基于PSCAD的雙饋風電機組暫態(tài)等值模型研究

劉斯偉，李庚銀，周　明

(新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室(華北電力大學)，北京　102206)

Research on Transient Equivalent Modelling of Doubly-fed Induction Generator Based on PSCADLIU Siwei, LI Gengyin, ZHOU Ming

(State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System With Renewable Energy Sources (North China Electric

Power University), Beijing 102206, China)

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基于PSCAD的雙饋風電機組暫態(tài)等值模型研究

劉斯偉，李庚銀，周明

(新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室(華北電力大學)，北京102206)

Research on Transient Equivalent Modelling of Doubly-fed Induction Generator Based on PSCADLIU Siwei, LI Gengyin, ZHOU Ming

(State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System With Renewable Energy Sources (North China Electric

Power University), Beijing 102206, China)

0引言

隨著風電裝機規(guī)模的快速增長，風電場對電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的影響日益凸顯，研究風電場建模及其對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響成為當前熱點之一[1-4]。含雙饋風電機組(doubly fed induction generator, DFIG)的風電場等值建模一直是各方關注的重點課題之一，在關于含風電電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定分析研究中，對DFIG風電場的等值處理主要有阻抗模型、詳細模型以及加權等值模型等[5-10]。阻抗模型在求解電力系統(tǒng)微分方程時較為方便快捷，然而對DFIG數(shù)學模型降階較多，難以適用需要準確模擬DFIG暫態(tài)響應的場景；詳細模型對DFIG的電力電子裝置與所有控制系統(tǒng)詳細建模，擁有較高的精度，但由于計算速度慢，一般僅局限于小規(guī)模系統(tǒng)應用；加權等值模型采用一臺DFIG詳細模型以加權等值方法計算求得模型等值參數(shù)，等值替代風電場內所有風電機組，既減少對仿真計算的資源需求又良好保持DFIG風電場的動態(tài)特性。然而，對于我國規(guī)模日漸增大的并網運行風力發(fā)電基地，少量的DFIG加權等值模型，將無法準確反映所替代的大規(guī)模風電場甚至風電場群的動態(tài)特性，而大量采用DFIG加權等值模型會同樣導致電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析的計算規(guī)模過于龐大，嚴重降低仿真分析的計算效率，難以滿足工程實際需要[11-13]。所以十分必要搭建能夠準確反映風電場暫態(tài)特性并能有效降低計算規(guī)模的雙饋風電場暫態(tài)等值模型，以適用于含大規(guī)模風電接入的現(xiàn)代電力系統(tǒng)暫態(tài)過程分析研究。

PSCAD作為電力系統(tǒng)電磁-機電暫態(tài)過程研究領域應用廣泛的時域仿真軟件之一，目前基于該平臺的DFIG模型主要以詳細模型為主，對仿真計算資源需要規(guī)模較大，十分不利于含大規(guī)模、多接入點風電接入的電力系統(tǒng)暫態(tài)過程分析研究。因此本文基于PSCAD研究了一種降階的DFIG暫態(tài)等值模型，旨在保證DFIG準確動態(tài)響應特性的同時降低DFIG等值模型對仿真計算資源的需求。等值模型保留了原DFIG詳細模型中的風力機模型、軸系模型以及發(fā)電機模型，而針對由電力電子裝置構成、仿真計算資源需求大的背靠背PWM變流器組，則采用兩組獨立可控電流源及配套控制策略對其進行替代。仿真分析對所提出的DFIG等值模型的準確性和仿真計算效率進行了有效驗證。

1DFIG模型及工作原理

DFIG是一種變速恒頻的風力發(fā)電機組，由風力機，傳動系統(tǒng)、雙饋感應發(fā)電機和一組背靠背的PWM (pulse width modulation)變流器組及其控制系統(tǒng)組成[3-4]。風力機捕獲風能后，經傳動系統(tǒng)傳遞，形成作用于雙饋感應發(fā)電機上的機械功率；背靠背的雙PWM變流器組承擔雙饋感應發(fā)電機的核心運行控制：與發(fā)電機轉子繞組直接相連的轉子側變流器承擔直接的勵磁任務，為發(fā)電機轉子提供合適的勵磁電壓從而有效調節(jié)勵磁電流；網側變流器聯(lián)接電網和直流環(huán)節(jié)，主要負責保持動態(tài)運行中直流環(huán)節(jié)的電壓穩(wěn)定。

