王建安，祝文軍，徐茂寧，常昊添，程茂全

風(fēng)電場(chǎng)直驅(qū)機(jī)組實(shí)時(shí)數(shù)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(fēng)電場(chǎng)公共耦合點(diǎn)（Point of common coupling，PCC）運(yùn)行特性一致為目標(biāo)，提出了一種基于直驅(qū)風(fēng)機(jī)箱變閥側(cè)輸入阻抗不變的改進(jìn)等值方法。以箱變閥側(cè)電氣元件輸入阻抗不變?yōu)樵瓌t，結(jié)合設(shè)定的目標(biāo)額定容量，計(jì)算箱變閥側(cè)及發(fā)電機(jī)機(jī)端額定電壓，進(jìn)而得出各電氣元件等值參數(shù)。以某直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)為例，考慮集電線(xiàn)路的化簡(jiǎn)，在實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)中分別搭建12臺(tái)參數(shù)相同的2.5 MW多機(jī)詳細(xì)模型、1臺(tái)30 MW單機(jī)常規(guī)等值模型及1臺(tái)30 MW單機(jī)改進(jìn)等值模型，通過(guò)仿真對(duì)比3個(gè)模型在PCC點(diǎn)的動(dòng)態(tài)特性。結(jié)果表明，3個(gè)模型的運(yùn)行特性基本一致，證實(shí)該等值方法能準(zhǔn)確反映PCC點(diǎn)的動(dòng)態(tài)特性。

風(fēng)電場(chǎng)；直驅(qū)風(fēng)機(jī)；公共耦合點(diǎn)；詳細(xì)模型；等值模型；集電線(xiàn)路；動(dòng)態(tài)特性

0 引言

目前我國(guó)風(fēng)電的發(fā)展呈現(xiàn)出規(guī)模化開(kāi)發(fā)、集中并網(wǎng)和遠(yuǎn)距離輸送的特點(diǎn)。隨著風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)容量的快速增加，風(fēng)電特性對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的影響愈發(fā)顯著；因此大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)動(dòng)態(tài)建模是當(dāng)前重要的課題。

建立準(zhǔn)確的風(fēng)電場(chǎng)仿真模型是研究大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)特性的基礎(chǔ)。在理想情況下，可以通過(guò)建立每臺(tái)風(fēng)機(jī)的詳細(xì)模型進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)風(fēng)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的完整、準(zhǔn)確的描述；但是由于實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)機(jī)數(shù)量較多、運(yùn)行工況分散，所以如果在電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)字仿真中對(duì)每臺(tái)風(fēng)機(jī)及其控制系統(tǒng)均采用詳細(xì)的數(shù)學(xué)模型，則過(guò)高的運(yùn)算階數(shù)以及仿真實(shí)時(shí)性的要求將會(huì)消耗巨大的仿真資源，不利于理論分析[1-3]。因此，有必要對(duì)風(fēng)機(jī)的等值建模方法進(jìn)行深入研究。

對(duì)大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行等值建模，實(shí)質(zhì)上是將所有風(fēng)電機(jī)組和集電線(xiàn)路看作一個(gè)整體進(jìn)行等效，從而達(dá)到用單機(jī)系統(tǒng)來(lái)表征多機(jī)系統(tǒng)的目的。本文研究的風(fēng)電場(chǎng)等值對(duì)象包括風(fēng)電機(jī)組及集電線(xiàn)路。風(fēng)電機(jī)組等值研究的目標(biāo)，是基于機(jī)組的運(yùn)行機(jī)理，通過(guò)研究其一次結(jié)構(gòu)、控制策略、參數(shù)設(shè)計(jì)等來(lái)得到正確的等效方法[4-7]。常規(guī)等值方法是將動(dòng)態(tài)行為相同的一群機(jī)組簡(jiǎn)化為一臺(tái)機(jī)組。該方法可使系統(tǒng)簡(jiǎn)化，又能保證其與原系統(tǒng)一致的外特性，且具有較好的精度。常規(guī)方法的理論基礎(chǔ)完善，但在具體仿真建模實(shí)施過(guò)程中存在問(wèn)題，一方面因需要修改的參數(shù)較多，另一方面當(dāng)實(shí)際等效的風(fēng)機(jī)數(shù)量較多時(shí)，等效參數(shù)容易達(dá)到模型參數(shù)設(shè)置的上下限，故無(wú)法輸入?yún)?shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)等值。

