基于直驱式永磁同步发电机组的风电场动态建模_夏玥
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基金项目： 国家 863 高技术基金项目(003 2011AA05A104)；国家电 网科技项目(风电场聚合模型研究)。 The National High Technology Research and Development of China 863 Program (003 2011AA05A104); Science and Technology Project of the China State Grid Corp (Research on wind farm aggregation model).
(1)
式中：S、P、Q 分别为发电机容量、有功功率、无 功功率；m 风电机组台数；下标 eq 表示等效后；xs 为发电机定子电抗；rs 为发电机定子电阻；Ht、Hg 分别为风力机和发电机的转子惯性时间常数； Ks 为 轴系刚度系数；ST 为机组变压器容量；ZT 为变压器 阻抗。 1.3 聚合机组模型的输入风速等效方法 风电机组的输出功率是风速的函数，已发表文 献均直接用各机组风速求取等值机组的有功。然 而，风电机组在运行过程中的测风数据准确性较 低，使得等值结果误差变大。为此，本文通过风场 的运行数据获得每台风机的输出功率，假设等值前 第 k 台机组的功率 Pk 为 Pk=f (vk) 式中：f 为风功率曲线的拟合函数；vk 为风速。 首先将整个风场机组功率求取平均值后，再通 (2)
夏玥 1，李征 1，蔡旭 1，马彦宏 2
（1．上海交通大学 风力发电研究中心，上海市 闵行区 200240； 2．甘肃省电力公司风电技术中心，甘肃省 兰州市 730050）
Dynamic Modeling of Wind Farm Composed of Direct-Driven Permanent Magnet Synchronous Generators
关键词：永磁同步风电机组；风场；单机聚合模型；多机聚 合模型；DIgSLENT PowerFactory DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2014.06.003
0
引言
随着人们越来越重视可再生能源，风能作为一
种清洁能源逐渐成为我国能源中的重要组成部分。 我国规划建设若干个千万千瓦级风电基地，呈现出 规模化开发、集中并网和远距离输送的特点[1]。在 这样的形势下，研究大规模风电并网对电网安全稳 定和电能质量的影响成为了一项紧迫的任务。而获 得准确的适用于电力系统分析的实际风电场模型 则是开展此项研究分析的基础[2]。 风电场的建模可分为 2 大类[3]：1）详细模型， 包括风电场内所有风电机组、线路以及其他设备； 2）聚合模型，将风电场等效成为单台或几台机组。 显然，当风电场包含几百台风电机组时，采用详细 模型会使计算规模过于庞大，计算能力往往不能满 足要求。因此，当研究风电场对电网的影响时，可 将风电场看作一个整体进行聚合，以减小仿真规 模，提高计算效率和收敛性。 目前， 建立风电场聚合模型的方法可以归纳为 3 种 ：1）单机法(完全聚合法)。将风电场等值成一 台风力发电机组。等值风电机组的容量等于所有风 电机组容量的代数和[4-7]。其余参数都由等值计算获 得。2）复合模型法。将风电场电气部分等值为一台 发电机，而空气动力学部分、传动链和最大功率跟 踪模型则根据运行条件分区分别聚合成几台并联， 构成一台复合的风电机组[6,8]。3）分群法(多机法)。 按一定分群原则，将风电场等值成为多台机组[9-14]。 复合模型和多机模型都是为了体现风场中机
[4]
1440
夏玥等：基于直驱式永磁同步发电机组的风电场动态建模
Vol. 38 No. 6
组运行状态的差异性对输出特性带来的影响。分群 方法有多种。文献[9]按风机地理位置，将同一行或 同一排的机组等效为一台，在确定的风向下取得了 较好的结果；但这种方法没有考虑风向变化，且对 包含十几排风机的大型风场而言，等效机组过多， 简化程度不够。文献[10]以机组风速为分群原则， 在确定的机组风速分布下，可取得较好的效果；但 建模精度和简化程度受风场风速的动态分布和变 化差异大小的影响。文献[11]按双馈机组桨距角动 作特征分群，并结合支持向量机理论，提高等值建 模的精确性；但直驱机组的桨距角动作特性与双馈 机组不同， 因此该方法不适用于直驱机组。 文献[12] 采用聚类算法，根据机组运行的所有状态变量来分 群，考虑因素较全面；但需逐个求解每台机组的状 态变量， 当风场规模较大时， 会导致计算工作量大， 实时性差。离线应用时，由于机组状态随输入风速 随机变化，使确定的分群得不到希望的结果。 单机法简化程度最大，但往往被认为精度较 低，因为仅将各机组的平均风速作为等值后的等效 风速而对风场机组运行差异性的考虑较少[7]。文献 [3] 提出的单机等值法忽略了空气动力模型和变桨 控制模型，仅适用于电磁暂态仿真。文献[15]对双 馈机组风场进行了单机聚合建模。无论如何，鉴于 单机等值法的计算优势，对其进行深入研究、改进 是十分必要的。另一方面，目前已发表的文献中关 于风电场聚合模型的研究多为基于十几台机组的 小型风电场，仅作为理论算例，其拓扑结构和规模 都与实际工程中有较大差距。而单机等值使用了单 机的测风数据，因而带来了额外的误差。 本文将按单机法的思想，根据某大型风电基地 200 MW 标准直驱机组风场的电气参数和出力数 据，建 立风 电场的 动态 聚合模 型； 在仿真 软件 DIgSILENT PowerFactory 中进行建模仿真， 探讨动 态聚合模型的精度，并进一步探讨集电线路对聚合 模型精度的影响。
XIA Yue1, LI Zheng1, CAI Xu1, MA Yanhong2
