基于ＰＳＣＡＤ软件的鼠笼异步风力发电系统的设计与仿真 电工电气（２０１０ Ｎｏ．１０） 基于ＰＳＣＡＤ软件的鼠笼异步风力发电系统的设计与仿真 张焕伟，郭家虎，李杰 （安徽理工大学，安徽合肥２３２００１） 摘要：分析了基于鼠笼式异步风力发电系统中ＰＷＭ背靠背全功率变流器的组成及运行原理，建立 了异步电机与网侧变流器的数学模型并在ＰＳＣＡＤ软件中进行了仿真。仿真结果表明系统负载突变时定子 电流稳定性好，转速无波动，转矩动态响应快，验证了该系统的合理性和有效性。 关键词：鼠笼式异步电机；转子磁场定向；矢量控制 中图分类号：ＴＭ６１４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００７—３１７５（２０１０）１０—００１９—０３ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｑｕｉｒｒｅｌ—Ｃａｇｅ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｖ ｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＰＳＣＡＤ ＺＨＡＮＧ Ｈｕａｎ—ｗｅｉ，ＧＵＯ Ｊｉａ—ｈｕ，ＬＩ Ｊｉｅ （Ａｎｈｕｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ ２３２００１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎａｌｙｓｉｓ ｗａｓ ｍａｄｅ ｔｏ ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｏｆ ａｎｄ ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ＰＷＭ ｂａｃｋ—・ｔｏ－—ｂａｃｋ ｆｕｌｌ－・ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｉｎ ａ ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎ・－ ｅｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｑｕｉｒｒｅｌ—ｃａｇｅ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍｏｔｏｒ．Ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ’ｓ ａｎｄ ｇｒｉｄ ｓｉｄｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ’ｓ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃ ｍｏｄｅｌｓ ｗｅｒｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ， ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｉｎ ＰＳＣＡＤ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ａｔ ａ ｓｕｄｄｅｎ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ｌｏａｄ，ｓｔａｔｏｒ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｉｓ ｇｏｏｄ ｗｉｔｈｏｕｔ ｒｏｔａｔｉｏｎ ｓｐｅｅｄ ｌｕｃｔｕａｔｉｆｏｎ，ｗｉｔｈ ｑｕｉｃｋ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｉｎ ｒｏｔａｒｙ ｔｏｒｑｕｅ，ｗｈｉｃｈ ｖｅｒｉｆｙｓ ｔｈｅ ｒａｔｉｏｎａｌｉｙ ｔａｎｄ ｖａｌｉｄｉｔｙ ｏｆｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｑｕｉｒｒｅｌ—ｃａｇｅ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍｏｔｏｒ；ｒｏｔｏｒ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ；ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ 随着科学技术的发展和工业规模的扩大，能源 的短缺和环境的恶化成为全球性的难题。风力发电 是一种能源补充，因其洁净无污染和可再生性，在 和转子磁链，控制发电机的电磁转矩，使发电机运 行在变速恒频状态；网￣ｔＪＰＷＭ变流器通过调节鹕由和 世界范围纷纷加大力度，得到了高速发展。鼠笼式 异步电机因其结构简单、坚固耐用、运行可靠、易 于维护和适宜恶劣环境等优点，在离网型风力发电 系统中，得到了广泛的应用。 发电系统采用鼠笼式异步电机，风力机通过变 速箱拖动发电机，电机的定子绕组通过变频器和电 网相连接。由于风速的变化，风力机及发电机的转 速也随之变化，发出来的电是变频的。采用转子磁 ｑ轴电流，保持直流侧电压稳定，实现有功功率和无 功功率的解耦控制，控制流向电网的无功功率 ］。 发电机侧变流器 电网侧变流器 链定向的矢量控制及网｛ＮＰＷＭ整流的方法将频率变 化的电能转换为与电网频率相同的恒频电能。 图１背靠背式变流器 ２机组的数学模型及控制原理 ｌ 背靠背式变流器结构组成及运行原理 ２．１异步电机数学模型 发电机定子绕组通过背靠背变流器和电网连 接，见图１。发电机￣ｔＪＰＷＭ变流器通过调节电机转速 在转子磁场定向条件下， 定子电压方程： ＝ 、 。＝０，异步 电机在０Ｌｑ旋转坐标系内的电压方程如下 。 作者简介：张焕伟（１９８６一） 男，硕士研究生，研究方向为变速恒频风力发电系统。 一１９— 电工电．＿【（２０１０ Ｎｏ．１０） 基于ＰＳＣＡＤ软件的鼠笼异步风力发电系统的设计与仿真 ｊｌ Ｕｓｄ＝ＲｓＪｓｄ＋卯 ｄ 。 ＝Ｒ。 口＋ｐ ＋ ｌｑ（１） （Ｉ／Ｉ２） 给定值 ：。，定子电流励磁分量给定值 ： 由磁链发 ＝ ＝ Ｑ＝ 生器得到。定子三相电流经过坐标变换后的 。。 转子电压方程： 与给定值相比较，再经过励磁电流调节器和转矩 ＋ ＋ 电流调节器后分别输出定子电压分量 、 ，再经 ｄ 《ｌ ０定子磁链方程： ＝ ｉｒ。＋ 过ＰＡＲＫ逆变换转换为静止坐标系统下的电压分量 ． ． “ 、ｕ ＋ ＋ 通过空间矢量脉宽调制（ＳＶＰＷＭ）得到需要 ｛ｌ ｄ ｓ ｓｄ ｍ （３） 的脉冲信号提供给绝缘栅双极晶体管（ＩＧＢＴ）。 ｐ — ＝Ｌ。 ｑ＋，Ｊ 。 一 口转子磁链方程： Ｊ ｄ０ Ｌｍｉｓｑ＋Ｌｒｉ ｍ ｓｄ ｒ ｒ （４） 其中， 为转子磁链， 为定子电角速度， 为转差角速度， 为定子电感，￡ 为转子电感，，Ｊ 为励磁电抗。联合式（３）和式（４），消除转子电流 。后得到定子磁链表达式，再将定子磁链表达 式代入式（１），并经过整理后得到转子磁链定向坐 标系统下的定子电压方程式为： 其中，异步电机漏磁系数 ＝卜 ／（ ），定 子时间常数丁。＝￡。佃 。由式（２）和式（４）消除转子电 流 后得到定子电流转矩分量和转子磁链表达 式，其中，转子时间常数 ＝ ／Ｒ 。 １ ＝ （６） ． … ｄ 丽 ｓｄ 控制系统如图２所示。 图２基于ＳＶＰＷＭ的异步发电机转子磁链定向控制系统 图２中系统采用转速给定与电机反馈转速相比 较后，通过转速ＰＩ调节器，输出定子电流转矩分量 ２０．—— ２．２网侧变流器模型及其控制原理 由整流器数学模型，可写出同步旋转坐标系下 口 ＋ 丘 口 桥臂输出的数学方程 ：＆ ＿暑｝ Ｌ （８） ＼、Ｖｑ Ｕｑ—ｉｑＲ—Ｌｐｌ ｑ—ＯｅＬｉｄ 、 为桥臂输出电压ｄ、ｑ分量， 、 为电 网电压ｄ、ｑ分量， 。为输入电流ｄ、ｑ分量， 为同步角速度。