雙饋風(fēng)電機組電能質(zhì)量特性聯(lián)合仿真建模分析*

楊 靖，張書涵，許國東，法拉蒂爾

雙饋風(fēng)電機組電能質(zhì)量特性聯(lián)合仿真建模分析*

楊 靖1,2，張書涵1,2?，許國東1,2，法拉蒂爾1,2

（1. 浙江運達風(fēng)電股份有限公司，杭州 310012；2. 浙江省風(fēng)力發(fā)電技術(shù)重點實驗室，杭州 310012）

建立雙饋風(fēng)電機組（DFIG）聯(lián)合仿真精細化模型——GH Bladed-Matlab模型。在GH Bladed中搭建機組主要機械部件模型，在Matlab中搭建機組的主要電氣部件。選取2.2 MW的雙饋風(fēng)電機組搭建模型，根據(jù)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)修正GH Bladed-Matlab模型，使仿真得到的機組閃變外特性、諧波外特性、功率控制外特性與其現(xiàn)場測試波形外特性基本保持一致，確保研究得到的聯(lián)合仿真模型高精確性。所建立的模型在針對機組電能質(zhì)量特性因素定性研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)據(jù)進行定量分析，為同系列機組電能質(zhì)量特性優(yōu)化提供參考。

雙饋風(fēng)電機組；聯(lián)合仿真；電能質(zhì)量；閃變；諧波

0 引 言

為積極響應(yīng)國家能源局的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略號召，國內(nèi)風(fēng)電發(fā)展的速度加快，風(fēng)電并網(wǎng)覆蓋率逐年增長。但是風(fēng)資源的波動性及不可控性，給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定及安全帶來了巨大威脅，因此亟需深入研究風(fēng)電并入電力系統(tǒng)的質(zhì)量特性，其中電能質(zhì)量特性成為了廣大學(xué)者的熱點研究問題。文獻[1]根據(jù)國家相關(guān)標準給出了風(fēng)電場并網(wǎng)電能質(zhì)量評估指標及其計算方法，并提出由風(fēng)電場并網(wǎng)引起的并網(wǎng)點處電壓偏差、諧波電流、諧波電壓以及電壓波動與閃變的計算方法和步驟。文獻[2]從風(fēng)電并網(wǎng)的諧波入手，并通過電力系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計（power systems computer aided design, PSCAD）軟件仿真分析其對電能質(zhì)量的影響。文獻[3]介紹了兩種不同風(fēng)電機組類型，從理論上分析兩種風(fēng)電機組對電能質(zhì)量的影響，并提出提高電能質(zhì)量的方法。針對雙饋風(fēng)電機組的并網(wǎng)運行輸出的諧波，文獻[4-5]通過搭建數(shù)學(xué)模型做定性的理論研究，并搭建仿真模型進行定量的對比分析。文獻[6]針對風(fēng)電機組電壓波動及閃變特性展開研究，搭建機組電氣部分模型進行仿真分析。文獻[7]針對雙饋風(fēng)電機組最優(yōu)功率控制開展研究，未涉及機組其他閃變、諧波特性的研究分析。文獻[8]從風(fēng)電機組并網(wǎng)引入的閃變特性著手分析、進行閃變限值的推導(dǎo)。由文獻[1-8]可以看出，目前國內(nèi)學(xué)者對電能質(zhì)量特性的研究都存在一定的局限性。

本文從電能質(zhì)量的閃變、諧波、功率控制特性方面綜合展開研究，采用Bladed軟件建立機組機械模型，Matlab軟件中搭建機組電氣模型，且電氣模型和機械模型保持實時信息交互，構(gòu)建聯(lián)合仿真環(huán)境。所建立的模型在針對機組電能質(zhì)量特性因素定性研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合仿真數(shù)據(jù)進行定量分析，為同系列機組電能質(zhì)量特性優(yōu)化改進打下基礎(chǔ)。

1 風(fēng)電機組電能質(zhì)量特性理論研究

1.1 風(fēng)電機組的能量轉(zhuǎn)換原理

風(fēng)電機組是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為動能的裝置，是通過葉片捕獲風(fēng)能，然后風(fēng)力發(fā)電機設(shè)備利用電磁感應(yīng)原理把捕獲的風(fēng)能轉(zhuǎn)化成機械功率。風(fēng)電機組從自然風(fēng)中吸取、利用能量的大小程度存在一個風(fēng)能利用率系數(shù)C。根據(jù)貝茲理論[9]，C可以表示為：

