基于DIgSILENT與PSASP的DFIG模型對比與仿真研究

張宇，秦文萍，王科，朱志龍，薛邵鍇

(電力系統運行與控制山西省重點實驗室(太原理工大學)，太原030024)

0 引言

風力發電是以化石能源為主的傳統能源結構向綠色低碳轉型升級的重要途徑之一，以風電為代表的可再生能源裝機容量在電力系統中的占比不斷提高[1 - 2]。雙饋風電機組(doubly fed induction generator, DFIG)憑借其功率解耦控制、變流器容量小等特點成為風力發電的主力機型。然而，由于DFIG經電力電子變流器柔性并網且控制系統十分復雜，風電大規模并網將給電力系統的安全穩定運行帶來重要影響[3 - 4]。

電力系統時域仿真技術是分析電力系統動態行為與穩定性的重要技術手段[5 - 6]。現有的電力系統仿真軟件有很多種，具有代表性的有中國電力科學院開發的PSASP、德國DIgSILENT GmbH公司開發的集成化電力系統仿真程序DIgSILENT/PowerFactory、實時數字仿真系統RTDS等[7 - 8]。然而，由于這些仿真軟件的開發背景、面向問題等不同，所提供DFIG仿真模型的模型結構/簡化程度、控制策略等也有所不同[9]，在風速波動、短路故障、負荷變化等不同的仿真事件下得到的仿真結果可能有較大偏差；且隨著風電滲透率的提高，這種偏差可能被累積和放大。

現有關于電力系統仿真技術的研究往往更關注仿真能否準確反映真實系統的物理行為[10 - 12]，而對不同仿真軟件仿真結果的差異重視不夠。文獻[13]對PSASP與PSS/E中的DFIG模型進行了對比分析，通過仿真算例，以同步發電機的功角差作為觀測量評估了兩種軟件在不同風電滲透率下的機電暫態仿真一致性，但并未對兩種軟件中DFIG的輸出特性進行對比分析，無法從模型機理上解釋仿真一致性變化的原因。

本文將對PSASP和DIgSILENT中DFIG動態行為的差異進行比較與分析。PSASP是國內應用最廣的經典機電暫態仿真軟件，與之相比，DIgSILENT以在風電等新能源發電建模仿真分析中的應用著稱，在風電領域的獨特性主要表現在更加精細化的風電機組模型和風電機組控制模型上[14]，不僅可以用于機電暫態仿真也可用于電磁暫態仿真。本文將對PSASP的8型DFIG通用模型與DIgSILENT中的DFIG通用模型進行對比。首先分析兩者在風輪機及控制模型、發電機/變流器及變流器控制模型上的差異，根據模型差異設置相應的仿真場景，通過仿真對比兩種軟件DFIG輸出特性的不同，進而研究兩種軟件DFIG模型的特點與適用性，為風電大規模并網仿真分析提供參考，能夠根據實際系統特點和研究目的來選擇合適的仿真分析工具，確保仿真結果的準確性。

1 DIgSILENT與PSASP的DFIG模型對比

1.1 整體架構對比

DFIG的原理圖如圖1所示，主要包括風輪機、感應發電機、轉子側變流器(rotor side converter, RSC)、網側變流器(grid side converter, GSC)、三繞組升壓變壓器、保護系統等模塊。

圖1 DFIG原理圖Fig.1 Schematic diagram of DFIG

1.1.1 PSASP中DFIG模型整體架構

PSASP中DFIG模型來源于GE公司的雙饋感應風力發電機模型，模型的整體架構按照功能可以劃分為3個部分：風輪機及控制模型、發電機/RSC模型和RSC控制模型[15]，如圖2所示。

圖2 PSASP中DFIG模型整體架構Fig.2 Overall architecture of the DFIG model in PSASP

1.1.2 DIgSILENT中DFIG模型整體架構

DIgSILENT中DFIG的模型整體架構[16]與PSASP相似，可以劃分為同樣的3部分，不同的是還包含了保護系統的模型，如圖3所示。

圖3 DIgSILENT中DFIG模型整體架構Fig.3 Overall architecture of the DFIG model in DIgSILENT

不同于PSASP中的DFIG模型，DIgSILENT中DFIG的通用模型在圖3的基礎上還可以進一步擴展，對直流母線、GSC及GSC控制進行建模，如圖4中虛線框所示，GSC控制將在1.3.3節中詳細介紹。

圖4 DIgSILENT中DFIG通用模型擴展Fig.4 Extension of DFIG general model in DIgSILENT

1.2 風輪機及控制模型對比

1.2.1 DIgSILENT中風輪機及控制模型

DIgSILENT中DFIG風輪機及控制模型如圖5所示。

圖5 DIgSILENT中風輪機及控制模型Fig.5 Wind turbine and control model in DIgSILENT

在DIgSILENT中，通過調節槳距角控制來防止發電機過速，轉速上限參考值由用戶設定，默認值為1.2 p.u.。當轉速超過1.2 p.u.時，通過增加槳距角來降低轉速從而將轉速限制在參考值附近。根據轉速和最大功率跟蹤特性得到有功功率指令值后，接入RSC控制中。