圖1展示了背靠背雙PWM變流器組的一般控制策略。通過在轉子變流器和網側變流器控制中應用矢量變換控制，轉子側變流器分別獨立調節(jié)DFIG轉子電壓或轉子電流的d軸分量和q軸分量，即可實現(xiàn)對定子側輸出功率的解耦控制；網側變流器維持直流電壓穩(wěn)定的同時可有效控制電網流向網側變流器的功率因數(shù)。圖1中i表示電流；m表示對變流器的控制信號；下標ref表示相關變量的參考值；下標r表示轉子繞組的相關變量，下標g表示網側變流器的相關變量；下標d和q分別表示d-q 軸坐標系下的d軸分量和q軸分量。

圖1　DFIG變流器組的一般控制策略

2DFIG的暫態(tài)等值模型

2.1等值思路和等值方法

在電力系統(tǒng)暫態(tài)過程分析中，通常根據(jù)研究對象所在位置不同可將系統(tǒng)劃分為所研究區(qū)域和研究外區(qū)域兩部分，所研究區(qū)域內的系統(tǒng)需要詳細建模以準確反映其暫態(tài)特性，而研究外區(qū)域的系統(tǒng)建模僅需準確表現(xiàn)其對所研究區(qū)域系統(tǒng)的動態(tài)特性的影響即可。在研究含大規(guī)模DFIG并網的系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定問題時，由于并網的DFIG不具備類似同步發(fā)電機組的功角失穩(wěn)特性，也不直接參與同步發(fā)電機組之間的互同步機制，其對系統(tǒng)的作用主要通過其輸出功率實現(xiàn)。因此，當系統(tǒng)內發(fā)生故障等大的擾動，對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的研究對象為系統(tǒng)內的同步發(fā)電系統(tǒng)時，可以根據(jù)研究對象將系統(tǒng)劃分為不含風電場的同步發(fā)電系統(tǒng)和并網的風電系統(tǒng)，如圖2所示。接入至公共接入點(points of common coupling, PCC)的雙饋風電場作為研究區(qū)域外系統(tǒng)，可以進行簡化等值建模，等值模型需保證能夠較準確地反映雙饋風電場的動態(tài)輸出特性及對所研究區(qū)域系統(tǒng)暫態(tài)過程的影響。

圖2　雙饋風電場接入系統(tǒng)示意圖

基于此，本文搭建了一種旨在保證DFIG準確動態(tài)響應特性的同時降低DFIG等值模型對仿真計算資源的需求的DFIG暫態(tài)等值模型，如圖3所示。圖3中，下標RSC表示轉子側CCS相關分量CCS(rotor side CCS, RSC)，下標GSC表示網側CCS相關分量(grid side CCS, GSC)。

圖3　DFIG等值模型示意圖

等值模型中保留了DFIG詳細模型中的大部分主要電氣元件模型以及相關配套控制系統(tǒng)，如風力機模型、軸系模型以及發(fā)電機模型。另一方面，搭建了兩組獨立可控電流源(controlled current source, CCS)及其對應配套控制策略，實現(xiàn)模擬DFIG詳細模型中變流器組的勵磁控制功能，從而替代原DFIG詳細模型中由電力電子裝置構成、仿真計算資源需求大、精度要求高的背靠背PWM變流器組及配套控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對DFIG等值模型的降階，進而達到提高等值模型仿真效率的效果。

2.2轉子側CCS控制策略模型

DFIG等值模型的轉子側CCS聯(lián)接至DFIG感應發(fā)電機的轉子繞組，向DFIG轉子繞組提供勵磁電流。為了實現(xiàn)對DFIG等值模型定子繞組有功功率和無功功率解耦控制，在轉子側CCS的控制策略中采用定子磁鏈定向的矢量變換控制，基于定子磁鏈定向矢量變換，通過調節(jié)轉子電流的q軸分量和d軸分量即可實現(xiàn)對DFIG定子繞組的有功功率和無功功率的分別獨立控制[3]，此時，DFIG定子側輸出的有功功率與無功功率可以表達為

