應用于動模試驗系統的風電模擬技術研究

孟巖峰　胡書舉　李　旭　許洪華

(1.中國科學院電工研究所　北京　100190　2.中國科學院大學　北京　100080)

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應用于動模試驗系統的風電模擬技術研究

孟巖峰1，2胡書舉1李旭1，2許洪華1

(1.中國科學院電工研究所北京1001902.中國科學院大學北京100080)

研究了應用于動模試驗系統的風電模擬控制技術，針對風電模擬系統與實際風力發電機組轉動慣量的懸殊性，提出一種風力機模擬控制方法，實現了實際風力發電機組動態特性的準確模擬；針對動模系統電網條件特性，提出采用PI控制器并聯多諧振控制器的改進控制策略，實現了風電模擬系統在諧波畸變及不平衡等非理想電網條件下的穩定運行，同時在雙饋風電模擬系統中采用協調控制策略實現了雙饋風電模擬系統的低電壓穿越功能。接入某電力系統動模試驗系統進行實驗，實驗結果驗證了所提模擬控制方法與改進控制策略的有效性。

動模試驗系統風電模擬轉動慣量模擬方法多諧振控制器

0　引言

實驗室的試驗研究對風力發電技術的發展起著重要的引導作用，但由于條件的限制，多數實驗室不具備風場環境或風力機，給風力發電技術的實驗研究帶來了很大困難。風力機特性的模擬主要是模擬其穩態和動態情況下的功率/轉速特性或轉矩/轉速特性，應用風力機特性模擬系統，可在實驗室模擬不同類型風力機的特性，縮短研發周期和減少實驗研究的費用，對風力發電新技術的試驗、應用、推廣具有重要意義[1，2]。

電力系統動態模擬即電力系統的物理模擬，基于相似定理而設計，對電力系統各子系統及部件進行物理模擬，從而能夠通過模擬系統的研究，反映出被模擬電力系統的相關特性[3，4]。

近年來，隨著國內風力發電迅速發展，風電接入電網給電力系統的系統分析、潮流計算、故障分析及繼電保護等方面帶來一系列值得研究和需要解決的問題。電力系統動模試驗(即物理模擬)是電力系統分析與研究的重要手段，將能夠準確模擬實際風力發電機組的物理模擬技術應用于電力系統動模試驗中，對研究風電并網接入影響及相關問題具有重要意義[5，6]。

目前絕大多數的風力機模擬主要注重于風力機的靜態模擬[2，7]，只考慮了風力機的穩態特性，對于動態模擬效果不甚理想。由于真實風力機的轉動慣量遠大于模擬系統電動機的轉動慣量，造成兩者的動態變化過程存在很大差異，為此，文獻[4，8]提出基于轉矩閉環的動態模擬方法，加入了由轉速加速度產生的動態補償轉矩，可同時模擬風力機的靜態和動態特性[9，10]，但該方法計算較為復雜，且容易引起系統不穩定。另外，文獻[2，4，7-10]中提到的風力機模擬技術僅考慮風力機自身模擬，并未整體考慮風力發電機組模擬控制技術，這也使得其不適用于電力系統動模試驗。

本文就應用于電力系統動模試驗系統的風電模擬控制技術展開研究，詳細介紹了風電模擬系統的建模及控制策略，在理論研究的基礎上，將研制的風電模擬系統接入電力系統動模試驗系統中進行了實驗研究，結果表明，采用本文提出的模擬控制方法和改進控制策略，風電模擬系統運行良好，能準確模擬實際風電場風力發電機組的運行特性。

1　風力機特性分析與模擬控制方法

1.1風力機氣動特性分析

根據貝葉斯理論，風輪吸收的機械功率為

(1)

式中，Cp為風能利用系數；λ為葉尖速比，即葉尖速度與風速的比值；β為槳距角；R為葉輪半徑；v為風速；ρ為空氣密度。Cp可表示為

(2)

式中，λi為中間變量，其表達式為

(3)

在不同風速及轉速的條件下，葉輪的輸出功率如圖1所示。

圖1　不同風速及轉速下風力機輸出功率Fig.1　Wind turbine output power at different Wind speeds and rotational speed