1.2.2 PSASP中風輪機及控制模型

PSASP中DFIG風輪機及控制模型如圖6所示。

圖6 PSASP中風輪機及控制模型Fig.6 Wind turbine and control model in PSASP

在PSASP中，當未達到滿載功率或上層指令功率時，轉速誤差控制和功率誤差補償控制輸出為0，槳距角原則上為0，根據輸出有功功率和最大功率跟蹤特性得到轉速指令值，并通過調節電磁轉矩控制(即調節有功功率)實現對轉速的控制。當達到滿載功率或上層指令功率時，轉速誤差控制和功率誤差補償控制將會提高槳距角指令值，以減小輸入的機械功率。

可以看出，DIgSILENT中風輪機及控制模型與PSASP有很大不同，主要體現在控制策略上。

1.3 發電機/變流器模型及變流器控制模型對比

1.3.1 發電機/RSC模型對比

1)DIgSILENT中發電機/RSC模型

在DIgSILENT中，通過一個與轉子阻抗串聯的變流器擴展了普通感應電機，如圖7所示。用戶可以在基礎數據頁選擇使用與雙饋感應發電機模型集成在一起的RSC模型。RSC通過改變轉子電壓的幅值和相角，實現了對發電機的靈活快速控制。對于潮流計算和機電暫態仿真初始化，只需指定有功功率、無功功率以及滑差即可。

圖7 DIgSILENT中雙饋感應發電機及RSC等效電路Fig.7 Equivalent circuit of the DIgSILENT doubly fed induction generator and RSC

DIgSILENT所使用的是未經簡化的五階發電機模型，不僅可以用于機電暫態仿真，還可以用于電磁暫態仿真。在DIgSILENT中，雙饋感應發電機及RSC模型均被封裝，無法看到詳細模型。

2)PSASP中發電機/RSC模型

在PSASP中，因為變流器電氣控制響應速度較快，因而發電機模型中勵磁系統的動態都被簡化，將實際發電機等效成一個可控電流源，向電網注入可控電流。RSC的動態用兩個延遲環節來模擬，相關參數被設置為0.02，且無法更改[17]。

在機電暫態仿真中，忽略定子暫態得到發電機的三階模型如圖8所示。

圖8 PSASP中忽略定子暫態的三階發電機模型Fig.8 A third-order generator model ignoring stator transients in PSASP

進一步忽略定子電阻，得到更為簡化的三階模型[18]，即PSASP所用的發電機模型，如圖9所示。

圖9 PSASP中進一步忽略定子電阻的三階發電機模型Fig.9 A third-order generator model further neglecting stator resistance in PSASP

PSASP中的發電機/RSC模型如圖10所示。

圖10 PSASP中雙饋感應發電機及RSC模型Fig.10 Model of doubly fed induction generator and RSC in PSASP

顯然，DIgSILENT中雙饋感應發電機及RSC模型階數更高，仿真結果更為精確，但是就電力系統穩定性分析所用的機電暫態仿真而言，PSASP中的模型已經可以滿足要求。

1.3.2 RSC控制模型對比

1)DIgSILENT中RSC控制模型

在并網條件下，只有定子電流是可控的，所以對發電機功率的控制可以轉化為對定子電流的控制[19]。因此，在DIgSILENT中RSC控制由兩級PI控制器實現，第一級由響應最快的電流控制器組成，電流指令值由響應較慢的第二級功率控制器給出。DIgSILENT中的RSC控制模型如圖11所示，其中bypass為保護系統控制信號，將在1.3.4節進行介紹。

圖11 DIgSILENT中RSC控制模型Fig.11 Model of RSC control in DIgSILENT

DIgSILENT中RSC控制在定子磁鏈定向參考系中運行，即轉子電流需要先變換到定子磁鏈定向參考系中[20]。定子磁鏈定向由定子磁鏈觀測器實現，如圖12所示。

圖12 DIgSILENT中定子磁鏈觀測器Fig.12 Stator flux observer in DIgSILENT

并網運行的DFIG，其定子電阻要比電抗小得多，可以忽略不計。由靜止坐標系下的定子電壓表達式，略去定子電阻后定子磁鏈矢量與定子電壓矢量的相位差為90 °，如圖13所示。顯然，這與跟蹤電網電壓頻率和相位的鎖相環(phase locked loop, PLL)本質上并無差別，只是跟蹤的矢量不同。