式中：為風(fēng)電機組實際獲得的軸功率，W；為空氣密度，kg/m3；為風(fēng)輪的掃風(fēng)面積，m2；為上游風(fēng)速度，m/s。而C是關(guān)于葉間速比（）、槳距角（）的多變量函數(shù)，如公式（2）所示：

根據(jù)經(jīng)驗關(guān)系式，可以擬合出風(fēng)電機組C的三維曲線圖，如圖1所示。根據(jù)曲線圖可以看到，在某一個確定的和下，風(fēng)電機組存在一個最大C值，使得機組在該風(fēng)況下可捕獲最大風(fēng)能，獲得最大電功率。

根據(jù)空氣動力學(xué)模型，風(fēng)輪從自然風(fēng)能中捕獲的機械功率可從式（1）推出。由式（1）可知，風(fēng)電機組的功率與風(fēng)速的3次方成正比，與風(fēng)輪直徑的2次方成正比，與功率利用系數(shù)C成正比，并且還和所處環(huán)境的空氣密度成正比。因此對于一臺已經(jīng)建好的風(fēng)電機組，其直徑、所處環(huán)境的空氣密度都是確定的，因此機組功率主要取決于風(fēng)速。

圖1 風(fēng)電機組Cp的三維圖

1.2 風(fēng)電機組閃變特性

由式（3）可知，機組的機械力矩m可以表示為：

風(fēng)剪切效應(yīng)、葉片重量不平衡、偏航誤差、塔影效應(yīng)等因素都會導(dǎo)致葉輪在旋轉(zhuǎn)過程中機械轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定，由式（3）可知，轉(zhuǎn)矩的不穩(wěn)定致使機組輸出功率也隨之發(fā)生波動，故而并網(wǎng)機組將給電網(wǎng)電壓引入閃變現(xiàn)象。

1.3 風(fēng)電機組諧波特性

在電力系統(tǒng)中，諧波是由于正弦電壓加壓于非線性負載，導(dǎo)致基波電流發(fā)生畸變產(chǎn)生的。而目前為了實現(xiàn)風(fēng)電機組變速運行，提高發(fā)電機效率，為其配置大量的電力電子器件。主要的非線性負載有開關(guān)電源、不間斷電源（uninterruptible power supply, UPS）、變流器、發(fā)電機等。因此就風(fēng)電機組而言，諧波電壓主要是由發(fā)電機、變流器、電容器、變槳系統(tǒng)、主控制器以及UPS等配件產(chǎn)生。

電網(wǎng)背景諧波電壓會使雙饋異步發(fā)電機定子側(cè)、網(wǎng)側(cè)變流器同時產(chǎn)生相應(yīng)頻率的諧波電流。并且網(wǎng)側(cè)變流器自身的死區(qū)也會使機組產(chǎn)生整數(shù)倍頻次諧波電流。上述3部分產(chǎn)生的諧波電流，相同頻率的分量相互疊加，從而致使機組的諧波畸變更為嚴重。

1.4 風(fēng)電機組功率控制特性

風(fēng)電機組的功率控制調(diào)節(jié)能力是實現(xiàn)機組安全發(fā)電并網(wǎng)的核心能力，要求快速且準確地響應(yīng)環(huán)境工況變化、響應(yīng)主控指令，從而實現(xiàn)機組的安全、友好發(fā)電并網(wǎng)。機組的有功控制主要由主控系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)控制，而其無功控制主要取決于變流器的底層控制策略，在電網(wǎng)過電壓時，變流器發(fā)出感性無功以緩解電網(wǎng)過電壓；在電網(wǎng)低電壓故障時，變流器發(fā)出容性無功以支撐電網(wǎng)低電壓，并投入Chopper組件以及Crowbar回路，保護機組部件不過壓、不過流。確保機組在任何電網(wǎng)故障工況下安全穩(wěn)定運行，發(fā)出的無功功率和電網(wǎng)環(huán)境相匹配。

2 風(fēng)電機組聯(lián)合仿真建模

聯(lián)合仿真模型主要基于Bladed及Matlab兩個軟件，其中，Bladed軟件是目前國內(nèi)應(yīng)用最廣的風(fēng)電機組設(shè)計軟件，其特點在于可進行機組載荷仿真計算、振動仿真分析、傳動鏈建模、變速變槳控制策略設(shè)計等，便于分析風(fēng)電機組的機械特性。而Matlab軟件是國內(nèi)研究應(yīng)用較廣泛的仿真軟件，其特色在于對變壓器、雙饋發(fā)電機、變流器、電網(wǎng)模型等并網(wǎng)特性仿真研究，適合用于風(fēng)電機組電氣特性的研究。其基本原理圖如圖2所示。

