風電場直驅機組實時數字仿真等值建模研究

王建安，祝文軍，徐茂寧，常昊添，程茂全

風電場直驅機組實時數字仿真等值建模研究

王建安1，祝文軍2，徐茂寧1，常昊添1，程茂全1

（1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102；2.青海陜煤新能源科技有限公司，青海 西寧 810001）

以風電場公共耦合點（Point of common coupling，PCC）運行特性一致為目標，提出了一種基于直驅風機箱變閥側輸入阻抗不變的改進等值方法。以箱變閥側電氣元件輸入阻抗不變為原則，結合設定的目標額定容量，計算箱變閥側及發電機機端額定電壓，進而得出各電氣元件等值參數。以某直驅風電場為例，考慮集電線路的化簡，在實時數字仿真系統中分別搭建12臺參數相同的2.5 MW多機詳細模型、1臺30 MW單機常規等值模型及1臺30 MW單機改進等值模型，通過仿真對比3個模型在PCC點的動態特性。結果表明，3個模型的運行特性基本一致，證實該等值方法能準確反映PCC點的動態特性。

風電場；直驅風機；公共耦合點；詳細模型；等值模型；集電線路；動態特性

0 引言

目前我國風電的發展呈現出規模化開發、集中并網和遠距離輸送的特點。隨著風電場并網容量的快速增加，風電特性對電網安全穩定運行的影響愈發顯著；因此大規模風電場動態建模是當前重要的課題。

建立準確的風電場仿真模型是研究大規模風電場并網特性的基礎。在理想情況下，可以通過建立每臺風機的詳細模型進而實現對整個風電系統動態特性的完整、準確的描述；但是由于實際風電場的風機數量較多、運行工況分散，所以如果在電力系統實時數字仿真中對每臺風機及其控制系統均采用詳細的數學模型，則過高的運算階數以及仿真實時性的要求將會消耗巨大的仿真資源，不利于理論分析[1-3]。因此，有必要對風機的等值建模方法進行深入研究。

對大規模風電場進行等值建模，實質上是將所有風電機組和集電線路看作一個整體進行等效，從而達到用單機系統來表征多機系統的目的。本文研究的風電場等值對象包括風電機組及集電線路。風電機組等值研究的目標，是基于機組的運行機理，通過研究其一次結構、控制策略、參數設計等來得到正確的等效方法[4-7]。常規等值方法是將動態行為相同的一群機組簡化為一臺機組。該方法可使系統簡化，又能保證其與原系統一致的外特性，且具有較好的精度。常規方法的理論基礎完善，但在具體仿真建模實施過程中存在問題，一方面因需要修改的參數較多，另一方面當實際等效的風機數量較多時，等效參數容易達到模型參數設置的上下限，故無法輸入參數來實現等值。

為此，本文提出了一種基于風機箱變閥側輸入阻抗不變的等值方法：以改變箱變變比（即原副邊阻抗折算系數）及箱變閥側一次系統電壓、電流等運行參數而非電力元件的阻抗參數為入手點，使箱變閥側阻抗折算到原邊后在各頻段均與實際多機阻抗相同。阻抗相同則對應外特性相同，因此該等值方法能實現精確等值。由于該方法無需修改箱變閥側阻抗參數，因此可規避常規方法修改參數多以及等值倍數較大而易造成等值參數輸入越限的問題。

集電線路對風機并網特性的影響是不能忽略的。其等值方法是，從各段線路的詳細模型結構出發，以等效前后的功率損耗相同為原則進行化簡，最終計算得到一段等值線路[8,9]。

直驅風電機組有著優良的運行特性且經濟成本較低，目前已成為風機發展的主流機型。本文對直驅機組的并網特性開展研究，基于實時數字仿真系統（Real time digital simulation，RTDS）電磁暫態仿真平臺，分別搭建考慮集電線路的多機參考模型、常規等值模型以及改進等值模型，并通過電網故障暫態試驗，驗證所提出的改進等值方法的準確性。

1 直驅機組等值方法

1.1 常規等值

將臺風機模型以并聯的電氣結構聚合為1臺風機模型。一次系統元件參數如下。

變流器參數：

式中：dc、f、f與edc、ef、ef分別為聚合前后的直流電容、濾波電容、濾波電感。

變壓器參數：

發電機參數：

該方法理論上能實現精確等值，但當實際的風機數量較多時，等效參數容易達到模型參數設置的上下限。工程實際中，RTDS變流器參數設置界面如圖1所示。圖1中，RTDS軟件中濾波電感設置下限1 μH。對于160 μH濾波電感，如果風機數量超過160臺，則等效電感小于1 μH，突破了模型參數設置的下限，無法等值。