將圖1中不同風速下的曲線頂點連接起來，可得到風力發電機組的最大風能捕獲(Maximum Power Point Tracking，MPPT)曲線。當風速突變時，控制系統根據MPPT算法，調節發電機組的轉速，使吸收功率最大化。然而風力發電機組的轉動慣量較大，當風速突然增大，而轉速尚未增大至新的工作點時，葉輪輸出功率會高于最大風能捕獲曲線。因此，為了模擬風力發電機組的全部工況，原動機的轉速功率特性曲線必須高于風輪的轉速功率特性曲線。

1.2風力機特性建模與模擬控制方法

雙饋風力發電機組的傳動鏈由葉輪、主軸、齒輪箱及發電機構成，直驅風力發電機組的傳動鏈中不包含齒輪箱。根據傳動系統的軸系方程，可以建立風力發電機組傳動鏈的單質量塊模型[10]，并進行相應的標幺化處理。由于實際風力發電機組的轉動慣量遠大于模擬系統，因此需要對模擬系統的拖動電機進行相應的控制修正，以模擬風力機的傳動鏈的物理特性。機組軸系運動方程為

(4)

式中，JT為機組傳動鏈等效轉動慣量；TT為葉輪轉矩；TGT為發電機轉矩；BT為等效摩擦系數；Ω為風輪機械轉速。

而對于風力機模擬系統，可以建立相似模型，并進行標幺化處理，如式(5)所示。

(5)

式中，Js為模擬系統傳動鏈等效轉動慣量；TM為拖動電機轉矩；TGs為發電機轉矩；Bs為等效摩擦系數。

將式(4)、式(5)聯立，并對式(5)進行相似分解，得到

(6)

式中，JΔ=JT-Js； TGΔ=TGT-TGs； BΔ=BT-Bs。

對比式(6)中的兩個方程，可得出模擬系統的轉矩方程為

(7)

如果模擬系統中發電機控制策略與實際相同，那么TGΔ=0。以式(7)作為拖動電機的轉矩指令，可實現風力發電機組運動特性的動態模擬。對式(4)進行積分，可得到轉速控制方程為

(8)

化簡可得

(9)

使用式(9)作為拖動電機的轉速指令，同樣也可以實現風力發電機組機械特性的模擬。采用上述方法控制拖動電機即可實現小功率平臺模擬大轉動慣量的實際風機運行特性。

2　應用于動模試驗系統的風電模擬系統機組控制策略

動模系統基于相似定理設計，通過對電力系統各個子系統及部件的物理模擬，真實再現實際電力系統運行特性，系統組成中應用了大量電容、電感、變壓器等元件模擬各級線路參數及特性，對于接入該動模系統的風電模擬系統而言，所接入的電網屬于弱電網系統，同時風電模擬系統應具備非理想、不平衡、諧波及故障電網條件下的運行能力，因此風電模擬系統需要采取針對性的控制策略，以確保接入電力系統動模試驗系統的風電模擬系統穩定運行。

2.1風電模擬系統主控與變槳距控制

由于主控與變槳距系統控制目標明確，控制性能與所接入電網條件無直接關系，因此在風電模擬系統中不做重點研究，控制策略采用與實際風力發電機組主控與變槳距系統相同的控制策略即可。

主控系統采用最大功率跟蹤的控制策略[11]，其控制目標是從風力中捕獲最大的功率。機組功率-轉速方程為

(10)

式中，Popt為最大風能捕獲功率；Kopt為由風力機的空氣動力學特性決定的常數(通常由風機生產商提供)；ωr為葉輪轉速。

變槳距系統采用實際風力發電機組常用的統一變槳控制策略，為了獲得最大輸入轉矩，通常情況下葉片的槳距角為0°，當風力機葉輪轉速超過最高值時，槳距角控制器控制變槳距執行電機增大槳距角，降低發電機出力，同時保護機組不會超速運行[12]。運動方程為

(11)

2.2風電模擬系統變流器控制

變流器的控制是風電模擬系統中關鍵部分，尤其對應用于動模系統的風電模擬系統，合適的控制策略是實現風電模擬系統在各種非理想電網條件下正常運行的保障。對于電網側變流器，雙饋和直驅風力發電機組控制策略相同；而對于電機側變流器，直驅與雙饋風力發電機組控制策略有所區別。