圖2 聯(lián)合仿真模型基本原理圖

由圖2可知，聯(lián)合仿真建模的特色在于機組的氣動模型、變槳模型、傳動鏈模型均在Bladed中搭建，可在Bladed模型中調(diào)整葉片、傳動鏈、塔架、變槳系統(tǒng)的參數(shù)，從而真實模擬風(fēng)剪切效應(yīng)、葉片重量不平衡工況、塔影效應(yīng)等特性。通過修改機組機械部件參數(shù)修正聯(lián)合仿真模型閃變外特性，同時也通過Bladed模型來實現(xiàn)對功率控制外特性的修正。機組的電網(wǎng)模型、變流器模型、發(fā)電機模型均在Matlab中搭建，以完成機組電氣特性的模擬?？稍贛atlab模型中調(diào)整變流器、發(fā)電機等電氣部件控制參數(shù)，從而修正聯(lián)合仿真模型諧波外特性。

2.1 電網(wǎng)模型

電網(wǎng)模型中的電源模塊采用Matlab自帶的三相電源模型，參數(shù)包括電網(wǎng)電壓、電網(wǎng)短路容量、頻率、電源阻抗比；完整的具體模型結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 電網(wǎng)模型結(jié)構(gòu)圖

2.2 變流器模型

變流器模型包括機側(cè)變流器、網(wǎng)側(cè)變流器、Chopper組件、Crowbar回路，其在Matlab中的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。其中，在變流器直流母線側(cè)增加Chopper組件，在轉(zhuǎn)子側(cè)接入Crowbar回路，以實現(xiàn)風(fēng)電機組的電網(wǎng)電壓故障期間電路保護。通過Chopper組件的投入、切出，抑制機組直流過電壓；Crowbar回路的投入、切出，實現(xiàn)機組的過流泄放。

圖4 變流器模型結(jié)構(gòu)圖

2.3 風(fēng)的模型

本文建立的3維湍流風(fēng)模型是通過在平均風(fēng)速的基礎(chǔ)上附加一個湍流強度實現(xiàn)的；其中，湍流強度是指風(fēng)速變化幅度的大小，為10 min內(nèi)標準風(fēng)速偏差與平均風(fēng)速的比值，其數(shù)學(xué)定義式如式（4）：

表1中“Mean wind speed”表示風(fēng)種子的平均風(fēng)速，“Height at which speed is defined”是機組的固定值，無需更改；后面三個參數(shù)是風(fēng)種子在、、三個方向的湍流度。

表1 風(fēng)種子湍流度設(shè)置界面

2.4 變槳系統(tǒng)模型

變槳系統(tǒng)是實現(xiàn)機組功率控制最重要的部件之一，同時，也是機組主剎車系統(tǒng)的主要部件。其主要功能實現(xiàn)如下：在機組啟動過程中，變槳系統(tǒng)控制開槳，以實現(xiàn)機組依靠風(fēng)力自行啟動；在機組滿功率運行時，通過調(diào)節(jié)槳距角來實現(xiàn)機組功率控制，保護機組避免超速過載。在機組正常或緊急停機時，變槳系統(tǒng)控制槳葉轉(zhuǎn)到預(yù)定安全位置，以實現(xiàn)空氣動力剎車，確保機組安全停運。因此，本文對變槳系統(tǒng)的建模精度有很高的要求。變槳系統(tǒng)建模機理如圖5所示。

圖5 變槳系統(tǒng)建模機理

2.5 傳動鏈系統(tǒng)模型

風(fēng)電機組傳動鏈系統(tǒng)主要由主軸、偏航系統(tǒng)、齒輪箱、聯(lián)軸器、發(fā)電機和機座組成，是風(fēng)電機組的一個龐大且復(fù)雜的機械系統(tǒng)。其將機組的機械特性及電氣特性進行耦合，從而使風(fēng)電機組具備將機械能轉(zhuǎn)化為電能的特性。故傳動鏈系統(tǒng)準確性對仿真分析也是至關(guān)重要的，為此在Bladed中對其進行了詳細的建模。其中，傳動鏈系統(tǒng)通?？闯墒怯蓭讉€慣性元件、彈性元件及阻尼元件組成。風(fēng)電機組的傳動鏈模型采用雙質(zhì)量塊模型，傳動鏈雙質(zhì)量塊模型的標幺值方程為[10-11]：