(1)

式中:Lm和Ls分別為互感和定子電感；ω1為系統(tǒng)的電角速度。

圖4　轉子側CCS的控制策略框圖

2.3網側CCS控制策略模型

在DFIG詳細模型中，DFIG系統(tǒng)的總輸出功率由定子輸出功率和網側變流器流向機端的功率兩部分共同構成，而在DFIG等值模型中，由于背靠背的變流器組被替代，DFIG感應發(fā)電機轉子繞組的功率無法傳遞至發(fā)電機機端。為保證DFIG等值模型功率輸出特性的準確性，搭建網側CCS控制系統(tǒng)，連接至DFIG感應發(fā)電機的定子側，通過調節(jié)網側CCS的輸出電流控制網側CCS向電網輸出的功率，從而模擬DFIG詳細模型中由電網流向網側變流器的功率部分。

DFIG詳細模型中由電網流向網側變流器的功率由兩部分決定：①轉子繞組上產生功率；②DFIG 機端電壓變化時，由直流環(huán)節(jié)的動態(tài)響應引起的功率波動?？紤]到直流環(huán)節(jié)的暫態(tài)響應受到電容大小和機端電壓變化情況的影響較為復雜，并且由直流環(huán)節(jié)動態(tài)響應引起的功率數(shù)值變化較小、衰減較快，因此本文DFIG等值模型的網側CCS控制策略主要考慮轉子繞組上產生功率。為了實現(xiàn)對網側CCS向電網輸出有功功率和無功功率的解耦控制，在網側CCS的控制策略中采用電網電壓定向矢量變換控制，控制策略如圖5所示。根據(jù)轉子繞組上產生的功率得到網側CCS需要向電網輸出的功率總額Sr，結合功率因數(shù)確定有功功率和無功功率的參考值,并進一步得到網側CCS電流參考值d軸分量和q軸分量。dq軸坐標系下的電流參考值經過派克反變換得到三相坐標系下的網側CCS電流參考值，即網側CCS的輸入控制信號。通過調節(jié)網側CCS輸出電流從而實現(xiàn)對網側CCS向電網輸出的有功功率和無功功率解耦控制。

當計及網側CCS補償?shù)墓β什糠趾螅珼FIG等值模型的總輸出功率為

(2)

圖5　網側CCS的控制策略框圖

3算例分析

3.1算例系統(tǒng)

為了驗證前文所搭建的DFIG等值模型的可行性和有效性，基于PSCAD仿真平臺搭建了圖6所示的系統(tǒng)模型，對DFIG等值模型和DFIG詳細模型的動態(tài)特性進行全面對比分析。DFIG的詳細模型采用包括所有電氣元件模型以及相關配套控制系統(tǒng)，如風力機模型及控制、軸系模型以及發(fā)電機模型及變流器組模型及控制的DFIG機組模型；等值模型僅對詳細模型中的變流器組模型及控制通過轉子側CCS 和網側CCS進行替代。仿真系統(tǒng)于2s時在圖6中所示位置節(jié)點1處發(fā)生三相短路故障，DFIG機端電壓跌落至0.3p.u.，持續(xù)0.3s后故障切除。

圖6　仿真系統(tǒng)模型

本章3.2小節(jié)通過對比DFIG詳細模型的變流器組控制系統(tǒng)，驗證了DFIG等值模型的CCS控制系統(tǒng)對輸出電流的有效控制；3.3和3.4小節(jié)基于相同暫態(tài)工況對DFIG等值模型和詳細模型的阻尼特性和無功功率補償特性進行了對比分析；3.5小節(jié)則在單DFIG機組和多DFIG機組情況下分別對所提出DFIG等值模型的仿真效率進行了驗證。

