...........................................................................................................................PSCAD簡(jiǎn) PSCAD樣例說(shuō) dc_machine_drive樣例功能與工作原理分 dc_machine_drive樣例仿真模型的建立過 直流電機(jī)模型及其功率變換電 電機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算模 傳統(tǒng)的雙閉環(huán)控制模 生成觸發(fā)脈沖模 dc_machine_drive樣例仿真結(jié)果分 永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真模型的建 永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作原理分 永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本工作原 永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制方法分 永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真模型的建 風(fēng)速仿真模 風(fēng)力機(jī)模 永磁同步發(fā)電機(jī)仿真模 整流器仿真模 超級(jí)電容仿真模 機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程控制仿真模 斬波器仿真模 最大風(fēng)能追蹤控制仿真模 永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真結(jié)果分 PSCAD仿真實(shí)例分 仿真過程中遇到的問題及解決的方 PSCAD安裝問 PSCAD仿真錯(cuò)誤處 心得體 參考文 附 附錄 附錄 附錄 附錄 、隨著環(huán)境污染的加劇和能源的加深,風(fēng)能開發(fā)等新能源利用技術(shù)成為世界研究的熱點(diǎn)課題。永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于機(jī)械損耗小、運(yùn)行效率高成本優(yōu)點(diǎn)而成為研究的重點(diǎn)機(jī)型,掌握其運(yùn)行特性和提高風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能捕獲、本文首先介紹了D電力系統(tǒng)仿真其次分析了本身自帶的一個(gè)樣例--c_macine_drive（直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過對(duì)樣例的分析和仿真熟悉軟在較大范圍內(nèi)變化,可以通過控制永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流(或電壓)的頻TT控制的仿真研究,仿真結(jié)果驗(yàn)證了最大功率控制策略的正確性和可行性;與傳、變步長(zhǎng)擾動(dòng)控制策略相比,本文的控制方法有效提高了最大功率的快速性和準(zhǔn)確性,進(jìn)而提高了風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率。:永磁風(fēng)力發(fā)電、PSCADPSCAD簡(jiǎn)D（全稱remCmputrdn是由曼尼托巴大學(xué)的CResearhCenter開發(fā)研制的電力系統(tǒng)仿真。它是世界知名的EMTDCTRAN器進(jìn)行編譯連結(jié)用戶可以通過繪圖功能控制模塊與儀表模塊系統(tǒng)運(yùn)行的過程中隨時(shí)改變各種仿真參數(shù)，直接觀察仿真結(jié)果。與/的接口功能使得它能夠集合多種仿真的優(yōu)點(diǎn)，從而更加強(qiáng)大。由于其模型的精確性，PSCAD被西門子、Hydro-Quebec、中國(guó)電力科學(xué)、等國(guó)內(nèi)外各大公司及研究機(jī)構(gòu)廣泛使用。PSCAD包的主要功能是進(jìn)行電力系統(tǒng)時(shí)域和頻域計(jì)算仿真,典型應(yīng)用是計(jì)算電力系統(tǒng)擾動(dòng)或參數(shù)變化時(shí)，電參數(shù)隨時(shí)間變化的規(guī)律；另外，PI旋轉(zhuǎn)電機(jī),不但可以模擬三相同步電、三相感應(yīng)電,而且模擬汽輪GTO、及避雷器模型庫(kù),可以進(jìn)行電力電子仿真模擬FACTS元件(如SVCHVDC特性；無(wú)功功率表、頻率表及相位(差)表；917(dial),運(yùn)行中可以控制參數(shù)值氣連接圖,輸入各個(gè)元件的參數(shù)值,運(yùn)行時(shí)PSCAD通過FORTRAN編譯器進(jìn)行編到磁盤文件，供進(jìn)一步的分析使用。此外，PSCAD還具有強(qiáng)大的自定義功能及PSCAD樣例說(shuō)dc_machine_driveDr.SarathPerera博士最初研發(fā)的一個(gè)例子。dc_machine_drive本系統(tǒng)采用PSCAD版4.2建立系統(tǒng)模型直流電機(jī)模型及其功率變換電3-1電機(jī)的轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)速，Te為電機(jī)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩，EabIa分別為電樞電壓及電流，gt1~gt4為的觸發(fā)脈沖控制信號(hào)。（1）TwoWindingDCMachine（兩繞組直流電機(jī)3-2（rightside+and-，磁場(chǎng)繞組兩端（top+and-。這樣可以滿足孤立勵(lì)磁機(jī)、W:轉(zhuǎn)子的輸入機(jī)械轉(zhuǎn)矩Te:電機(jī)的輸出電氣轉(zhuǎn)矩[p.u.]（2）(絕緣柵雙極型晶體管23233-3GTO/的特性與晶閘管非常相似，除了GTO/能在門極脈沖為GTO/模型的V－I特性如下所示333-4正好達(dá)到“ForwardVoltageDrop”的時(shí)刻，而關(guān)斷發(fā)生在電流正好到零的時(shí)刻。電機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算模