2.6 Bladed-Matlab信息交互模型

要實現(xiàn)Bladed與Matlab的聯(lián)合仿真，這就需要兩個模型之間建立信息交互，做到機械量和電氣量的數(shù)據(jù)共享。為此，本文建立的聯(lián)合仿真模型中，Bladed軟件采用動態(tài)鏈接庫（dynamic link library, DLL）文件作為接口文件，而Matlab的接口方式采用系統(tǒng)函數(shù)（system function）完成。兩個軟件之間主要通過轉(zhuǎn)矩值的給定及反饋，以實現(xiàn)風(fēng)電機組機械特性、電氣特性之間的精確耦合。本文選取容量2.2 MW的風(fēng)電機組為例，建立Bladed-Matlab聯(lián)合仿真模型。聯(lián)合仿真模型的信息交互架構(gòu)如圖6所示，建模機組系統(tǒng)的參數(shù)選取如表2所示。

圖6 Bladed-Matlab交互模塊

表2 WD2200型風(fēng)電機組參數(shù)

3 風(fēng)電機組仿真對比分析

為驗證聯(lián)合仿真模型的準確性，并為了后續(xù)同系列機組的電能質(zhì)量特性研究的精確性，下文將從閃變特性、諧波特性、功率控制三個方面開展仿真對比分析。其中，為了復(fù)現(xiàn)模擬現(xiàn)場的風(fēng)環(huán)境，模型仿真時均采用現(xiàn)場測試時記錄的兩種風(fēng)速波形做成的風(fēng)種子文件。

3.1 風(fēng)電機組閃變特性仿真

采用現(xiàn)場測試時記錄的兩種風(fēng)速波形，這兩種風(fēng)工況分別為：（1）平均風(fēng)速6.7 m/s，湍流度為6%；（2）平均風(fēng)速11 m/s，湍流度為10%。其中，兩種風(fēng)工況10 min的風(fēng)速時域圖如圖7所示。

圖7 風(fēng)工況10 min的風(fēng)速時域圖

通過聯(lián)合仿真模型得到上述兩種風(fēng)工況下對應(yīng)的機組電氣量，計算不同網(wǎng)絡(luò)阻抗角及不同風(fēng)速下的閃變系數(shù)（k，a）。根據(jù)仿真計算閃變結(jié)果與測試結(jié)果閃變系數(shù)對比，不斷地修正模型參數(shù)，直到仿真閃變系數(shù)與實測閃變系數(shù)接近。平均風(fēng)速分別為11.0 m/s和6.7 m/s工況下不同電網(wǎng)阻抗角k（30°、50°、70°和85°）下算出的閃變系數(shù)列于表3。

表3 平均風(fēng)速11.0 m/s和6.7 m/s工況下閃變系數(shù)對比

由表3可知，通過不斷地修正模型，最終得到兩個仿真工況下仿真結(jié)果與現(xiàn)場測試結(jié)果對比偏差如下：當平均風(fēng)速為11 m/s的仿真工況，仿真數(shù)據(jù)閃變系數(shù)與測試數(shù)據(jù)閃變系數(shù)的絕對誤差最大為0.09；當平均風(fēng)速為6.7 m/s的仿真工況，仿真數(shù)據(jù)閃變系數(shù)與測試數(shù)據(jù)閃變系數(shù)的最大絕對誤差也僅有0.32；所有測試結(jié)果閃變系數(shù)偏差均保持在很小的范圍內(nèi)，也就是說該仿真模型具備真實反映風(fēng)電機組閃變外特性的能力。

3.2 風(fēng)電機組諧波特性仿真

通過聯(lián)合仿真模型對風(fēng)電機組的諧波特性做了相應(yīng)的仿真研究，并利用現(xiàn)場測試諧波數(shù)據(jù)對模型參數(shù)進行修正，使得最終得到的仿真諧波值與現(xiàn)場測試結(jié)果諧波值偏差在誤差范圍內(nèi)。在滿發(fā)工況下，風(fēng)電機組模型修正后的仿真諧波值和現(xiàn)場測試諧波值的對比，如圖8所示。

圖8 風(fēng)電機組各次諧波值對比圖

通過對比現(xiàn)場測試結(jié)果諧波值和仿真結(jié)果諧波值可知，兩組諧波值偏差很小，最大絕對誤差僅有0.04；說明修正后的模型反映的諧波外特性和機組實測的外特性幾乎沒有偏差，修正模型可以模擬仿真該機型的諧波外特性。