(1. Wind Power Research Center, Shanghai Jiaotong University, Minhang District, Shanghai 200240, China; 2. Wind Power Technology Center of Gansu Electric Corp, Lanzhou 730050, Gansu Province, China) ABSTRACT: Based on electrical parameters and power output of a certain 200 MW wind farm composed of direct-driven permanent magnet synchronous generators (PMSG) and gaining equivalent wind speed by wind turbine power curve, a one-machine aggregated model of wind farm composed of direct-driven PMSG is established according to the thinking of full aggregation. Utilizing DIgSILENT PowerFactory a detailed model of PMSG unit is constructed, simulation results of this model is compared with simulation results of detailed wind farm model under different conditions, namely wind speed fluctuations, grid fault, and so on, and the simulation results of this model is compared with those of multiple-machine aggregated model, thus the feasibility of aggregated models is verified. Besides, the impact of wind farm collection system on the accuracy of aggregated model is analyzed. The applicability of one-machine aggregated model and the rejection principle of collection line during the modeling are put forward. KEY WORDS: PMSG; wind farm; one-machine aggregated model; multiple-machine aggregated model; DIgSILENT PowerFactory 摘要：根据某大型风电基地 200 MW 标准直驱机组风场的 电气参数和出力数据， 利用风机功率曲线求取等效风速， 按 照单机法思想建立了直驱式永磁机组风电场的单机聚合模 型。运用 DIgSILENT PowerFactory 软件建模仿真，与详细 风场模型、 多机法聚合模型进行了对比， 探讨了模型的可行 性。此外，分析了风场集电线路对聚合模型精度的影响，并 提出了单机聚合法的适用性和建模过程中集电线路的取舍 原则。
第 38 卷 第 6 期
电
网
技
Leabharlann Baidu
术
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过等效风功率曲线逆函数求取等效风速。 则 m 台相 同型号机组聚合后的单机的等效风速 veq 为 1 m 1 m veq f f ( vi ) f 1 Pi m i 1 m i 1 聚合模型捕获的机械功率 Pm 为
第 38 卷 第 6 期 2014 年 6 月 文章编号：1000-3673（2014）06-1439-07
电 网 技 术 Power System Technology 中图分类号：TM 721 文献标志码：A
Vol. 38 No. 6 Jun. 2014 学科代码：470·4051
基于直驱式永磁同步发电机组的风电场动态建模
用，消耗多余能量，维持直流母线电压处于工作范 围。此外，直驱式 PMSG 机组模型还包含过流、过 压等保护，但不包括故障后的恢复控制。 面向并网研究的机组的详细模型中风轮和传 动系采用两质量块模型，以表现传动系统的柔性。 发电机为 5 阶模型，变流器、泄荷电路均采用详细 模型[16]。对于有上百台机组的风电场，并网分析中 采用聚合模型是必要的。风电场的聚合模型包含了 聚合的机组、集电线路、变压器等电器元件，以及 等效风速。 1.2 聚合模型机组参数等值 设风场中所有机组机型相同(对不同类型的机 组可以分别计算)，等值直驱式 PMSG 机组参数按 照容量加权等值，m 台相同型号机组聚合后的单机 参数[12]分别为
1 直驱式永磁同步发电机风场聚合模型
1.1 直驱式永磁同步发电机风力发电系统结构 直 驱 式 永 磁 同 步 发 电 机 (permanent magnet synchronous generator， PMSG)风力发电系统主要由 风轮、直驱式 PMSG、双 PWM 变频器、控制和保 护系统等构成。风轮将接受的风能直接通过低速轴 带动永磁发电机，变流器控制发电机和电网间的功 率传输和能量平衡。当直流母线电压因电网故障上 升到规定的阈值时，机组直流侧卸荷电路投入使