3-5**本組件用于將信號(hào)相乘NND為了防止錯(cuò)誤地除0,分頻器 限制在高于1.010或低于1.010D+D+-F3-6sTsT3-710～201.0。如果選擇了“IntegrationMethod|Rectangular”，則可能用到插值法。若使用3-8VariableReal/IntegerInputSlider（可變的實(shí)數(shù)/整數(shù)輸入滑動(dòng)觸頭控制這個(gè)組件,用戶必須到控制面板的用戶界面。相應(yīng)的控制面板接口如圖3-10所示。3-10RealConstant（實(shí)常數(shù)OutputChannel（輸出通道pu對(duì)輸出的是否為標(biāo)幺值沒有影響，這里填寫單位pu只能在圖中顯示出單位為pu傳統(tǒng)的雙閉環(huán)控制3-123-12為傳統(tǒng)的雙閉環(huán)控制方案框圖。最左端滑動(dòng)器用于用戶輸入速度給定標(biāo)幺值"speedref",另外，系統(tǒng)在速度控制器后外加了一個(gè)限幅器。輸出信號(hào)vcontrolgt1~gt4,從而控制電機(jī)。PIController（比例積分控制器IPIP3-13PIPI控制器組件實(shí)現(xiàn)了比例積分的功能(即輸出是輸入信號(hào)比例和積分增益的和)。積分功能的時(shí)域計(jì)算采用的是梯形或矩形積分。在選擇了“IntegrationLimitingFunction（限制函數(shù)3-143-14生成觸發(fā)脈沖模3-15SignalGenerator（信號(hào)發(fā)生器TwoInputComparator（兩輸入比較器dc_machine_drive3-183-18展示了電機(jī)起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速和電流曲線。虛線是采用澳大利亞臥龍崗DrSarathPereraPID控制器的優(yōu)化參數(shù)仿真的結(jié)果。PID控制器仿真的結(jié)果?？梢悦黠@的看出，在調(diào)節(jié)時(shí)間幾乎相PID控制下的轉(zhuǎn)速和電流的超調(diào)量要小的多。永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真模型的建的成本下降，其在風(fēng)電市場(chǎng)上所占也越來(lái)越大，未來(lái)的發(fā)展前景良好。4-1永磁同永磁同發(fā)電軸機(jī)側(cè)變流網(wǎng)側(cè)變流變壓+濾波電傳輸線電電-直流電Vig網(wǎng)側(cè)控ω最大功機(jī)側(cè)控β槳距控4-1風(fēng)力控制、槳距角控制、變流器機(jī)側(cè)控制和網(wǎng)側(cè)控制等控制模型。永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本工作原同步電是以其轉(zhuǎn)速n和供電頻率fl之間保持嚴(yán)格的同步關(guān)系而命名的,即只要供電頻率f1不變,則同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速在穩(wěn)態(tài)時(shí)恒為常值而與負(fù)載大小無(wú)調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展開拓了嶄新的局面,尤其是永磁同步電(PMSM)組成的各相電流在空間產(chǎn)生的磁勢(shì)和永磁體磁勢(shì)成正弦分布，忽略磁場(chǎng)的高次諧波分量。下面就上述假設(shè)分別建立三相永磁同步電機(jī)在三相坐標(biāo)系(A-B-C)、轉(zhuǎn)4-21、三相坐標(biāo)系(A-B-C)系下的交流電機(jī)方定子繞組端電壓的極性與相電流正方向按發(fā)電機(jī)慣例規(guī)定，即正值電流從端定子各相繞組的正值電生相應(yīng)的負(fù)值磁鏈；而轉(zhuǎn)子永磁體N-S方向?yàn)檎匆陨险较蛞?guī)定,4-2A相定子繞組t=0Ar超 usAt