2.2.1電網側變流器控制

電網側變流器的控制主要包含直流環節母線電壓Udc的控制、變流器輸出有功功率P和無功功率Q解耦控制，采用以PI并聯多諧振控制器為電流內環核心控制器的改進型雙閉環控制策略，根據不同的控制目標計算指令電流，可有效應對諧波、畸變及不平衡等非理想電網條件，與電機側變流器協調控制，可實現低電壓穿越功能。由網側變流器數學模型及電壓方程可設計電網側變流器的控制框圖，如圖2所示。

圖2　電網側變流器控制框圖Fig.2　Improved control diagram of grid-side converter

2.2.2直驅風力發電機組電機側變流器控制

直驅型風電系統中發電機與電網通過全功率變流器隔離，全功率變流器網側變流器的控制性能將直接影響整個風電系統并網電能質量，而對于機側變流器，其控制功能相對簡單。由于永磁電機轉子磁場恒定，采用轉子磁場定向矢量控制較為簡便[13，14]，將永磁極軸線定向在d軸，同時為防止電樞反應產生去磁效應，通常將d軸的電流控制為0。根據永磁發電機數學模型，可得到電壓控制方程如式(12)所示，控制框圖如圖3所示。

(12)

式中，ψa、Lq、Ld分別為磁鏈和交、直軸電感；下標“s”表示機側電氣量；r為定子繞組電阻，高速時可忽略；p為微分算子；ω為電網同步角速度。通過式(12)可得d、q軸電壓給定，再經過旋轉變換生成PWM驅動信號實現對電機的矢量控制。

圖3　直驅風電模擬系統電機側變流器控制框圖Fig.3　Control diagram of generator-side converter of direct-driven wind power system

2.2.3雙饋風力發電機組電機側變流器控制

雙饋型風電系統中發電機定子直接與電網相連，轉子通過變流器與電網相連，電網條件的變化將直接影響發電機控制及輸出電能質量[15，16]，因此，雙饋風力發電機組電機側變流器的控制較為復雜。一方面要控制發電機保證系統正常運行，同時也要確保在諧波、畸變、不平衡及故障電網條件下系統的穩定運行。根據雙饋發電機數學模型，可以推導出轉子電壓控制方程為

(13)

式中，Lm為勵磁電感；ωslip為滑差角速度。

根據上述控制方程即可設計轉子電流環控制器，為消除非理想電網條件的影響，在原有電流環PI調節器的基礎上并聯多諧振控制器，形成改進型的復合控制器。其中，諧振控制器調諧2倍頻和6倍頻，依據具體控制目標的不同，計算相應的電流指令參考值，可有效消除非理想電網條件影響，同時采用電網故障條件下協調控制策略[17]，可實現動模系統中雙饋風電模擬系統的低電壓穿越功能。直驅風電系統因其發電機與電網通過全功率變流器隔離，低電壓穿越功能較為容易實現，在此不再贅述。諧振控制器傳遞函數一般形式為[18，19]

(14)

設計的轉子電流環控制框圖如圖4所示，圖中n為諧波次數。

圖4　轉子電流環控制框圖Fig.4　Rotor current control loop with parallel resonant controller

根據轉子電壓控制方程及上述電流環控制器結構框圖可以得到應用于動模系統的雙饋風電模擬系統電機側變流器的詳細控制框圖，如圖5所示。

圖5　雙饋風電模擬系統電機側變流器改進控制框圖Fig.5　Improved control diagram of generator-side converter of doubly-fed wind power simulation system

3　實驗驗證

作為電力系統研究領域成熟和重要的技術手段，物理動模試驗具有實證性強、技術成熟、仿真結果準確可靠等技術特點[5]，接入風電模擬系統可研究風電接入對電力系統的影響等相關問題。為了驗證本文提出的風電模擬控制方法及應用于動模系統的風電模擬系統控制策略的有效性，研制了40 kW雙饋型及直驅

型兩套風電模擬系統并應用于某電力系統動模試驗系統中進行了實驗研究。研制的模擬系統中除變槳距系統由軟件根據其功能特性進行模擬外，其他組成部件如風力發電機組主控、變流器、風力機模擬器、發電機等均為實際物理裝置，其中風力機模擬器是由拖動控制變頻器和拖動電機、聯軸器、測量傳感器等物理實體組成，用以模擬風力機輸出的氣動轉矩特性。