3.2轉子側CCS和網側CCS控制特性驗證

DFIG等值模型中轉子側CCS的主要控制目標為轉子電流，圖7為DFIG等值模型轉子側CCS與DFIG詳細模型轉子側變流器對DFIG轉子電流的動態(tài)控制效果比較。從圖中可以看出，雖然在故障發(fā)生時刻和切除時刻，DFIG等值模型的轉子電流中缺少詳細模型中的明顯暫態(tài)分量，但是從整個動態(tài)過程來分析，可以明顯看出DFIG等值模型的轉子側CCS已基本達到了DFIG詳細模型轉子變流器對轉子電流的暫態(tài)控制效果，可以實現(xiàn)對轉子電流的準確有效控制。

圖7　轉子側CCS控制特性

DFIG等值模型中網側CCS的控制目標主要為網側CCS向電網輸出的功率，圖8給出了網側CCS的輸出功率與DFIG詳細模型中網側變流器向電網輸出功率的控制效果對比。由圖中可以看出，本文搭建的網側CCS控制策略可以準確模擬DFIG詳細模型中經網側變流器流至機端的功率部分；而由于沒有計及DFIG詳細模型中直流環(huán)節(jié)的動態(tài)特性引起的功率波動，因此等值模型的網側CCS的功率補償效果略有偏差，屬于考慮范圍之內?？傮w上看，網側CCS準確實現(xiàn)了對向電網輸出有功功率和無功功率的解耦控制，并較有效地模擬了詳細模型中網側變流器向電網輸出的功率。

圖8　網側CCS控制特性

3.3DFIG機組等值模型的阻尼特性

雖然DFIG的勵磁控制過程中基本實現(xiàn)了機電解耦，然而DFIG發(fā)電機的轉速仍會間接影響有功功率的控制，并且在電力系統(tǒng)機電暫態(tài)過程分析中對系統(tǒng)頻率產生間接影響，因此分別基于兩組不同的有功功率PI控制參數(shù)，對DFIG等值模型與詳細模型的暫態(tài)阻尼響應特性進行了對比分析，如圖9(a)和圖9(b)所示。兩組有功功率PI控制參數(shù)分別為Kp1=0.5,Ti1=0.1；Kp2=1.0,Ti2=0.5。

圖9　DFIG等值模型的阻尼特性

由圖9可以看出，在不同的控制參數(shù)設置情況下，DFIG等值模型的暫態(tài)有功功率響應和轉速響應均能夠與詳細模型保持高度的一致性，能夠有效模擬DFIG的機電特性。而存在于有功功率動態(tài)輸出中的細小偏差則來自于網側CCS補償功率偏差部分的影響。

3.4DFIG機組等值模型的暫態(tài)無功補償特性

在電力系統(tǒng)遭受嚴重故障等大的干擾時，有時會對DFIG的動態(tài)無功輸出提出一些要求，因此對DFIG等值模型與DFIG詳細模型的暫態(tài)無功功率補償特性也進行了對比，如圖10所示。由DFIG轉子電流d軸分量和DFIG無功功率輸出的動態(tài)響應可以看出，DFIG等值模型同樣可以實現(xiàn)動態(tài)無功功率補償控制的功能，并對DFIG詳細模型中的無功控制策略進行模擬。

3.5仿真時長比較

為了驗證DFIG等值模型大大減少了對仿真資源的需求，通過統(tǒng)計仿真時間進行分析。從兩方面進行對比：①小仿真步長，單臺DFIG機組模型；②大仿真步長，多臺DFIG機組模型。表1為不同仿真條件下DFIG等值模型與詳細模型的仿真效率對比，其中仿真時長表示在仿真軟件中程序運行時間，實際時間則表示程序運行完畢在現(xiàn)實中花費的時間。由表1可以看出基于DFIG等值模型的仿真系統(tǒng)對仿真資源的需求遠遠小于DFIG詳細模型，尤其當系統(tǒng)內DFIG模型數(shù)量增多時，DFIG等值模型對計算效率的提升效果更加明顯。可見，本文提出的等值模型不但具有可靠的精度并且簡潔有效。

