基于實(shí)測參數(shù)辨識的雙饋風(fēng)機(jī)機(jī)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(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明650217；2.云南電力調(diào)度控制中心，昆明650011；3.云南電力試驗(yàn)研究院（集團(tuán)）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(dòng)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(jī)已達(dá)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(jī)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(chǔ)也隨之成為亟待解決的問題。

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

1 目前存在的問題

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

由圖1可知，GE雙饋風(fēng)電機(jī)組與1.5 MW東風(fēng)電氣雙饋風(fēng)電機(jī)組的跌落電壓基本一致，但是風(fēng)電機(jī)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(jī)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(fēng)電機(jī)組控制模型

雙饋風(fēng)電機(jī)組感應(yīng)發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)控制是通過功率變流器來控制實(shí)現(xiàn)的，利用變流器電網(wǎng)的電氣頻率與轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)矩解耦，從而實(shí)現(xiàn)變速運(yùn)行。

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

圖2雙饋異步發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)框圖

2.1 雙饋電機(jī)的PQ控制原理

當(dāng)雙饋電機(jī)采用定子電壓定向控制時(shí)，在忽略定子電阻R 的情況下，定子電壓矢量與定子磁鏈?zhǔn)噶恐g存在如下的近似關(guān)系：

當(dāng)同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d 軸定向于定子電壓矢量US上時(shí)，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(jī)定子功率的表達(dá)式簡化。經(jīng)推導(dǎo)，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(zhuǎn)子ird和irq的影響，據(jù)此，如果對轉(zhuǎn)子電流進(jìn)行dp軸解耦控制，則可以實(shí)現(xiàn)對于雙饋發(fā)電機(jī)有功、無功的解耦控制。

2.2 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的PQ控制模型

轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的控制：主要控制目標(biāo)是在給定的運(yùn)行條件下（主要是風(fēng)速）從風(fēng)能中捕獲最大功率。其對雙饋異步發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，是轉(zhuǎn)子始終按照最大功率跟蹤曲線對應(yīng)的最佳轉(zhuǎn)速運(yùn)行。通過轉(zhuǎn)速控制回路可獲取轉(zhuǎn)矩參考值。轉(zhuǎn)子d 軸電流控制器用于保證實(shí)際轉(zhuǎn)矩與其參考值相等，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子側(cè)變頻器PQ模型包括本身的控制以及與之相關(guān)的主控部分，見圖3（b）所示。實(shí)際機(jī)組中，正常狀態(tài)下變頻器控制響應(yīng)主控命令進(jìn)行控制，在電網(wǎng)故障發(fā)生后，變頻器控制主導(dǎo)整個(gè)控制部分。

圖3機(jī)側(cè)變頻器控制示意圖

2.3 網(wǎng)側(cè)變流器的PQ控制模型

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

圖4網(wǎng)側(cè)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(jié)構(gòu)圖

3 實(shí)測參數(shù)辨識仿真與實(shí)測比對

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

圖6為箱變高壓側(cè)發(fā)生三相短路，電壓跌落深度為35%Un 時(shí)大龍口風(fēng)電場1.5 MW 東汽雙饋風(fēng)電機(jī)組仿真曲線與實(shí)測對比結(jié)果，基本吻合。

圖7為箱變高壓側(cè)發(fā)生AC 相短路，短路阻抗與圖5 設(shè)置相同時(shí)大龍口風(fēng)電場1.5 MW 東汽雙饋風(fēng)電機(jī)組仿真曲線與實(shí)測對比結(jié)果，基本吻合。

圖8為箱變高壓側(cè)發(fā)生三相短路，電壓跌落深度為20%Un 時(shí)大龍口風(fēng)電場1.5 MW 東汽雙饋風(fēng)電機(jī)組仿真曲線與實(shí)測對比結(jié)果，基本吻合。

圖9為箱變高壓側(cè)發(fā)生AC 相短路，短路阻抗與圖7 設(shè)置相同時(shí)大龍口風(fēng)電場1.5 MW 東汽雙饋風(fēng)電機(jī)組仿真曲線與實(shí)測對比結(jié)果，基本吻合。

圖6三相電壓35%跌落時(shí)仿真與實(shí)測數(shù)據(jù)比較圖

圖7 AC相電壓跌落920ms 時(shí)仿真與實(shí)測數(shù)據(jù)比較圖

圖8三相電壓20%跌落時(shí)仿真與實(shí)測數(shù)據(jù)比較圖

圖9 AC相電壓跌落625 ms時(shí)仿真與實(shí)測數(shù)據(jù)比較圖

4 結(jié)束語

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

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