2UcostsousBt

2Ucost

s

2Ucost120oss isAt

2IcostssoisBt

2Icost120ss

t 2Icost120o 式中,s為t0時(shí)A相定子電壓的初始相角,s為定子A相負(fù)載阻抗角。 usAtutR

tdsAttdsBt

（4- s

dsCtusCtRsisCt 式中Rs、sA、sB、sC分別為發(fā)電機(jī)定子繞組電阻及繞組磁鏈

LACisA

2/sB

BC

sB f

（4-LAALBBLCCLsLABLBALBCLCBLACMS為定子三相繞組之間的互感;f4-4可寫成: Ms MsisA

cos2/

（4-sB

s

sB f

S1,由于繞組的對(duì)稱性,各相漏m每一相繞組來(lái)說(shuō),它所交鏈的磁通是互感磁通與漏感磁通之和,因此,定子各相繞sS1m,兩相繞組之間只有互感,且互感為常值。M

cos2/31

（4-

2

1

1 M

2 2sm

所以電感矩陣

（4- 2 2sm Ms Ls

LsmLs1 由以上分析,永磁同步電機(jī)在A-B-C坐標(biāo)系下的電壓方程為一組變系數(shù)的線2、轉(zhuǎn)子兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d-qd軸,沿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向超前d90度電角度為q軸,dq坐標(biāo)系以電角速度r隨轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn),d軸與定子Ardq cos120o cos120o P

sin

120o

sin

120o

P1

cos120osin120o

（4-3 cos120osin120o 其中:1t為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d軸與三相坐標(biāo)軸系A(chǔ)相繞組之間的夾角1)dq對(duì)磁鏈方程式(4-5

Ms Ms isA

P tP

P1PiPcos2/

（4-sq

s sB

Ms

Ls

0isd

0

0

（4- sq

LdL1LmdL1LmLqLdLqdqLmd cos120o cos120o 2323D

sin

120o

sin

120o

（4- 2)dq對(duì)電壓方程式(4-3 UsAt

0 isA

P

t

0P1P

P t

sq

sB

Rs

0id

0

P

（4-sq

q

sq

rd

其中r是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的電角速度,psdsdrq R

（4- Ri s r R

Li

將式（4-11）代入上式中可得

s rq d

（4- RiLi q s rd d 4-3所示,這些變換的結(jié)果給分析問題帶來(lái)了很大的便利性。3

4-3假定原輸入機(jī)械轉(zhuǎn)矩為Tm,與原轉(zhuǎn)矩相平衡的轉(zhuǎn)矩假設(shè)僅由兩部分組成:發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩TeJ所決定的慣性轉(zhuǎn)矩,根據(jù)動(dòng)力學(xué) 3N

i

i3N

Li

（4- sd sq 其中Np通常為了分析問題方便,簡(jiǎn)化永磁電機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程為 TT

