如果该点有功率保护，该功率保护将测到一个负的有功功率，从而该功率保护装置永远都不会动作。该分布式发电机的故障电流永远都不会被切断。

有DG的情况下，I3的峰值更大。如果这个新的更大的I3值，超过了断路器的最大中断额定电流，这将导致一个严重的问题。在这种情况下，电路断路器必须被改变。

9.3结论

风力发电机的连接不能是直接的。配电网是一个辐射状网络，而且分布式发电机的连接可以改为多种用途和控制。由于分布式发电机的实施会改变保护水平，且需要安装断路器，所以必须进行一项完整的研究

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10.变风速研究

在这项研究中，分析了两条规律： • 动态变桨控制 • 被动变桨控制

10.1动态变桨控制

在这种情况下，β是通过风力发电机调速器来调节的。 在此配置中，模拟方案为：

Figure 46: PSCAD model in dynamic pitch control configuration

在这种情况下， the hard-limiter 模拟了风速的切入和切出值。

Figure 47: Hard limiter in Dynamic pitch control configuration

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应用CSMF组件，我们将产生风速波形如下：

Figure 48: Wind source in variable wind speed study

在开始的时候，风速是恒定的13m/s，达到稳定的状态。当t =29s 时，通过“单输入电平比较器(Single input level comparator)”组件，风速是可变的。该组件参数如下：

Figure 49: Single input level comparator settings

增加两个断路器操作序列，以限制时当风速第二次到达13m/s 时的电流峰值：

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Figure 50: Add two breaker operations to limit current peak at 2nd capacitance charging

• 主要仿真参数：

• Duration: 250 s • Time step: 100 μs • Plot Step : 10 000μs

• 曲线 & 分析

Figure 51: dyn_pitch.psc results

β调控的目的是为了限制风机的功率为额定值。我们可以看到，当风机功率高于3.6MW时，β增大，Cp的减小，输出功率减小。当Vdc到达1440 V时，DC母线调节

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仍然是激活时，然后，功率被输送到电网，Alpha随着测量电压的变化而变化。

当风速降低，β减小，以增加输入的机械功率，但当风速降低太多时，Vdc低于1440V，逆变器被锁定。在仿真结束时，风机功率为负，这意味着，风力发电机是被同步发电机的惯性驱动的。

10.2被动变桨控制仿真

在被动变桨距控制模式下，叶片自动捕获最大功率（直到一个固定上限）。超过极限，叶片上有湍流，且对于风机来说，风速为恒定风速。在这里，最佳风速为13m/s。因此，在这个模拟中，为了在13m/s下达到最大功率，β被设定为0，高于额定风速时，为停止风速增加，仿真了湍流。这是通过“hard limiter”组件实现的，其定义如下：

Figure 52: Hard limiter characteristics

该方案的风力发电机组子页面如下图所示：

Figure 53: Wind source in passive pitch control

• 主要仿真参数：

• Duration: 250 s • Time step: 100 μs

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• Plot Step : 10 000μ

• 曲线 & 分析

Figure 54: passive_pitch.psc results

风速是按照一个在4m/s与13m/s之间正弦函数仿真的。相比以前的仿真，我们可以观察到，β调控没有动作，因此，发电机的功率系数只是风度和轮毂速度的函数。

10.3比较被动和动态的桨距控制

在同一个风力发电机模型下，对比被动桨距控制和动态桨距控制下发出的功率。可以直接在“Livewire”上执行该比较：

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Figure 55: Comparison between pitch control modes

在这些曲线中，很容易看到，桨距调节试图把风机功率保持在额定值（3.6MW），然而没有动态桨距控制，对于整个风速范围，风力发电机的功率没能被优化。因此，在动态桨距控制中，电网中获得的能量更大。装有动态桨距控制的风机比被动变桨控制的风机更昂贵，但每当风速高于其额定值时，可以获得更多的能量。

这些仿真结果可以成为选择桨距控制模式时的技术经济研究的可靠基础。

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11.风电场

之前，我们模拟仿真了单台3MVA的风力发电机。现在，我们将连接一个由100台风力发电机组成的风电场，其功率为300 MVA，这等于配电网的额定功率的主要来源。

随着与电网功率的连接，输出功率不可以再被忽略。因此，为了防止电网不稳定，在电气连接点必须满足两个条件：

•电压必须保持在1p.u.。电压调节必须直接插入在连接点。

•逆变器的频率必须被锁定在电网频率。一般使用Phase Lock Loop（PLL）。

11.1从一个单一风力发电机到风电场

请打开文件complete_model.psc，并把它保存为windfarm.psc。

11.1.1更改结构模型

1. 删除6脉动桥晶闸管逆变器和电容器。然后添加两个外部电气节点Vdv+和Vdv-，如下图所示：

Figure 56: windfarm.psc after 1step

st

2. 然后，把如上图说是的子系统粘贴到一个子页面。

3. 返回到主页面，并如下图所示设计一个6脉动GTO逆变器（也可以复制/粘贴在PSCAD中布置的例子statcom_6pls_pwm_sld.psc中的结构）如下：