圖1 RTDS變流器參數設置界面

1.2 改進等值

以箱變閥側輸入阻抗不變為原則，無需改變LCL濾波器、直流電容、發電機等一次系統阻抗值及控制系統參數，只需改變箱變變比以提升副邊額定電壓的方式，即可實現原邊輸入阻抗是等效前的1/。

圖2所示為風電機組聚合前后的等值電路。

圖2 改進等值電路

聚合前的阻抗：

聚合后的阻抗：

箱變容量由tr聚合到tr，聚合前后不改變變壓器阻抗標幺值，可得

根據等值條件

可得

同理，基于VSC不變的原則，發電機容量由m聚合到m，可得機端額定電壓為

2 風電場集電線路化簡

集電線路的連接分為干線式和放射式2種。不同的連接結構及長度都會影響風電場的輸出特性，因此需要研究集電線路的等值。集電線路的等值主要基于等值前后功耗相等的原則，包括電阻消耗的有功保持一致，電感消耗的無功保持一致，以及電容發出的無功保持一致。

集電線路上的電壓差異很小，因此可忽略線路上各點的電壓偏差，則等值導納為線路各導納之和，即：

式中：eq為等值導納；B為第臺風機集電線路導納；表示被等值風機數量。

2.1 干線式集電線路的等效化簡

干線式風電機組連接圖如圖3所示。圖3中，I表示風機的輸出電流，Z表示風機的集電線路阻抗，風機總數是臺。等效化簡從尾端風機開始，逐級向PCC點推算。

圖3 干線式風電機組連接

第臺風機集電線路阻抗通過的電流為：

式中：、為序號；S為第臺風機容量；U為第臺風機出口電壓。

各集電線路的功率損耗為：

總功率損耗為各集電線路的功率損耗之和：

等值阻抗流過的電流為：

等值阻抗的功率損耗為：

干線式集電線路的等值阻抗為：

2.2 放射式集電線路的等效化簡

放射式風電機組連接圖如圖4所示。圖4中，Li表示風機的輸出電流，Li表示風機與母線間的線路阻抗，風機總數是臺。

圖4 放射式風電機組連接

集電線路等值阻抗的電流為：

等值阻抗的功率損耗為：

各支路總功率損耗為：

放射式集電線路的等值阻抗為：

3 仿真研究

3.1 仿真算例

本文以直驅永磁風電機組[10-12]為例進行驗證，風電場電氣接線圖如圖5所示。圖5中，風電場由12臺參數相同的2.5 MW直驅風機組成，每4臺風機經箱式變壓器連接到集電線路，集電線路以干線式連接匯集到PCC母線，12臺風機分為3組，3組之間成放射式連接。

圖5 詳細風電場電氣接線

等值模型為1臺30 MW的風機經集電線路連接到PCC母線。在RTDS軟件平臺RSCAD中分別搭建風電場的多機詳細模型、常規等值模型以及改進等值模型。一次系統在RTDS主機NovaCor中運行，控制系統則以鏈接庫的形式在RTDS硬件裝置GTSOC中運行[13-15]。

通過仿真試驗，比較3個模型在PCC點的動態特性，對比的電氣量包括PCC點電壓、風機輸出的有功功率及無功功率。

PCC點母線額定電壓是35 kV，系統容量90 MVA（短路比為3）。風電機組3個模型的一次系統參數如表1、表2所示。

表1 變流器及耗能電氣參數

表2 箱變及發電機電氣參數

建模時用電纜來模擬集電線路參數。表3、表4分別列出了電纜的長度和阻抗參數。表中電纜布置已在圖5中標注。表5給出了等效的電纜長度和阻抗參數。

表3 風電場內電纜長度

表4 風電場內電纜參數

表5 等效電纜參數

3.2 仿真驗證

在3個模型的PCC點均設置單相、兩相、三相金屬性接地短路故障，故障時間設為100 ms；同時投入低電壓穿越策略。在故障瞬間，發電機輸入功率不變從而導致變流器輸入輸出的功率不平衡，直流母線電壓升高。此時直流Chopper保護投入。Chopper投入可短時間維持發電機負載平衡，同時網側PCC短路電流也相應減小。

在仿真驗證時，以詳細模型作為參考，考察2種等值模型在故障情況下的適應性。考察目標包括PCC點母線正序電壓、正序有功以及正序無功。

3個模型在穩態額定運行時，因變流器、變壓器等存在有功損耗，PCC點有功功率為28.7 MW，略低于30 MW；因變壓器存在無功損耗，母線電壓為33.8 kV，略低于35 kV。