圖10　DFIG等值模型的暫態(tài)無功補償特性

表1　等值模型與詳細模型的仿真時長對比

4結論

本文研究了一種降階的雙饋風電機組等值模型，在保留雙饋風電機組詳細模型中主要元件及配套控制系統(tǒng)的基礎上，通過搭建兩個獨立的可控電流源模型及相關控制策略將原詳細模型中的背靠背變流器組替代，從而達到既準確保持雙饋風電機組的暫態(tài)控制特性和暫態(tài)輸出外特性，又提高仿真計算效率的效果。仿真分析對提出的方法進行了有效驗證。

雙饋風電機組的詳細模型具有較高的仿真準確度,同時也需要更多的仿真資源,在關于風機內部暫態(tài)響應特性及低電壓穿越特性的研究中得到了廣泛應用。然而在含大規(guī)模、多接入點風電場接入的電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析中，一般不需要詳細考慮風電場內部的信息，風電場模型能保證準確反映風電場輸出外特性和對外部區(qū)域影響即可。本文提出等值模型在研究此類問題時具有明顯優(yōu)勢，可以靈活模擬不同接入點風電場的不同控制策略或不同運行狀態(tài)，同時又保證系統(tǒng)時域仿真的計算規(guī)模不會過大，造成分析不便。本文的研究內容解決了PSCAD仿真平臺目前廣泛應用的DFIG模型對仿真資源需求較大的問題，對其他仿真平臺的DFIG暫態(tài)等值問題及含大規(guī)模風電接入的電力系統(tǒng)暫態(tài)問題的時域仿真分析有重要參考價值。

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劉斯偉(1988—)，男，博士研究生，研究方向為雙饋風電機組的建模與控制、風電接入對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響分析，E-mail：liusw@necpu.edu.cn;

李庚銀(1964—)，男，教授，博士生導師，主要研究方向為新能源電力系統(tǒng)分析與控制、先進輸變電技術、電能質量等，E-mail：ligy@ncepu.edu.cn；

周明(1967—)，女，教授，博士生導師，主要研究方向為新能源電力系統(tǒng)分析與控制、電力市場、電能質量等，E-mail：zhouming@ncepu.edu.cn。

(責任編輯：楊秋霞)7

摘要：隨著接入電網的風電場規(guī)模日益增大，電力系統(tǒng)暫態(tài)過程研究對風電場準確簡潔建模的需求愈發(fā)迫切。本文研究了一種基于PSCAD仿真平臺的降階雙饋風電機組等值模型。該等值模型保留了原雙饋風電機組(DFIG)詳細模型中的風力機模型、軸系模型以及發(fā)電機模型，同時采用兩組獨立可控電流源及其對應配套控制策略，替代了由電力電子裝置構成、仿真計算資源需求大、精度要求高的背靠背PWM變流器組及配套控制系統(tǒng)?；赑SCAD的仿真分析對所搭建的雙饋風電機組等值模型的基礎控制特性、暫態(tài)響應特性，以及仿真計算效率進行了驗證，證明了該模型既可以有效保持雙饋風電機組的暫態(tài)響應特性，同時又大幅度提高了仿真計算效率。

關鍵詞：雙饋風電機組；暫態(tài)等值模型；電力系統(tǒng)；暫態(tài)穩(wěn)定分析

Abstract：with the increasing of wind power penetration in the power system, accurate and simplified modelling of wind power plants is meeded for power system transient process analysis. A reduced-order dynamic equivalent model of doubly-fed induction generator (DFIG) based on PSCAD is introduced. The equivalent model preserves wind turbine model, shafting model and generator model of the detailed DFIG model, but substitute the two back-to-back PWM converters which are composed of power electronic device, and have huge requirements of simulation resources and calculation accuracy by two independently controllable current sources (CCS) and their corresponding control strategies. Simulation analysis based on PSCAD tested the control performance of CCS, the equivalent model’s transient response characteristic and the computational efficiency. It’s well proved that the proposed model preserves the transient response fidelity of DFIG while significantly improves the computational efficiency.

Keywords：doubly-fed induction generator (DFIG); transient equivalent model; power system; transient stability analysis

作者簡介：

收稿日期：2015-10-20

基金項目：國家自然科學 (51190103)；高等學校學科創(chuàng)新引智計劃項目(B08013)

中圖分類號：TM614

文獻標志碼：A

文章編號：1007-2322(2016)02-0064-06