m m S S mS ， P Pi mP i eq eq i 1 i 1 m Qeq Qi mQ i 1 xs rs X s_eq = m ，rs_eq = m m H g_eq H gi mH g i 1 m H t_eq H ti =mH t i 1 m Ks_eq Ksi mKs i 1 Z ST_eq mST，Z T_eq = T m
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式中：S、P、Q 分别为发电机容量、有功功率、无 功功率；m 风电机组台数；下标 eq 表示等效后；xs 为发电机定子电抗；rs 为发电机定子电阻；Ht、Hg 分别为风力机和发电机的转子惯性时间常数； Ks 为 轴系刚度系数；ST 为机组变压器容量；ZT 为变压器 阻抗。 1.3 聚合机组模型的输入风速等效方法 风电机组的输出功率是风速的函数，已发表文 献均直接用各机组风速求取等值机组的有功。然 而，风电机组在运行过程中的测风数据准确性较 低，使得等值结果误差变大。为此，本文通过风场 的运行数据获得每台风机的输出功率，假设等值前 第 k 台机组的功率 Pk 为 Pk=f (vk) 式中：f 为风功率曲线的拟合函数；vk 为风速。 首先将整个风场机组功率求取平均值后，再通 (2)
夏玥 1，李征 1，蔡旭 1，马彦宏 2
（1．上海交通大学 风力发电研究中心，上海市 闵行区 200240； 2．甘肃省电力公司风电技术中心，甘肃省 兰州市 730050）
Dynamic Modeling of Wind Farm Composed of Direct-Driven Permanent Magnet Synchronous Generators
关键词：永磁同步风电机组；风场；单机聚合模型；多机聚 合模型；DIgSLENT PowerFactory DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2014.06.003
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引言
随着人们越来越重视可再生能源，风能作为一
种清洁能源逐渐成为我国能源中的重要组成部分。 我国规划建设若干个千万千瓦级风电基地，呈现出 规模化开发、集中并网和远距离输送的特点[1]。在 这样的形势下，研究大规模风电并网对电网安全稳 定和电能质量的影响成为了一项紧迫的任务。而获 得准确的适用于电力系统分析的实际风电场模型 则是开展此项研究分析的基础[2]。 风电场的建模可分为 2 大类[3]：1）详细模型， 包括风电场内所有风电机组、线路以及其他设备； 2）聚合模型，将风电场等效成为单台或几台机组。 显然，当风电场包含几百台风电机组时，采用详细 模型会使计算规模过于庞大，计算能力往往不能满 足要求。因此，当研究风电场对电网的影响时，可 将风电场看作一个整体进行聚合，以减小仿真规 模，提高计算效率和收敛性。 目前， 建立风电场聚合模型的方法可以归纳为 3 种 ：1）单机法(完全聚合法)。将风电场等值成一 台风力发电机组。等值风电机组的容量等于所有风 电机组容量的代数和[4-7]。其余参数都由等值计算获 得。2）复合模型法。将风电场电气部分等值为一台 发电机，而空气动力学部分、传动链和最大功率跟 踪模型则根据运行条件分区分别聚合成几台并联， 构成一台复合的风电机组[6,8]。3）分群法(多机法)。 按一定分群原则，将风电场等值成为多台机组[9-14]。 复合模型和多机模型都是为了体现风场中机
[4]
1440
夏玥等：基于直驱式永磁同步发电机组的风电场动态建模
Vol. 38 No. 6
组运行状态的差异性对输出特性带来的影响。分群 方法有多种。文献[9]按风机地理位置，将同一行或 同一排的机组等效为一台，在确定的风向下取得了 较好的结果；但这种方法没有考虑风向变化，且对 包含十几排风机的大型风场而言，等效机组过多， 简化程度不够。文献[10]以机组风速为分群原则， 在确定的机组风速分布下，可取得较好的效果；但 建模精度和简化程度受风场风速的动态分布和变 化差异大小的影响。文献[11]按双馈机组桨距角动 作特征分群，并结合支持向量机理论，提高等值建 模的精确性；但直驱机组的桨距角动作特性与双馈 机组不同， 因此该方法不适用于直驱机组。 文献[12] 采用聚类算法，根据机组运行的所有状态变量来分 群，考虑因素较全面；但需逐个求解每台机组的状 态变量， 当风场规模较大时， 会导致计算工作量大， 实时性差。离线应用时，由于机组状态随输入风速 随机变化，使确定的分群得不到希望的结果。 单机法简化程度最大，但往往被认为精度较 低，因为仅将各机组的平均风速作为等值后的等效 风速而对风场机组运行差异性的考虑较少[7]。文献 [3] 提出的单机等值法忽略了空气动力模型和变桨 控制模型，仅适用于电磁暂态仿真。文献[15]对双 馈机组风场进行了单机聚合建模。无论如何，鉴于 单机等值法的计算优势，对其进行深入研究、改进 是十分必要的。另一方面，目前已发表的文献中关 于风电场聚合模型的研究多为基于十几台机组的 小型风电场，仅作为理论算例，其拓扑结构和规模 都与实际工程中有较大差距。而单机等值使用了单 机的测风数据，因而带来了额外的误差。 本文将按单机法的思想，根据某大型风电基地 200 MW 标准直驱机组风场的电气参数和出力数 据，建 立风 电场的 动态 聚合模 型； 在仿真 软件 DIgSILENT PowerFactory 中进行建模仿真， 探讨动 态聚合模型的精度，并进一步探讨集电线路对聚合 模型精度的影响。
XIA Yue1, LI Zheng1, CAI Xu1, MA Yanhong2