為此，本文提出了一種基于風(fēng)機(jī)箱變閥側(cè)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(shù)）及箱變閥側(cè)一次系統(tǒng)電壓、電流等運(yùn)行參數(shù)而非電力元件的阻抗參數(shù)為入手點(diǎn)，使箱變閥側(cè)阻抗折算到原邊后在各頻段均與實(shí)際多機(jī)阻抗相同。阻抗相同則對(duì)應(yīng)外特性相同，因此該等值方法能實(shí)現(xiàn)精確等值。由于該方法無(wú)需修改箱變閥側(cè)阻抗參數(shù)，因此可規(guī)避常規(guī)方法修改參數(shù)多以及等值倍數(shù)較大而易造成等值參數(shù)輸入越限的問(wèn)題。

集電線(xiàn)路對(duì)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)特性的影響是不能忽略的。其等值方法是，從各段線(xiàn)路的詳細(xì)模型結(jié)構(gòu)出發(fā)，以等效前后的功率損耗相同為原則進(jìn)行化簡(jiǎn)，最終計(jì)算得到一段等值線(xiàn)路[8,9]。

直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組有著優(yōu)良的運(yùn)行特性且經(jīng)濟(jì)成本較低，目前已成為風(fēng)機(jī)發(fā)展的主流機(jī)型。本文對(duì)直驅(qū)機(jī)組的并網(wǎng)特性開(kāi)展研究，基于實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)（Real time digital simulation，RTDS）電磁暫態(tài)仿真平臺(tái)，分別搭建考慮集電線(xiàn)路的多機(jī)參考模型、常規(guī)等值模型以及改進(jìn)等值模型，并通過(guò)電網(wǎng)故障暫態(tài)試驗(yàn)，驗(yàn)證所提出的改進(jìn)等值方法的準(zhǔn)確性。

1 直驅(qū)機(jī)組等值方法

1.1 常規(guī)等值

將臺(tái)風(fēng)機(jī)模型以并聯(lián)的電氣結(jié)構(gòu)聚合為1臺(tái)風(fēng)機(jī)模型。一次系統(tǒng)元件參數(shù)如下。

變流器參數(shù)：

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(shù)：

發(fā)電機(jī)參數(shù)：

該方法理論上能實(shí)現(xiàn)精確等值，但當(dāng)實(shí)際的風(fēng)機(jī)數(shù)量較多時(shí)，等效參數(shù)容易達(dá)到模型參數(shù)設(shè)置的上下限。工程實(shí)際中，RTDS變流器參數(shù)設(shè)置界面如圖1所示。圖1中，RTDS軟件中濾波電感設(shè)置下限1 μH。對(duì)于160 μH濾波電感，如果風(fēng)機(jī)數(shù)量超過(guò)160臺(tái)，則等效電感小于1 μH，突破了模型參數(shù)設(shè)置的下限，無(wú)法等值。

圖1 RTDS變流器參數(shù)設(shè)置界面

1.2 改進(jìn)等值

以箱變閥側(cè)輸入阻抗不變?yōu)樵瓌t，無(wú)需改變LCL濾波器、直流電容、發(fā)電機(jī)等一次系統(tǒng)阻抗值及控制系統(tǒng)參數(shù)，只需改變箱變變比以提升副邊額定電壓的方式，即可實(shí)現(xiàn)原邊輸入阻抗是等效前的1/。

圖2所示為風(fēng)電機(jī)組聚合前后的等值電路。

圖2 改進(jìn)等值電路

聚合前的阻抗：

聚合后的阻抗：

箱變?nèi)萘坑蓆r聚合到tr，聚合前后不改變變壓器阻抗標(biāo)幺值，可得

根據(jù)等值條件

可得

同理，基于VSC不變的原則，發(fā)電機(jī)容量由m聚合到m，可得機(jī)端額定電壓為

2 風(fēng)電場(chǎng)集電線(xiàn)路化簡(jiǎn)

集電線(xiàn)路的連接分為干線(xiàn)式和放射式2種。不同的連接結(jié)構(gòu)及長(zhǎng)度都會(huì)影響風(fēng)電場(chǎng)的輸出特性，因此需要研究集電線(xiàn)路的等值。集電線(xiàn)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(wú)功保持一致，以及電容發(fā)出的無(wú)功保持一致。

集電線(xiàn)路上的電壓差異很小，因此可忽略線(xiàn)路上各點(diǎn)的電壓偏差，則等值導(dǎo)納為線(xiàn)路各導(dǎo)納之和，即：

式中：eq為等值導(dǎo)納；B為第臺(tái)風(fēng)機(jī)集電線(xiàn)路導(dǎo)納；表示被等值風(fēng)機(jī)數(shù)量。

2.1 干線(xiàn)式集電線(xiàn)路的等效化簡(jiǎn)

干線(xiàn)式風(fēng)電機(jī)組連接圖如圖3所示。圖3中，I表示風(fēng)機(jī)的輸出電流，Z表示風(fēng)機(jī)的集電線(xiàn)路阻抗，風(fēng)機(jī)總數(shù)是臺(tái)。等效化簡(jiǎn)從尾端風(fēng)機(jī)開(kāi)始，逐級(jí)向PCC點(diǎn)推算。