下面的逆变器是一种电压型逆变器，而以前我们使用的是晶闸管电流逆变器。其输出电压是：

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Figure 57: 6 pulse bridge GTO inverter

4. 连接的不同的元件、电压表，并在变压器的二次侧添加电容器以补偿无功功率。最后，得到原理图如下：

Figure 58: Global view of windfarm.psc

对于Vpu RMS的测量： •电压每单位：12.47kV： •RMS滤波时间常数：2

11.1.2同步发电机的修改

通过PSCAD，很容易把一台单机变成“多机”，这相当于把几台完全相同的机器并联。

只需要改变一些发电机的参数： •在“configuration”窗口中选择：“Machine scaling factor：Yes” •在“basic data”，然后选择“Number of coherent machines: 100”

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Figure 59: Synchronous generator characteristics

11.1.3修改在变压器

连接到逆变器的变压器也有一些变化： •视在功率变为300 MVA

•如上所述，一次侧额定电压变为0.6 kV

Figure 60: Transformer characteristics

11.1.4 电网的修改

电网永远是不变的，但是为了测试电压调节其，我们强制把电压水平调到0.95

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p.u. = 0.95*34.5 ≅ 32 KV.

把电压源的电压值从32.5kV 改到 32 kV，如下所示：

Figure 61: Grid voltage source characteristics

注意：

不要改变电压源的额定值，只改变其实际值。

11.2 PWM调节驱动器

可以把statcom_6pls_pwm_sld.psc 例子中的PWM驱动模型组件复制/粘贴过来，以使其适应我们的模型。

11.2.1原则

为了使在连接点处的电压等于1 p.u.（1pu=34.5kV），电压将通过PWM驱动器来调节。为了看到调控的效果，电网主电压源的电压大小设置为0.95 p.u.=32 kV（根据前的计算结果）。

以下部分将详细叙述调节装置。 驱动器可以分为3个部分： •产生三角波形 •产生参考

•产生逆变器的6个GTO的触发脉冲

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11.2.2产生三角波形

Figure 62: Triangular waveform regulation

驱动系统中本部分的组成为：

•A相锁定回路（A Phase Locked Loop (PLL)），可以在主库文件夹“CSMF”中找到，其参数设置如下图所示：

Figure 63: PLL characteristics

•2个非线性传输特性组件，可以再在主库文件夹“CSMF”中找到，其参数设置如下图所示：

• 生成 TrgOn 信号：

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Figure 64: 1 Non linear transfer function characteristics

st

• 生成 TrgOn 信号：

Figure 65: 2Non linear transfer function characteristics

nd

•一个模块： “模数”功能不能在主库中直接使用。将它从

statcom_6pls_pwm_sld.psc 中复制到项目中的 definitions（项目管理中使用的功能：复制/粘贴定义）。一旦完成并出现在项目管理中，用鼠标右键单击定义，然后创建实例，并把它复制到你的项目中。该组件现在才属于此项目：

Figure 66: Modulo block importation

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配置 MODULO 如下：

Figure 67: Modulo characteristics

PLL的输出是一个介于0和360°之间，按照系统频率，与三相电压（Vna，Vnb，Vnc）同步变化的信号。此信号被乘以33，并且modulo function 会给出等于基波频率的33倍的载波频率的相同信号。

载波频率的每个周期是振幅从-1到1变化的三角形周期传递函数。信号被分离成两个互补的6个三角信号序列：TrgOn（这将生成触发脉冲）和TrgOff（这将产生关断脉冲）。

Figure 68: PLL output

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Figure 69: Generated triangular waveform

11.2.3产生参考

Figure 70: Reference signal generation

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驱动系统中本部分的组成为： •三个滤波器，其名称为« second order transfer functions »，可以在master library/CSMF中找到，其参数设置如下图所示。

•第一个滤波器来自输入Qgrid和Vpu：

Figure 71: 1st filter characteristics

•第二个滤波器

Figure 72: 2nd filter characteristics

•第三个滤波器

Figure 73: 3rd filter characteristics

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• 一个 up-ramp transfer function，可以在 Master library/CSMF中找到：