(1. Wind Power Research Center, Shanghai Jiaotong University, Minhang District, Shanghai 200240, China; 2. Wind Power Technology Center of Gansu Electric Corp, Lanzhou 730050, Gansu Province, China) ABSTRACT: Based on electrical parameters and power output of a certain 200 MW wind farm composed of direct-driven permanent magnet synchronous generators (PMSG) and gaining equivalent wind speed by wind turbine power curve, a one-machine aggregated model of wind farm composed of direct-driven PMSG is established according to the thinking of full aggregation. Utilizing DIgSILENT PowerFactory a detailed model of PMSG unit is constructed, simulation results of this model is compared with simulation results of detailed wind farm model under different conditions, namely wind speed fluctuations, grid fault, and so on, and the simulation results of this model is compared with those of multiple-machine aggregated model, thus the feasibility of aggregated models is verified. Besides, the impact of wind farm collection system on the accuracy of aggregated model is analyzed. The applicability of one-machine aggregated model and the rejection principle of collection line during the modeling are put forward. KEY WORDS: PMSG; wind farm; one-machine aggregated model; multiple-machine aggregated model; DIgSILENT PowerFactory 摘要：根据某大型风电基地 200 MW 标准直驱机组风场的 电气参数和出力数据， 利用风机功率曲线求取等效风速， 按 照单机法思想建立了直驱式永磁机组风电场的单机聚合模 型。运用 DIgSILENT PowerFactory 软件建模仿真，与详细 风场模型、 多机法聚合模型进行了对比， 探讨了模型的可行 性。此外，分析了风场集电线路对聚合模型精度的影响，并 提出了单机聚合法的适用性和建模过程中集电线路的取舍 原则。
第 38 卷 第 6 期
电
网
技
Leabharlann Baidu
术
1441
过等效风功率曲线逆函数求取等效风速。 则 m 台相 同型号机组聚合后的单机的等效风速 veq 为 1 m 1 m veq f f ( vi ) f 1 Pi m i 1 m i 1 聚合模型捕获的机械功率 Pm 为
第 38 卷 第 6 期 2014 年 6 月 文章编号：1000-3673（2014）06-1439-07
电 网 技 术 Power System Technology 中图分类号：TM 721 文献标志码：A
Vol. 38 No. 6 Jun. 2014 学科代码：470·4051
基于直驱式永磁同步发电机组的风电场动态建模
用，消耗多余能量，维持直流母线电压处于工作范 围。此外，直驱式 PMSG 机组模型还包含过流、过 压等保护，但不包括故障后的恢复控制。 面向并网研究的机组的详细模型中风轮和传 动系采用两质量块模型，以表现传动系统的柔性。 发电机为 5 阶模型，变流器、泄荷电路均采用详细 模型[16]。对于有上百台机组的风电场，并网分析中 采用聚合模型是必要的。风电场的聚合模型包含了 聚合的机组、集电线路、变压器等电器元件，以及 等效风速。 1.2 聚合模型机组参数等值 设风场中所有机组机型相同(对不同类型的机 组可以分别计算)，等值直驱式 PMSG 机组参数按 照容量加权等值，m 台相同型号机组聚合后的单机 参数[12]分别为
1 直驱式永磁同步发电机风场聚合模型
1.1 直驱式永磁同步发电机风力发电系统结构 直 驱 式 永 磁 同 步 发 电 机 (permanent magnet synchronous generator， PMSG)风力发电系统主要由 风轮、直驱式 PMSG、双 PWM 变频器、控制和保 护系统等构成。风轮将接受的风能直接通过低速轴 带动永磁发电机，变流器控制发电机和电网间的功 率传输和能量平衡。当直流母线电压因电网故障上 升到规定的阈值时，机组直流侧卸荷电路投入使
m m S S mS ， P Pi mP i eq eq i 1 i 1 m Qeq Qi mQ i 1 xs rs X s_eq = m ，rs_eq = m m H g_eq H gi mH g i 1 m H t_eq H ti =mH t i 1 m Ks_eq Ksi mKs i 1 Z ST_eq mST，Z T_eq = T m