基于實測參數(shù)辨識的雙饋風機機電暫態(tài)建模研究

何廷一，李勝男，黃偉，吳水軍，張杰，沐潤志，和鵬，郭曉宇

（1.云南電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，昆明650217；2.云南電力調度控制中心，昆明650011；3.云南電力試驗研究院（集團）有限公司，昆明650011）

0 前言

云南電網(wǎng)與南方電網(wǎng)主網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)后，系統(tǒng)容量變小、抗擾動能力變差[1-2]；新能源發(fā)展迅猛，截止2019年初，云南新能源裝機已達1157萬千瓦[3]，并且枯水期，部分地區(qū)發(fā)電量最高比重已接近50%。云南電網(wǎng)特性的改變以及大規(guī)模高占比新能源的并網(wǎng)發(fā)電使得云南電網(wǎng)必須考慮新能源對電網(wǎng)的影響，而新能源機組的仿真模型和參數(shù)作為大規(guī)模電網(wǎng)仿真分析的基礎也隨之成為亟待解決的問題。

本文從目前電網(wǎng)新能源機組仿真模型存在的問題出發(fā)，介紹了雙饋風電機組控制模型，基于PSD-BPA 程序開展了不同低電壓穿越試驗情況下大龍口風電場東汽1.5 MW 雙饋風電機組的實測參數(shù)辨識工作。通過實際電網(wǎng)的算例進行仿真與實測的對比，驗證了模型的準確性和實用性。

1 目前存在的問題

目前大電網(wǎng)機電暫態(tài)仿真中風電機組模型主要采用GE 模型，但是GE模型的特性與現(xiàn)場機組的特性存在差異，以下為1.5 MW GE 雙饋風電機組與大龍口風電場1.5 MW 東風電氣風電機組的實測數(shù)據(jù)的比較圖。

由圖1可知，GE雙饋風電機組與1.5 MW東風電氣雙饋風電機組的跌落電壓基本一致，但是風電機組有功功率與無功功率差異明顯，簡單采用GE模型來模擬現(xiàn)場雙饋機組的特性用于大電網(wǎng)系統(tǒng)分析是存在問題的。

2 雙饋風電機組控制模型

雙饋風電機組感應發(fā)電機的動態(tài)控制是通過功率變流器來控制實現(xiàn)的，利用變流器電網(wǎng)的電氣頻率與轉子的機械轉矩解耦，從而實現(xiàn)變速運行。

圖1 GE雙饋機組與1.5 MW東氣雙饋機組的仿真與實測數(shù)據(jù)比較圖

圖2雙饋異步發(fā)電機控制系統(tǒng)框圖

2.1 雙饋電機的PQ控制原理

當雙饋電機采用定子電壓定向控制時，在忽略定子電阻R 的情況下，定子電壓矢量與定子磁鏈矢量之間存在如下的近似關系：

當同步轉速旋轉坐標系的d 軸定向于定子電壓矢量US上時，有：

其中，Us為定子電壓矢量的幅值。

在定子電壓定向條件下，由下式確定的雙饋電機定子功率的表達式簡化。經(jīng)推導，定子功率為：

帶入可得有功功率和無功功率：

由上兩式可見，定子有功功率和定子無功功率在一定的近似條件下，都分別只受轉子ird和irq的影響，據(jù)此，如果對轉子電流進行dp軸解耦控制，則可以實現(xiàn)對于雙饋發(fā)電機有功、無功的解耦控制。

2.2 轉子側變流器的PQ控制模型

轉子側變流器的控制：主要控制目標是在給定的運行條件下（主要是風速）從風能中捕獲最大功率。其對雙饋異步發(fā)電機的電磁轉矩進行控制，是轉子始終按照最大功率跟蹤曲線對應的最佳轉速運行。通過轉速控制回路可獲取轉矩參考值。轉子d 軸電流控制器用于保證實際轉矩與其參考值相等，轉子q 軸電流控制器用于控制無功功率，控制框圖見圖3（a）所示。BPA 中轉子側變頻器PQ模型包括本身的控制以及與之相關的主控部分，見圖3（b）所示。實際機組中，正常狀態(tài)下變頻器控制響應主控命令進行控制，在電網(wǎng)故障發(fā)生后，變頻器控制主導整個控制部分。

圖3機側變頻器控制示意圖

2.3 網(wǎng)側變流器的PQ控制模型

網(wǎng)側變流器控制：直流環(huán)節(jié)的電壓調節(jié)是通過控制網(wǎng)側變換器的d 軸電流來控制有功功率進而實現(xiàn)的。對網(wǎng)側變換器的q 軸電流進行獨立控制，進而實現(xiàn)輸出無功的控制，控制框圖見圖4（a）所示。BPA 中網(wǎng)側變頻器PQ模型包括本身的控制以及與之相關的主控部分，見圖4（b）所示。

圖4網(wǎng)側變頻器控制示意圖

2.4 槳矩角控制系統(tǒng)模型

BPA 中槳矩角控制系統(tǒng)的控制模型如圖5所示。

圖5槳矩角控制模型一般結構圖

3 實測參數(shù)辨識仿真與實測比對

依據(jù)楚雄大龍口風電場1.5 MW 東汽雙饋機組的低電壓穿越試驗數(shù)據(jù)開展了基于實測參數(shù)辨識的雙饋風電機組機電暫態(tài)建模和仿真與實測對比。比對內容主要包括：箱變高壓側正序電壓、風電機組有功功率和風電機組無功功率。

圖6為箱變高壓側發(fā)生三相短路，電壓跌落深度為35%Un 時大龍口風電場1.5 MW 東汽雙饋風電機組仿真曲線與實測對比結果，基本吻合。

圖7為箱變高壓側發(fā)生AC 相短路，短路阻抗與圖5 設置相同時大龍口風電場1.5 MW 東汽雙饋風電機組仿真曲線與實測對比結果，基本吻合。

圖8為箱變高壓側發(fā)生三相短路，電壓跌落深度為20%Un 時大龍口風電場1.5 MW 東汽雙饋風電機組仿真曲線與實測對比結果，基本吻合。

圖9為箱變高壓側發(fā)生AC 相短路，短路阻抗與圖7 設置相同時大龍口風電場1.5 MW 東汽雙饋風電機組仿真曲線與實測對比結果，基本吻合。

圖6三相電壓35%跌落時仿真與實測數(shù)據(jù)比較圖

圖7 AC相電壓跌落920ms 時仿真與實測數(shù)據(jù)比較圖

圖8三相電壓20%跌落時仿真與實測數(shù)據(jù)比較圖

圖9 AC相電壓跌落625 ms時仿真與實測數(shù)據(jù)比較圖

4 結束語

本文針對目前電網(wǎng)BPA 機電暫態(tài)仿真中普遍采用GE雙饋模型代替國產(chǎn)雙饋風電機組的問題進行研究。通過對比GE 雙饋機組模型仿真曲線與實測東汽雙饋風電機組曲線說明簡單采用GE風機模型是不能完全模擬實際風機特性。

介紹了PSD-BPA 雙饋風電機組控制模型，并依據(jù)楚雄大龍口風電場1.5 MW 東汽雙饋機組的低電壓穿越試驗數(shù)據(jù)開展了基于實測參數(shù)辨識的雙饋風電機組機電暫態(tài)建模工作，仿真結果與實測結果吻合較好（仿真與實測的誤差由于現(xiàn)場短路深度設置誤差導致，誤差小于標準要求,詳見文獻[4-6]），說明該模型能夠基本滿足目前大電網(wǎng)機電暫態(tài)仿真的需要。