圖6、圖7、圖8示出了3個模型在PCC點3種故障狀態下的電壓和功率比較情況。由圖可見，3個模型的母線電壓、有功功率和無功功率在故障恢復期間的動態響應曲線稍有偏差，但相對偏差較小；故障恢復后，系統經短暫的調節后趨于穩定，3個模型的動態特性具有很好的一致性。

圖6 單相接地短路故障波形

圖7 兩相接地短路故障波形

圖8 三相接地短路故障波形

3.3 誤差分析

圖9截取了三相故障及恢復過程中的有功波形及Chopper投退指令。

圖9 三相故障時Chopper投退狀態

本文案例的一次系統模型在RTDS主機中運行，3個模型的控制代碼分屬在不同的GTSOC處理器中運行。由于硬件時鐘不同，所以模型運行在異步狀態。在故障及恢復期間，3個模型的Chopper投退指令到達RTDS主機的時刻并不同步，這對一次系統響應的一致性造成影響，其中包括直流電壓的響應。直流電壓響應不一致進而影響各自Chopper投退邏輯的判斷，因此下一次投退時刻又將出現偏差（以圖9中虛線框截取的一段為例進行觀測）。這個過程伴隨著整個故障及恢復期間。在此期間，電壓、功率等電氣量均受此影響，以至3個模型的PCC點電壓和功率出現偏差。

以圖9故障恢復期間有功功率的絕對誤差E為評價指標，評估等值模型的精度。

式中：為詳細模型的有功功率；1、2分別為誤差分析的起始時刻和終止時刻。

故障恢復起始時刻1=0.30 s，終止時刻2=0.45 s。經取樣計算，改進等值與常規等值模型的絕對誤差分別為0.8%和1.1%，從而證實了改進等值與常規等值具有幾乎相同的仿真精度。

4 結論

本文提出了基于風機箱變閥側輸入阻抗不變的等值方法。通過RTDS平臺分別搭建詳細模型、常規等值模型和改進等值模型，驗證了風電場并網點的動態特性[16,17]。結果表明，該方法具有很好的適應性，適用于大規模風電場的等值建模以及對電力系統的影響分析。

與常規等值法相比，改進等值方法在保障仿真精度不受影響的前提下，具備諸多優點。首先，該方法涉及修改的電氣參數很少，且變流器參數不用修改。其次，常規等值的參數設置在等值倍數較大時容易達到模型參數設置的上下限，無法實現參數等效，而改進等值法規避了這個問題。

該方法是常規方法的改進，其形式上依然屬于同群等值[18]。在實際風電場中，大概率會存在風機類型多樣、尾流效應及地理位置不同引起的風機轉速差異等影響因素，此時需先分群再做同群等值[19]；但同群等值是根本，其等值精度和仿真運行的穩定性是所有高階等值的基礎。

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Research on Equivalent Modeling of Real-time Digital Simulation for Direct-drive Wind Turbine in Wind Farms

WANG Jian’an1, ZHU Wenjun2, XU Maoning1, CHANG Haotian1, CHENG Maoquan1

(1.NR Electric Co., Ltd., Nanjing 211102, China; 2.Shaanxi Coal New Energy Technology Co., Ltd. of Qinghai Province, Xining 810001, China)

An improved equivalent method based on constant input impedance at valve side of box transformer of direct-driven wind generator is proposed to achieve the consistency of operation characteristics of point of common coupling (PCC) in wind farm. Based on the principle that the input impedance of the electrical components at the valve side of the box transformer is constant, and combined with the target rated capacity, the rated voltage of the valve side of the box transformer and the generator end is calculated, and then the equivalent parameters of the electrical components are obtained. Taking a direct-driven wind farm as an example and considering the simplification of collecting line, in the real-time digital simulation system, 12 detailed models of 2.5 MW multi-machine with same parameters, one conventional equivalent model of 30 MW single machine and one improved equivalent model of 30 MW single machine are built, and the dynamic characteristics of the 3 models at PCC point were compared by simulation. The results show that the operation characteristics of the 3 models are basically the same, and the equivalence method can accurately reflect the dynamic characteristics of PCC points.

wind farm; direct-driven wind generator; point of common coupling; detailed model; equivalent model; collecting line; dynamic characteristics

TM614

A

1672-0792(2023)11-0045-08

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2023.11.005

國家電網公司科技項目（5108-202218280A-2-91-XG）。

2023-06-17

王建安（1985—），男，工程師，研究方向為直流與電力電子實時數字仿真；

祝文軍（1985—），男，高級經濟師，研究方向為傳統能源及新能源發電；

徐茂寧（1996—），男，工程師，研究方向為新能源控制保護及仿真；

常昊添（1991—），男，工程師，研究方向為新能源控制保護及仿真；

程茂全（1987—），男，工程師，研究方向為新能源控制保護及仿真。