圖3 干線(xiàn)式風(fēng)電機(jī)組連接

第臺(tái)風(fēng)機(jī)集電線(xiàn)路阻抗通過(guò)的電流為：

式中：、為序號(hào)；S為第臺(tái)風(fēng)機(jī)容量；U為第臺(tái)風(fēng)機(jī)出口電壓。

各集電線(xiàn)路的功率損耗為：

總功率損耗為各集電線(xiàn)路的功率損耗之和：

等值阻抗流過(guò)的電流為：

等值阻抗的功率損耗為：

干線(xiàn)式集電線(xiàn)路的等值阻抗為：

2.2 放射式集電線(xiàn)路的等效化簡(jiǎn)

放射式風(fēng)電機(jī)組連接圖如圖4所示。圖4中，Li表示風(fēng)機(jī)的輸出電流，Li表示風(fēng)機(jī)與母線(xiàn)間的線(xiàn)路阻抗，風(fēng)機(jī)總數(shù)是臺(tái)。

圖4 放射式風(fēng)電機(jī)組連接

集電線(xiàn)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(xiàn)路的等值阻抗為：

3 仿真研究

3.1 仿真算例

本文以直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)組[10-12]為例進(jìn)行驗(yàn)證，風(fēng)電場(chǎng)電氣接線(xiàn)圖如圖5所示。圖5中，風(fēng)電場(chǎng)由12臺(tái)參數(shù)相同的2.5 MW直驅(qū)風(fēng)機(jī)組成，每4臺(tái)風(fēng)機(jī)經(jīng)箱式變壓器連接到集電線(xiàn)路，集電線(xiàn)路以干線(xiàn)式連接匯集到PCC母線(xiàn)，12臺(tái)風(fēng)機(jī)分為3組，3組之間成放射式連接。

圖5 詳細(xì)風(fēng)電場(chǎng)電氣接線(xiàn)

等值模型為1臺(tái)30 MW的風(fēng)機(jī)經(jīng)集電線(xiàn)路連接到PCC母線(xiàn)。在RTDS軟件平臺(tái)RSCAD中分別搭建風(fēng)電場(chǎng)的多機(jī)詳細(xì)模型、常規(guī)等值模型以及改進(jìn)等值模型。一次系統(tǒng)在RTDS主機(jī)NovaCor中運(yùn)行，控制系統(tǒng)則以鏈接庫(kù)的形式在RTDS硬件裝置GTSOC中運(yùn)行[13-15]。

通過(guò)仿真試驗(yàn)，比較3個(gè)模型在PCC點(diǎn)的動(dòng)態(tài)特性，對(duì)比的電氣量包括PCC點(diǎn)電壓、風(fēng)機(jī)輸出的有功功率及無(wú)功功率。

PCC點(diǎn)母線(xiàn)額定電壓是35 kV，系統(tǒng)容量90 MVA（短路比為3）。風(fēng)電機(jī)組3個(gè)模型的一次系統(tǒng)參數(shù)如表1、表2所示。

表1 變流器及耗能電氣參數(shù)

表2 箱變及發(fā)電機(jī)電氣參數(shù)

建模時(shí)用電纜來(lái)模擬集電線(xiàn)路參數(shù)。表3、表4分別列出了電纜的長(zhǎng)度和阻抗參數(shù)。表中電纜布置已在圖5中標(biāo)注。表5給出了等效的電纜長(zhǎng)度和阻抗參數(shù)。

表3 風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)電纜長(zhǎng)度

表4 風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)電纜參數(shù)

表5 等效電纜參數(shù)

3.2 仿真驗(yàn)證

在3個(gè)模型的PCC點(diǎn)均設(shè)置單相、兩相、三相金屬性接地短路故障，故障時(shí)間設(shè)為100 ms；同時(shí)投入低電壓穿越策略。在故障瞬間，發(fā)電機(jī)輸入功率不變從而導(dǎo)致變流器輸入輸出的功率不平衡，直流母線(xiàn)電壓升高。此時(shí)直流Chopper保護(hù)投入。Chopper投入可短時(shí)間維持發(fā)電機(jī)負(fù)載平衡，同時(shí)網(wǎng)側(cè)PCC短路電流也相應(yīng)減小。

在仿真驗(yàn)證時(shí)，以詳細(xì)模型作為參考，考察2種等值模型在故障情況下的適應(yīng)性?？疾炷繕?biāo)包括PCC點(diǎn)母線(xiàn)正序電壓、正序有功以及正序無(wú)功。