J

（4-Np Tm是輸入到永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)矩,J是永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量r為4-4永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制方法分為3m/s到4m/s；切出風(fēng)速指的是風(fēng)力機(jī)停止對(duì)額定負(fù)載功率輸出時(shí)的風(fēng)速，一25m/s。4-54-5比最佳，進(jìn)而使風(fēng)能利用系數(shù)Cp最大，最大限量地將捕獲的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)現(xiàn)最大功率。數(shù)Cp受槳距角影響較大，因此在此階段可調(diào)節(jié)槳距角，降低Cp，從而實(shí)現(xiàn)恒功最大功率控能最大化，這種控制稱為最大功率(umPowerTracking,MPT)控制。跟據(jù)控制指令的不同，最大功率控制方法可分為最優(yōu)葉尖速比率到PI控制器中，得到了永磁同步發(fā)電機(jī)q軸電流的參考值，用這個(gè)參考值進(jìn)在最優(yōu)槳距角保持不變一般取β=0此時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通過最大功率I保證其不誤動(dòng)，并提高可靠性。PI控制器中；同時(shí)將功率的測(cè)量值與額定功率值作差，差值輸入到PI控制器中；將兩個(gè)PI控制器d軸電流控制、最大轉(zhuǎn)矩/電流比控制、單位功率因數(shù)控制等，比較各did0，則定q軸電流分量。對(duì)于面裝式永磁體結(jié)構(gòu)的永磁同步發(fā)電機(jī)，其電磁轉(zhuǎn)4-19q軸電流有關(guān)，q軸電流直接控制電磁轉(zhuǎn)矩。Te

pnψf

（4-P

QUqidid=04-20

（4-L2PUqefL2QUd

eq

（4-PIq軸電流的參考did=00.在電流內(nèi)環(huán)控制d、qPI控制器中，生d、q軸電壓參考值。將電壓控制信號(hào)經(jīng)派克逆變換輸入到控制器中，產(chǎn)生變流器開關(guān)信號(hào)，從而控將直流電逆變成網(wǎng)頻率、網(wǎng)電壓幅值的交流電此時(shí)，q0，電網(wǎng)電壓可表示為：uugd

ugd

（4-PgQgigd可以控PgigqQg。PIdq軸電流可實(shí)現(xiàn)無(wú)功控制，本文采用igqref=0控制方法，使得輸出的無(wú)功功率為零；在電流內(nèi)環(huán)控制d、qPI控制器中，生d、q軸電壓參考值。計(jì)算輸入到控制器中，產(chǎn)生變流器開關(guān)信號(hào)，從而控制變流器功率器件，通過風(fēng)速仿真模WindSourceWindSourcey（1）

4-7

4-86m/s4-94-106m/s4-11

4-126m/s4-13風(fēng)力機(jī)模

4-144-15WindTurbineMOD2TypeWP4-15輸入,W為風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速輸入,Tm為風(fēng)力機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩,P為風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率,其中Tm和P的輸出標(biāo)準(zhǔn)為標(biāo)么值(標(biāo)么值:電力系統(tǒng)分析和工程計(jì)算中常用的數(shù)值p.u.)。下面將風(fēng)力機(jī)與風(fēng)速模4-16風(fēng)力機(jī)仿真所用參數(shù)設(shè)置如圖4-17:額定功率1kw,額定轉(zhuǎn)速42rad/s,轉(zhuǎn)子半徑1.5m,掃風(fēng)面積7.07m2,空氣密度1.225kg/m3,齒輪箱傳動(dòng)效率0.979p.u.,發(fā)電0.55后開始進(jìn)行漸變風(fēng)輸入,在2.05最終風(fēng)速為10m/s4-184-174-18永磁同步發(fā)電機(jī)仿真模PSCAD豐富的元件模型庫(kù)中，包含同步發(fā)電機(jī)模型。由于PSCAD元4-19所示。 4-194-204-19所示，永磁同步發(fā)電機(jī)的輸入為由軸系模型得到的機(jī)械角速度，輸出為發(fā)電機(jī)的輸出電磁轉(zhuǎn)矩Te，同時(shí)，在永磁同步發(fā)電機(jī)右端有一個(gè)接頭，可輸出三相交流電。在圖4-20參數(shù)設(shè)置的框中，可對(duì)永磁同步發(fā)電機(jī)的容量、電壓、頻率等進(jìn)行設(shè)置。同時(shí)，PSCAD提供的永磁同步發(fā)電機(jī)模型還整流器仿真模4-21超級(jí)電容仿真模統(tǒng)儲(chǔ)能方面的要求,在能量和輸出方面了良好的性能。本文研究的重4-22機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程控制仿真模mAmACtrl=D+F1BwS/HinoutACtrl=TD+- *04-234-23 TT