Figure 74: Up-ramp transfer function characteristics

• 一个 lead_lag function，可以在 Master library/CSMF中找到：

Figure 75: Lead-lag function characteristics

• 一个 PI controller，可以在 Master library/CSMF中找到：

Figure 76: PI controller characteristics

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PI控制器的增益和时间常数、参考电压的大小由上述所示的滑块控制。

• 一个 Phase-Locked Loop six pluse，可以在 Master library/CSMF中找到：

Figure 77: PLL characteristics

•组件«Phase_shifter»，可以从示例“statcom_6pls_pwm_sld.psc”中复制。至于“模数”组件，必须从项目管理定义和创建实例中复制/粘贴。

•组件«Sin_array»，可以从示例“statcom_6pls_pwm_sld.psc”中复制。 （必须从项目管理定义和创建实例中复制/粘贴）。

在Per单元接入点电压和接入点测量的3相均方根电压中产生了一个错误的信号偏移

之后，这个错误信号从PLL的6个输出信号中减去，这6个从逆变器输出的同步测量信号两两之间有60°相角差。为了适应在6脉动桥上的GTO配置，这些信号都已被组织，由获得参考信号：

•RsgnOn用于开启触发脉冲 •RsgnOff用于关闭触发脉冲

Figure 78: Reference signal generated

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11.2.4GTO逆变器触发脉冲的产生

插入触发脉冲的组件在PSCAD中时半导体驱动器组件。

它的输入是参考信号和三角波形（在上文中生成的），它的输出是触发脉冲，根据两个输入信号的比较来开断开关（晶闸管GTO，IGBT）。

PSCAD的插值方法需要使用这个确定的组件来产生正确的门极信号（g1,g2,g3,g4,g5,g6），这是两个值的数组。可以在 « Master library/HVDC-FACTS » 中找到。

Figure 79: Interpolated firing pulse for GTO inverter drive

电压V_DCbus模块的测量和解锁信号。 请把该组件按下图配置：

Figure 80: Interpolated Firing pulse characteristics

输入和输出信号如下图所示：

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11.3 仿真

• 仿真参数：

• Duration: 70 s • Time step: 100 μs • Plot step: 2000 μs

• Startup method: Standard

Table 15: Metering characteristics for measured quantities

• 曲线和分析

Figure 82: Windfarm.psc results

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Figure 83: Windfarm.psc results

在t= 5秒时，电阻分流，因此电压下降。当Vdv达到1520 V时，调节器启动。在调节器起动前，电连接点的电压（V4）被电网吸收。之后，调节器将其设置为1p.u.。该风电场产生3.5MW，以维持电压在1p.u.（P4）。

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D部分：附录

12. 参考文献

• IEEE articles:

• [1] P.M. Anderson, Anjan Bose, Stability Simulation Of Wind Turbine Systems,

Transactions On Power Apparatus And Systems. Vol. PAS 102, No. 12, December 1983, pp. 3791-3795.

• Grid friendly connection of constant speed wind turbines using external resistors:

Torbjorn Thiringer; IEEE Transactions on energy conversion Vol 17, N°4; December 2002

• Direct Methods For transient stability assesment in power systems comprising

controllable Series Device; Gabrijel/Mihalic; Vol 17, N°4; November 2002 • Improving Voltage Disturbance Rejection for Variable-Speed Wind turbines;

Saccomando/Svensson/Sannino; Vol 17, N°3; September 2002

• PSCAD/EMTDC based simulation of a wind-diesel conversion scheme; Kannan

Rajendiran; Curtin University of Technology, Perth, Australia; drdeadx@hotmail.com; IEEE 2000

• Other articles:

• Modelisation de générateurs éoliens à vitesse variable connectés à un bus continu

commun/Modelling of variable speed wind generators jointly connected to continuous bus; El Aimani/François/Robyns (L2EP); FIER 2002; http://www.fst.ac.ma/fier/59.PDF

• Eolienne lente de proximité, conception, performances, technologie et application;

slow rotating wind turbine for proximity applications, criteria of design expected performances technology and applications; Bouly/Defois/Faucillon/Billon; FIER 2002; http://www.fst.ac.ma/fier/57.PDF

• Control issues of a permanent magnet generator variable speed wind turbine:

Chaniotis/Papathanassiou/Kladas/Papadopoulos (National Technical University of Athens); http://www.cc.ece.ntua.gr/~achan/Kataskeues/MED02-107.pdf

• Manuals:

• Eoliennes et aérogénérateurs. Guide de l’énergie éolienne; Guy Cunty; Edisud

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