該電力系統動模試驗系統中包含數十臺同步發電機系統、無窮大系統、各種負荷、線路參數模擬元件、儲能元件等，動模系統內高壓側電壓等級為1.5 kV，動模系統中除風力發電機組外，其余機組均為同步機組，功率從最小幾千瓦到最大30 kW，可用來動態模擬以火電機組及水輪機組發電為主的電力系統特性，可人為設定各種故障類型及電網不同條件。機組端接入電網的電壓為380 V，動模試驗系統拓撲示意圖如圖6所示。

圖6　含有風電模擬系統的電力系統動模試驗系統拓撲圖Fig.6　Topology of power system dynamic simulation test system containing wind power systems

分別進行了風力機模擬器輸出動態特性實驗、模擬系統非理想電網條件下穩態運行實驗及風力發電機組遠端故障和近端故障穿越實驗等。

圖7、圖8分別為風力發電機組模擬系統在不同風速與對應輸出功率的波形，實驗波形通過上位機監控軟件采集測量傳感器數據繪制而成。圖7中所示波形為系統設定額定功率為10 kW運行時情況，圖8中所示波形為額定功率40 kW運行時情況。

圖7　給定風速穩定變化輸出波形Fig.7　Output waveforms of given wind speed under stable change

圖8　隨機風速動態變化輸出波形Fig.8　Output waveforms of random wind speed under dynamic change

圖7、圖8中所示波形均設定風速為12 m/s時達到額定功率，達到額定功率后以恒功率運行，從圖中可以看出，風電模擬系統輸出功率與風速變化趨勢一致，動態跟蹤效果較好，可見采用本文所提風力機模擬控制方法的有效性。采用該控制方法可以使用小功率平臺模擬實現不同類型的大功率風力機的運行特性，消除轉動慣量相差懸殊的風力機模擬的影響。

由前述可知，動模試驗系統由于本身特性及試驗需要，電網條件較差，如果不采取對應控制措施，接入的風電模擬系統將無法正常運行，更不可能實現故障穿越功能。圖9、圖10分別為接入電力系統動模試驗系統的直驅和雙饋風電模擬系統應用改進控制策略的穩態運行實驗波形。

CH2—電網電壓　CH3—網側電流 圖9　應用改進控制策略前后直驅系統穩態運行波形Fig.9　The steady-state operation waveforms of Improved control strategy adopted before and after in direct-driven wind power simulation system

CH1—網側電流　CH2—電網電壓 CH3—轉子電流　CH4—定子電流 圖10　應用改進控制策略的雙饋系統穩態運行波形Fig.10　Steady-state operation waveforms of Improved control strategy adopted in doubly-fed wind power simulation system

從圖9、圖10中可以看出電網諧波含量較大，實驗中使用電能質量分析儀進行了測試，電壓THD>5%。從波形可見，在電網電壓存在畸變情況下，應用所提改進控制策略，直驅系統并網電流及雙饋風電系統定子和轉子電流諧波得到有效抑制，電能質量得到顯著改善，雙饋系統中由于定子電流遠大于電網側變流器輸出電流，因此機組輸出總電流的THD得到了較大改善。實驗中測得系統輸出并網總電流THD從接近15%下降到3%以內。

圖11、圖12分別為雙饋風電模擬系統機組近端接地故障和遠端三相相間短路故障穿越波形。在動模系統中模擬的近端故障約在機組50 km處，模擬遠端故障在400 km以外，故障時間分別為200 ms和700 ms，電壓均跌落到20%以下。從波形可見，電壓跌落發生及恢復時的暫態沖擊電流較小，暫態過渡時間較短，轉子側Crowbar電路的投切次數較少，可以較好地幫助雙饋機組實現低電壓穿越功能。

CH1—電網電壓　CH2—Crowbar電壓 CH3—定子電流　CH4—轉子電流 圖11　近端兩相接地故障低電壓穿越實驗波形Fig.11　LVRT experimental waveforms of near two phase-to-earth fault