J

(4-Np wTeTm斬波器仿真模4-24最大風(fēng)能追蹤控制仿真模4-25斬波器的(脈寬調(diào)制)控制脈沖形成部分由一比較器產(chǎn)生,該比較器一現(xiàn)部分,具體包括功率采樣單元和信號(hào)發(fā)生單元。信號(hào)是DC/DC波器中的器件的門控信號(hào),主要完成控制s脈沖的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)改變負(fù)載PSCAD仿真實(shí)例分D項(xiàng)仿真實(shí)例進(jìn)行運(yùn)行分析,為實(shí)際小型永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)開發(fā)提供必要的基礎(chǔ)研究和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。額定風(fēng)速是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中一個(gè)重要的分析參數(shù),它對(duì)于功率輸出和風(fēng)力機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的參考意義。而由于風(fēng)機(jī)制造與使用的必然差距,往往無(wú)法直接獲得這個(gè)重要參數(shù),下面就通過模型組合,在AD平臺(tái)上進(jìn)4-26所示,固定輸入端W=1,基本風(fēng)速4m/S,在0.5-2s內(nèi)輸入斜坡風(fēng)速(斜波最大輸入值為6m/s動(dòng)運(yùn)行,分別對(duì)輸出功率、轉(zhuǎn)速、風(fēng)速值進(jìn)定。輸入風(fēng)速和風(fēng)力機(jī)參數(shù)設(shè)置4-27、4-28所示。4-264-274-284-294-29W1,而輸出功率隨著風(fēng)速增大而不斷增大,與前文的理論分析一致系統(tǒng)在0.55時(shí),風(fēng)速輸入4m/s,輸出功率pp=0.04P.u.;在2s時(shí),風(fēng)速輸入值為10m/s,輸出功率pp=1.68P.u.。根據(jù)額定1風(fēng)速Vw=8.3m/sVw=8.3m/s即為風(fēng)力機(jī)的額定風(fēng)速,通過PSCAD(l)實(shí)例中,當(dāng)基于載波比較的調(diào)制波(ppt2.0的三角載1,半導(dǎo)體器件處于開通狀態(tài)；調(diào)制波0,半導(dǎo)體器件處于閉合狀態(tài)；從而引起占空比的變化。占空比變化DC/DC斬波器實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出功率,從而改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,最終達(dá)到最大功率的目的。4-30、4-31、4-324-30sliderPI4-314-32參數(shù)設(shè)置完成后，利用SliderPI控制輸入數(shù)值變化，該數(shù)值在1s-4s的時(shí)間內(nèi)由1s開始，以斜坡的形式由0.6變?yōu)?.0，與幅值為2.0的三角載波進(jìn)行比s。s控制半導(dǎo)體器件,引起斬波器對(duì)應(yīng)的占空比連續(xù)變化，對(duì)應(yīng)的負(fù)載呈變小趨勢(shì)在此情況下轉(zhuǎn)速w的變化和風(fēng)力機(jī)所捕獲的風(fēng)能PP如圖4-33w，從而完成最大輸出功率追蹤及捕獲過程。4-33仿真過程中遇到的問題及解決的方PSCAD兼容的問題，需要5.1PSCADsetup.exeWindowsX（servicepack右擊“VER4.2