圖13 DFIG空間矢量示意圖Fig.13 Sketch diagram of DFIG space vector

另外，在DIgSILENT中，無功功率指令值Qcmd并未給定，由用戶根據需要進行建模。

2)PSASP中RSC控制模型

在PSASP中，RSC控制模型如圖14所示。

圖14 PSASP中RSC控制模型Fig.14 Model of RSC control in PSASP

其中，有功功率指令值經由風輪機模型提供，無功功率指令值經由風電場能量管理系統(wind park management system, WPMS)模型提供。WPMS模型如圖中黑色點劃線框所示。監測點電壓在疊加線路壓降補償后，與參考電壓進行比較，經過PI控制器后得到無功指令值。勵磁控制器模型如圖中紅色虛線框所示。監測發電機無功功率Qg和端電壓Vterm，計算勵磁電勢E″qcmd。有功電流指令Ipcmd由風輪機控制模型給出的有功功率參考值除以機端電壓得到，受變流器短時有功電流輸出能力的限制。

可以看出，兩種仿真軟件在RSC控制模型上最大的不同在于DIgSILENT不具備PSASP中的WPMS模型，無功功率指令值模型需要由用戶搭建。另外，在PSASP中，有功電流是直接通過風輪機控制模型給出的有功功率指令值與端電壓相除得到，并沒有經過PI控制器的響應，即忽略了有功功率外環和有功電流內環的動態。因此，無法根據控制帶寬對PSASP中RSC控制進行響應時間尺度的劃分，而DIgSILENT中RSC控制未進行簡化，所以若研究DFIG的轉子轉速、直流電壓、電感電流等多時間尺度控制特性[21]，選擇DIgSILENT軟件更合適。

由于PLL的動態過程極快，故在PSASP中RSC控制模型忽略了PLL的動態。在PSASP中PLL的目的是實現并網電流與電網電壓的同頻同相，而DIgSILENT中，定子磁鏈觀測器的目的是實現有功功率和無功功率的解耦控制。

1.3.3 GSC控制模型對比

在DIgSILENT中，GSC控制由兩級控制器構成，第一級為電流內環，第二級d軸為電壓外環以保持直流母線電壓恒定，q軸電流指令值為0，以實現單位功率因數控制，如圖15所示。GSC控制由PLL實現電網電壓定向。

圖15 DIgSILENT中GSC控制模型Fig.15 Model of GSC control in DIgSILENT

在PSASP中，在直流母線電壓保持恒定的假設下，沒有對直流母線、GSC及GSC控制進行建模。因此，在PSASP中，風輪機控制模型給出的有功功率指令值控制DFIG總的輸出功率，而在DIgSILENT中，風輪機控制模型給出的有功功率指令值控制的是DFIG定子輸出功率。

1.3.4 保護系統模型對比

在DIgSILENT中，對DFIG的保護進行了建模，包括過壓/欠壓保護、過速/欠速保護、Crowbar保護，如圖16所示。而在PSASP中不包含保護模型。

圖16 DIgSILENT中保護系統模型Fig.16 Model of protection system in DIgSILENT

2 算例仿真

2.1 仿真測試系統

本節分別在DIgSILENT和PSASP中搭建三機九節點測試系統，如圖17所示。

圖17 測試系統Fig.17 Test system

在測試系統中，G2為DFIG，相關參數如表1所示。G1、G3為同步發電機；T1—T3為變壓器，Load1—Load3為負荷，L1—L6為線路，具體參數如圖17所示。

表1 DFIG參數Tab.1 DFIG parameters

2.2 風速波動下DFIG特性仿真對比

設置風速如圖18所示，使DFIG運行于高于和低于初始風速兩種工況，并疊加隨機噪聲風[22 - 23]。

基于PSASP和DIgSILENT仿真，DFIG的槳距角、轉速、機械功率、輸出有功功率如圖19所示。其中PSASP耗時4.829 s，DIgSILENT耗時28.25 s。

圖18 風速波動曲線Fig.18 Wind speed fluctuation curve

圖19 風速波動下DFIG特性仿真對比Fig.19 Simulation comparison of DFIG characteristics under wind speed fluctuations

從圖19可以看出，與DIgSILENT相比，PSASP中DFIG的槳距角、轉速、機械功率和有功功率的波動幅度較大，更容易受到風速波動的影響。在PSASP中，DFIG的轉速始終在1.2 p.u.附近波動，而在DIgSILENT中，DFIG的轉速隨著風速的升高而升高，達到轉速上限1.2 p.u.后，通過調節槳距角將轉速限制在1.2 p.u.附近。