CH1—電網電壓　CH2—網測電流 CH3—定子電流　CH4—轉子電流 圖12　遠端三相短路低電壓穿越實驗波形Fig.12　LVRT experimental waveforms of 700 ms remote three-phase short circuit

4　結論

動模試驗是研究電力系統問題的重要手段，本文將風電模擬系統應用于電力系統動模試驗系統，研究了應用于動模系統的風力發電機組模擬控制技術，取得如下結論：

1)提出一種小功率風電模擬系統模擬大轉動慣量風力發電機組的控制方法，消除了因轉動量懸殊對模擬效果的影響，采用該模擬控制方法可實現應用小功率模擬系統模擬大轉動慣量的實際風力發電機組運行特性。

2)針對動模系統電網條件特性，提出采用PI控制器并聯多諧振控制器的改進控制策略，實現了風電模擬系統在諧波畸變、不平衡等非理想電網條件下的穩定運行，同時在雙饋風電模擬系統中采用協調控制策略實現了雙饋風電模擬系統的低電壓穿越功能。

基于本文所提模擬控制方法及改進控制策略，實現了風力發電機組模擬系統在動模試驗系統中的應用，實際運行效果表明本文所提應用于動模系統的風電模擬控制技術的有效性，對研究當前大規模風電并網對電力系統的影響及與之相關的一系列問題具有非常重要而實際的意義。

[1]Ohyama K，Nakashima T.Wind Turbine Emulator Using Wind Turbine Model Based on Blade Element Momentum Theory[C]//2010 International Symposium on Power Electronics Electrical Drives Automation & Motion，Pisa，2010：762-765.

[2]王前雙，胡育文，黃文新.風力機模擬技術綜述[J].電機與控制應用，2010，37(3)：1-6.Wang Qianshuang，Hu Yuwen，Huang Wenxin.Review on the technology of wind turbine emulation[J].Electric Machines & Control Application，2010，37(3)：1-6.

[3]張濤，胡立錦，張新燕，等.風力發電機通用化建模研究[J].電力系統保護與控制，2013，41(13)：1-6.Zhang Tao，Hu Lijin，Zhang Xinyan，et，al.Research on universal modeling of wind turbines[J].Power System Protection and Control，2013，41(13)：1-6.

[4]Monfared M，Kojabadi H M，Rastegar H.Static anddynamic wind turbine simulator using a converter controlled DC motor[J].Renewable Energy，2008，33(5)：906-913.

[5]金啟玫，楊衛國.電力系統物理模擬綜述[J].電氣應用，1999，18(1)：9-11.Jin Qimei，Yang Weiguo.Over of the physical simulation of power system[J].Electrotechnical Journal，1999，18 (1)：9-11.

[6]周澤昕，周春霞，董明會，等.國家電網仿真中心動模試驗室建設及繼電保護試驗研究[J].電網技術，2008，32(22)：51-55.

Zhou Zexin，Zhou Chunxia，Dong Minghui，et al.Construction of dynamic simulation lab in sgcc simulation center and research of protective relay test[J].Power System Technology，2008，32(22)：51-55.

[7]劉其輝，賀益康，趙仁德.基于直流電動機的風力機特性模擬[J].中國電機工程學報，2006，26(7)：134-139.

Liu Qihui，He Yikang，Zhao Rende.Imitation of the characteristic of wind turbine based on DC motor[J].Proceedings of the CSEE，2006，26(7)：134-139.

[8]袁曉玲，黃宇宙，易文杰，等.改進直接轉矩控制在海上風力機模擬中的應用[J].電力建設，2014，35(4)：1-5.

Yuan Xiaoling，Huang Yuzhou，Yi Wenjie，et al.Application of improved direct torque control in offshore wind turbine simulation[J].Electric Power Construction，2014，35(4)：1-5.

[9]Reiter M，Abel D，Jassmann U.Driving torque control for a nacelle test bench[J].Journal of Physics：Conference Series，2014，524(1)：12068-12077.

[10]陳杰，龔春英，陳家偉，等.兩種風力機動態模擬方法的比較[J].電工技術學報，2012，27(10)：79-85.

Chen Jie，Gong Chunying，Chen Jiawei，et al.Comparative study of dynamic simulation methods of wind turbine[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2012，27(10)：79-85.