3個(gè)模型在穩(wěn)態(tài)額定運(yùn)行時(shí)，因變流器、變壓器等存在有功損耗，PCC點(diǎn)有功功率為28.7 MW，略低于30 MW；因變壓器存在無(wú)功損耗，母線(xiàn)電壓為33.8 kV，略低于35 kV。

圖6、圖7、圖8示出了3個(gè)模型在PCC點(diǎn)3種故障狀態(tài)下的電壓和功率比較情況。由圖可見(jiàn)，3個(gè)模型的母線(xiàn)電壓、有功功率和無(wú)功功率在故障恢復(fù)期間的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線(xiàn)稍有偏差，但相對(duì)偏差較??；故障恢復(fù)后，系統(tǒng)經(jīng)短暫的調(diào)節(jié)后趨于穩(wěn)定，3個(gè)模型的動(dòng)態(tài)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(fù)過(guò)程中的有功波形及Chopper投退指令。

圖9 三相故障時(shí)Chopper投退狀態(tài)

本文案例的一次系統(tǒng)模型在RTDS主機(jī)中運(yùn)行，3個(gè)模型的控制代碼分屬在不同的GTSOC處理器中運(yùn)行。由于硬件時(shí)鐘不同，所以模型運(yùn)行在異步狀態(tài)。在故障及恢復(fù)期間，3個(gè)模型的Chopper投退指令到達(dá)RTDS主機(jī)的時(shí)刻并不同步，這對(duì)一次系統(tǒng)響應(yīng)的一致性造成影響，其中包括直流電壓的響應(yīng)。直流電壓響應(yīng)不一致進(jìn)而影響各自Chopper投退邏輯的判斷，因此下一次投退時(shí)刻又將出現(xiàn)偏差（以圖9中虛線(xiàn)框截取的一段為例進(jìn)行觀測(cè)）。這個(gè)過(guò)程伴隨著整個(gè)故障及恢復(fù)期間。在此期間，電壓、功率等電氣量均受此影響，以至3個(gè)模型的PCC點(diǎn)電壓和功率出現(xiàn)偏差。

以圖9故障恢復(fù)期間有功功率的絕對(duì)誤差E為評(píng)價(jià)指標(biāo)，評(píng)估等值模型的精度。

式中：為詳細(xì)模型的有功功率；1、2分別為誤差分析的起始時(shí)刻和終止時(shí)刻。

故障恢復(fù)起始時(shí)刻1=0.30 s，終止時(shí)刻2=0.45 s。經(jīng)取樣計(jì)算，改進(jìn)等值與常規(guī)等值模型的絕對(duì)誤差分別為0.8%和1.1%，從而證實(shí)了改進(jìn)等值與常規(guī)等值具有幾乎相同的仿真精度。

4 結(jié)論

本文提出了基于風(fēng)機(jī)箱變閥側(cè)輸入阻抗不變的等值方法。通過(guò)RTDS平臺(tái)分別搭建詳細(xì)模型、常規(guī)等值模型和改進(jìn)等值模型，驗(yàn)證了風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)特性[16,17]。結(jié)果表明，該方法具有很好的適應(yīng)性，適用于大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)的等值建模以及對(duì)電力系統(tǒng)的影響分析。

與常規(guī)等值法相比，改進(jìn)等值方法在保障仿真精度不受影響的前提下，具備諸多優(yōu)點(diǎn)。首先，該方法涉及修改的電氣參數(shù)很少，且變流器參數(shù)不用修改。其次，常規(guī)等值的參數(shù)設(shè)置在等值倍數(shù)較大時(shí)容易達(dá)到模型參數(shù)設(shè)置的上下限，無(wú)法實(shí)現(xiàn)參數(shù)等效，而改進(jìn)等值法規(guī)避了這個(gè)問(wèn)題。

該方法是常規(guī)方法的改進(jìn)，其形式上依然屬于同群等值[18]。在實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)中，大概率會(huì)存在風(fēng)機(jī)類(lèi)型多樣、尾流效應(yīng)及地理位置不同引起的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速差異等影響因素，此時(shí)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(yùn)行的穩(wěn)定性是所有高階等值的基礎(chǔ)。

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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(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目（5108-202218280A-2-91-XG）。

2023-06-17

王建安（1985—），男，工程師，研究方向?yàn)橹绷髋c電力電子實(shí)時(shí)數(shù)字仿真；

祝文軍（1985—），男，高級(jí)經(jīng)濟(jì)師，研究方向?yàn)閭鹘y(tǒng)能源及新能源發(fā)電；

徐茂寧（1996—），男，工程師，研究方向?yàn)樾履茉纯刂票Ｗo(hù)及仿真；

常昊添（1991—），男，工程師，研究方向?yàn)樾履茉纯刂票Ｗo(hù)及仿真；

程茂全（1987—），男，工程師，研究方向?yàn)樾履茉纯刂票Ｗo(hù)及仿真。