基于實測參數辨識的雙饋風機機電暫態建模研究

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

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

本文從目前電網新能源機組仿真模型存在的問題出發，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辨識工作。通過實際電網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

目前大電網機電暫態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據的比較圖。

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模型來模擬現場雙饋機組的特性用于大電網系統分析是存在問題的。

2 雙饋風電機組控制模型

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

圖1 GE雙饋機組與1.5 MW東氣雙饋機組的仿真與實測數據比較圖

圖2雙饋異步發電機控制系統框圖

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，據此，如果對轉子電流進行dp軸解耦控制，則可以實現對于雙饋發電機有功、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，正常狀態下變頻器控制響應主控命令進行控制，在電網故障發生后，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 網側變流器的PQ控制模型

網側變流器控制：直流環節的電壓調節是通過控制網側變換器的d 軸電流來控制有功功率進而實現的。對網側變換器的q 軸電流進行獨立控制，進而實現輸出無功的控制，控制框圖見圖4（a）所示。BPA 中網側變頻器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網側變頻器控制示意圖

2.4 槳矩角控制系統模型

BPA 中槳矩角控制系統的控制模型如圖5所示。

圖5槳矩角控制模型一般結構圖

3 實測參數辨識仿真與實測比對

依據楚雄大龍口風電場1.5 MW 東汽雙饋機組的低電壓穿越試驗數據開展了基于實測參數辨識的雙饋風電機組機電暫態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據比較圖

圖7 AC相電壓跌落920ms 時仿真與實測數據比較圖

圖8三相電壓20%跌落時仿真與實測數據比較圖

圖9 AC相電壓跌落625 ms時仿真與實測數據比較圖

4 結束語

本文針對目前電網BPA 機電暫態仿真中普遍采用GE雙饋模型代替國產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據開展了基于實測參數辨識的雙饋風電機組機電暫態建模工作，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機電暫態仿真的需要。