3.3 風(fēng)電機組功率控制仿真

從風(fēng)電機組的有功控制、無功控制這兩個工況進行相應(yīng)的仿真，并將仿真數(shù)據(jù)、現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)以及功率控制指令進行對比。其中，得到的有功、無功對比如圖9所示。

根據(jù)標準《風(fēng)力發(fā)電機組電能質(zhì)量測量和評估方法》（GB/T 20230-2013）中對有功功率設(shè)定值控制測試工況的要求，對該機型仿真模型的該工況特性仿真，并將仿真結(jié)果與該機型測試結(jié)果對比，根據(jù)對比結(jié)果進行仿真模型的修正。測試數(shù)據(jù)、修正后的模型仿真結(jié)果以及功率控制指令對比，如圖9a所示。對比分析可知，仿真結(jié)果和測試結(jié)果的穩(wěn)態(tài)有功功率最大絕對偏差為42 kW，暫態(tài)響應(yīng)特性絕對偏差可以忽略不計。說明修正后的仿真模型能夠準確復(fù)現(xiàn)風(fēng)電機組的有功功率設(shè)定值控制性能。

根據(jù)標準《風(fēng)力發(fā)電機組電能質(zhì)量測量和評估方法》（GB/T 20230-2013）中對無功功率設(shè)定值控制測試工況的要求，對該仿真模型的該工況特性仿真，并將仿真結(jié)果與測試結(jié)果對比，根據(jù)對比結(jié)果進行仿真模型的修正。測試數(shù)據(jù)與修正后的模型仿真結(jié)果對比，如圖9b所示。由圖可知，在機組穩(wěn)態(tài)運行時，兩組數(shù)據(jù)的絕對誤差僅為34 kVar，但是兩組數(shù)據(jù)波形展現(xiàn)的暫態(tài)無功控制響應(yīng)特性完全保持一致。說明修正后的仿真模型能夠準確復(fù)現(xiàn)風(fēng)電機組的無功功率設(shè)定值控制性能。

圖9 有功功率（a）和無功功率（b）控制特性仿真對比圖

4 結(jié) 論

通過對風(fēng)電機組閃變特性、諧波特性以及功率控制特性的理論研究，并且基于聯(lián)合仿真模型的仿真分析，從定性、定量兩方面對風(fēng)電機組的電能質(zhì)量特性進行深入分析。同時，修正后的模型仿真結(jié)果和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對比，可以確定模型仿真得到的閃變、諧波及功率控制外特性與實際機組基本保持一致。因此，本文修正得到的聯(lián)合仿真模型可以準確復(fù)現(xiàn)風(fēng)電機組的閃變、諧波、功率控制特性。該模型具備仿真研究其他同系列機組電能質(zhì)量特性的能力，即通過該仿真模型仿真得到的閃變特性、諧波特性、功率控制特性可以真實地展現(xiàn)同系列機組的實際特性。使用該修正模型對同系列機組做電能質(zhì)量特性類比研究，可以實現(xiàn)一個仿真模型研究一類風(fēng)電機組的便利，從而減輕電能質(zhì)量特性研究的工作量。

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United Simulation Analysis of Power Quality Characteristics of DFIG Wind Turbines

YANG Jing1,2, ZHANG Shu-han1,2, XU Guo-dong1,2, FA Ladier1,2

(1. Zhejiang Windey Co. LTD., Hangzhou 310012, China; 2. Key Laboratory of Wind Power Technology of Zhejiang Province, Hangzhou 310012, China)

A united simulation refinement model of doubly fed induction generators (DFIG) wind turbines—model of GH Bladed and Matlab was established. The main mechanical part model of the wind turbine was built in GH Bladed, and the main electrical components model of the wind turbine were built in Matlab. A 2.2 MW DFIG wind turbine was selected to build the model, the GH bladed matlab model was modified according to the field test data to make the external characteristics of unit flicker, harmonic and power control basically consistent with the external characteristics of field test waveform, so as to ensure the high accuracy of the joint simulation model. Based on the qualitative research on the power quality characteristic factors of units, the model was combined with the data for quantitative analysis, which lays a reference for the optimization and improvement of power quality characteristics of the same series of units.

DFIG wind turbines; united simulation; power quality; flicker; harmonics

TK8

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2021.06.012

2095-560X（2021）06-0540-07

收稿日期：2021-09-24

2021-10-29

通信作者：張書涵，E-mail：zhangsh@chinawindey.com

楊 靖（1987-），女，高級工程師，主要從事風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)研究。

張書涵（1996-），女，助理工程師，主要從事風(fēng)電涉網(wǎng)研究。