2.3 三相短路故障下DFIG特性仿真對比

設置線路L6的50%處發生三相短路故障，故障持續時間為1.0～1.12 s。由于PSASP中未對保護系統建模，為了便于分析，在DIgSILENT中，設置保護系統模型為切出狀態。DIgSILENT和PSASP中DFIG的端電壓、機械功率、輸出有功功率、轉速、槳距角如圖20所示，其中PSASP仿真耗時0.26 s，DIgSILENT仿真耗時0.93 s。從圖20中可以看出，在線路L6發生三相短路故障后，兩種軟件中DFIG端電壓均跌落至0.4 p.u.左右。

圖20 三相短路故障下DFIG特性仿真對比Fig.20 Simulation comparison of DFIG characteristics under three-phase short-circuit faults

在端電壓跌落瞬間，DFIG輸出的有功功率瞬間下降，輸入機械功率近似保持不變，根據轉子運動方程，發電機轉速升高。此時，在PSASP中機械功率是升高的，而在DIgSILENT中機械功率是降低的，這是由于兩種軟件中DFIG的穩態運行點不同造成的。

圖21 風能利用系數曲線Fig.21 Wind energy utilization coefficient curve

故障清除后，在PSASP中端電壓、功率以及轉速都在較短時間內恢復了穩定，而在DIgSILENT中，則出現了較長時間的振蕩，恢復穩定的時間較長。這是因為在PSASP中，通過調節槳距角控制發電機轉速，使之盡快過渡到穩態運行點，而在DIgSILENT中，由于轉速未超過最高設定值1.2 p.u.，所以槳距角控制未動作，轉速只能逐漸振蕩衰減恢復到穩態值。

2.4 負荷擾動下DFIG特性仿真對比

設置Load1在1.0 s時突增至1.2 p.u.，兩種仿真軟件中DFIG的端電壓、輸出有功功率、輸出無功功率、輸出電流如圖22所示，其中，PSASP仿真耗時0.18 s，DIgSILENT仿真耗時0.84 s。

圖22 負荷擾動下DFIG特性仿真對比Fig.22 Simulation comparison of DFIG characteristics under load disturbance

從圖22中可以看出，在負荷突增瞬間，PSASP中DFIG的輸出有功功率瞬間下降，而在DIgSILENT中，輸出有功功率是瞬間升高的。可以從PSASP中DFIG的發電機/RSC模型來解釋，如圖10所示。在負荷突增瞬間，端電壓有一定程度的瞬間跌落，有功指令電流Ipcmd瞬間升高，由于采用一階慣性環節模擬發電機/RSC響應過程，實際有功電流Ip近似認為還未變化，所以輸出有功功率Ip|Vterm|瞬間下降。又由于一階慣性環節的時間常數很小，僅為0.02 s，所以實際有功電流Ip很快達到指令值，輸出有功功率也很快升高。而在DIgSILENT中，輸出有功功率沒有出現類似先瞬間跌落再升高的過程，因為在DIgSILENT中，沒有對發電機/RSC進行簡化建模，反映的是實際發電機/RSC的響應。

圖22中，PSASP中DFIG的端電壓在跌落后逐漸升高，而DIgSILENT中，端電壓在小幅跌落后并沒有升高。從輸出無功功率可以看出，在PSASP中WPMS系統檢測到端電壓跌落，開始增發無功功率，而在DIgSILENT中沒有類似無功功率補償控制，但允許用戶根據需要搭建。

2.5 DIgSILENT與PSASP中DFIG模型差異對比

DIgSILENT與PSASP中DFIG模型差異對比如表2所示。

3 結論

本文研究了DIgSILENT與PSASP中DFIG模型的特點及適用性以及差異，設置相應的仿真場景對兩種仿真軟件中DFIG動態行為進行對比。從模型構造和仿真結果兩方面對比了DIgSILENT的DFIG模型和PSASP的8型DFIG通用模型，分析了兩者在風輪機及控制模型、發電機/變流器及變流器控制模型上的異同。

表2 DIgSILENT與PSASP中DFIG模型差異對比Tab.2 Comparison of DFIG model differences between DIgSILENT and PSASP

通過模型對比和仿真分析結果可以看出，DIgSILENT中的DFIG模型更詳細，同時允許用戶方便地對DFIG模型進行更改和完善，但對于風電大規模并網仿真分析來說，過于詳細的模型會導致仿真速度過慢；而PSASP中的8型DFIG模型基于假設進行了一定的簡化，其簡化具有一定的合理性，并且對于機電暫態仿真而言，模型精度基本可以滿足要求。除此之外，兩種軟件在控制策略等方面也存在差異，所以在進行仿真分析時應綜合參考不同軟件的仿真結果，而不能輕易以一種軟件為標準。

在后續研究中，將進一步對更多的仿真軟件中DFIG模型進行對比和仿真分析，同時，將查閱風電場的現場實測數據作為參考，對不同仿真軟件的模型精確性、適用性及簡化合理性做出評價。

本文所得結論可為風電并網仿真分析提供參考，具有理論和實用價值。