[11]趙梅花，楊勇，鐘沁宏.新型混合勵磁直驅式風力發電系統MPPT 控制[J].電工技術學報，2013，28(5)：30-36.

Zhao Meihua，Yang Yong，Zhong Qinhong.Tracking the peak power points for a wind energy conversion system based on hybrid excition synchronous generator[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2013，28(5)：30-36.

[12]Dunne F，Pao L Y，Wright A D，et al.Adding feedforward blade pitch control to standard feedback controllers for load mitigation in wind turbines[J].Mechatronics，2011，21(4)：682-690.

[13]李建林，徐少華.直接驅動型風力發電系統低電壓穿越控制策略[J].電力自動化設備，2012，32(1)：29-33.

Li Jianlin，Xu Shaohua.Control strategy of low-voltage ride-through for direct-drive wind power generation system[J].Electric Power Automation Equipment，2012，32(1)：29-33.

[14]鄧秋玲，黃守道，姚建剛，等.直驅風電系統新型變流控制策略[J].電工技術學報，2012，27(7)：227-234.

Deng Qiuling，Huang Shoudao，Yao Jiangang，et al.A new converter control strategy in direct drive wind generation system[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2012，27(7)：227-234.

[15]王中，孫元章，李國杰，等.雙饋風力發電機定子電流諧波分析[J].電力自動化設備，2010，30(6)：1-5.

Wang Zhong，Sun Yuanzhang，Li Guojie，et al.Stator current harmonics analysis of doubly-fed induction generator[J].Electric Power Automation Equipment，2010，30(6)：1-5.

[16]Todeschini G，Emanuel A E.A novel control system for harmonic compensation by using wind energy conversion based on DFIG technology[C]//2010 Twenty-Fifth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC)，Palm Springs，CA，2010：2096-2103.

[17]孟巖峰，胡書舉，王玲玲，等.電網故障條件下雙饋機組運行特性分析及其協調控制[J].電力系統保護與控制，2013，41(8)：106-113.

Meng Yanfeng，Hu Shuju，Wang Lingling，et al.Characteristics analysis and coordinated control of the doubly-fed wind power system under grid transient fault[J].Power System Protection and Control，2013，41(8)：106-113.

[18]Li Zixin，Wang Ping，Li Yaohua，et al.400 Hz high-power voltage-source inverter with digital control[J].Proceedings of the CSEE，2009，29(6)：36-42.

[19]Meng Yanfeng，Dong Zhiran，Hu Shuju，et al.Research on an improved control strategy for harmonics restraint of DFIG system[C]//ICMEE2011，Applied Mechanics and Materials，Hefei，2012，130-134：1338-1343.

Research on Wind Power Simulation Technology Applied to Power System Dynamic Simulation Test System

Meng Yanfeng1,2Hu Shuju1Li Xu1,2Xu Honghua1

(1.Institute of Electrical EngineeringChinese Academy of ScienceBeijing100190China 2.University of Chinese Academy of SciencesBeijing100080China)

The wind power simulation control technology applied to the power system dynamic simulation test system is researched.For large disparity of the inertia between the wind power simulation system and the actual wind turbine，a wind turbine simulation control method to achieve accurate dynamic characteristics simulation of actual wind turbines is proposed.For grid condition of power system dynamic simulation system，an improved control strategy adopting the proportion-integral (PI) controller and the parallel multi-resonant controller is developed to achieve the stable operation of the wind power simulation system under harmonics distortion，power imbalance，and other non-ideal conditions.Also a coordinated control strategy is utilized to achieve a low voltage ride through (LVRT) capability on the double-fed wind power simulation system.The validity of the proposed simulation control method and the improved control strategy is verified by integrating a wind power simulation system into a power system dynamic simulation test system.

Power system dynamic simulation test system，wind power simulation，inertia simulation method，multi-resonant controller

2015-01-30改稿日期2015-04-20

TM614；TM743

孟巖峰男，1980年生，博士研究生，助理研究員，研究方向為風力發電控制技術。

E-mail：myf 0512@mail.iee.ac.cn(通信作者)

胡書舉男，1978年生，博士，副研究員，研究方向為風力發電控制技術。

E-mail：hushuju@mail.iee.ac.cn

國家科技支撐計劃資助項目(2015BAA07B02)。