在两相同步旋转的ｄ、ｑ坐标系 中，使ｄ轴定向于电网电压矢量，控制三相电流此 时的ｄ轴和ｑ轴电流 ｉ ，便可以达到控制输出 电流功率因数的目的。 图３为ＰＷＭ变流器在同步坐标系中的双闭环控制 系统原理框图。ＰＷＭ整流方案可以实现稳定的直流 电压输出，且输入侧的电流波形良好，功率因数可 调，具有宝贵的四象限运行能力。 图３ ＰＷＭ整流器双闭环控制系统原理图 ３模型参数和仿真结果 ３．１模型参数 为了验证系统仿真模型的正确性，电机参数 标幺值设置：励磁电抗 为３．２４２６，转子电感 为０．０９０ １，定子电感￡ 为０．１００９，转子电阻 为 ０．００５ ０２，定子电阻 为０．００６ １５。电机侧电压、电 基于ＰｓＣＡＤ软件的鼠笼异步风力发电系统的设计与仿真 电工电气（２０１０ Ｎｏ．１０） 流额定值为０．６９ ｋＶ、２．５ ｋＡ，定子额定频率５０ Ｈｚ。 网侧电感 －－０．１ ｍＨ，电容 ＝３６ ０００“Ｆ。直流给定 如图６所示，当网侧无功电流给定值 ：为０Ａ 且转速保持不变时，系统在５．７ Ｓ时电机转矩增大， 网侧电流也随之增大，表示发电机输出功率增加。 控制电压１．２ ｋＶ，电机给定角频率为８０ｒａｄ／ｓ。 ３．２仿真结果 图４为电机侧定子三相电流波形，图５为角频 率、电磁转矩波形。 ＼ ３ ５．４ ５．５ ５．６ ５．７ ５．８ ５．９ ６．Ｏ ６．１ ６．２ Ｎ’ 时间／ｓ 图６网侧定子电压、电流仿真结果 图４电机侧定子电流波形 圆 南如 出鼻； 一４结语 旧 基于鼠笼式异步风力发电系统，采用转子磁场 定向控制方法，网侧对无功、有功电流综合控制， 实现功率因数可调。保持转速不变，当转矩增大， 发电机输出功率增加，网侧电流也随之增大。验证 了该系统的合理性和有效性。 １００ ８０ 《）Ｉ／媛 ２ １ １ Ｏ ＞ 出 Ｏ １ １ ２ 蛊 ６Ｏ ４０ ２Ｏ ０ ￣５０ ０．５ ０ 。ｒ————＿Ｌ一图５角频率、电磁转矩波形 参考文献 ［１］李建林，许洪华．风力发电中的电力电 变流技术 ［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００８． ［２］谢宝昌，任永德．电机的ＤＳＰ控制技术及其应用［Ｍ］． 北京：北京航空航天大学出版社，２００５． ［３］张崇巍，张兴．ＰＷＭ整流器及其控制［Ｍ］．北京：机械 工业出版社，２００３． 收稿日期：２０１０—０６—１８ 系统在５．７ ｓ时给定转矩由０．５ｐ－ｕ＿突增Ｎｏ．８ｐ－ｕ．， 电机侧电流由１．９ ｋＡ突增为２．２ ｋＡ，但电机转速保 持不变。仿真表明负载突变时定子电流稳定性好， 转速无波动，转矩动态响应快。 （上接第ｌ８页） 仿真奠定基础。此外，预留了对列车车载电器及智 能电器监控模块接口，为将来系统拓展提供条件。 Ｉ ＡＰ新型技术平台具有独特优势，在设计现有 基础上进一步深入开发及完善电力监控系统上位 机监控软件，配合ＩＡＰ的通用控制器及数据引擎技 ［３］汪文功．轨道交通电力监控系统的设计及实现［Ｊ］． 电气应用，２００９，２８（１８）：９Ｏ ９３． ［４］方俊峰．轨道交通中的电力监控系统［Ｊ］．铁道通信 信号，２００９，４５（３）：４３—４５． ［５］张儒，胡学鹏，高俊萍，等．变电站综合自动化原 理与运行［Ｍ］．北京；中国电力出版社，２００８． ［６］张文涧．对地铁车站级ＰＳＣＡＤＡ系统技术方案的比较 分析［Ｊ］．自动化博览，２００９，２６（１０）：６４—６６． 术，有望在实际应用中发挥更大作用。 参考文献 ［１］漆全．电力检测与控制系统组态软件的设计与研究 ［Ｄ］．武汉：武汉大学，２００５． ［２］于松伟，杨兴山，韩连祥，等．城市轨道交通供电系统设 计原理与应用［Ｍ］．成都：西南交通大学出版社，２００８． ［７］张浩．基于ＰＬＣ的企业电力监控系统［Ｊ］．测控自动 化，２００４（２）：１６ １７． ［８］侯英明．组态软件及ＰＬＣ在电力监控系统中的应用 ［Ｊ］．仪表技术与传感器，２００５（８）：６１—６２． 收稿日期：２０１０ ０７—０６ —２１