适用于电力系统全过程动态仿真的风电机组典型模型_刘涛

第39卷第3期电网技术V ol. 39 No. 3 2015年3月Power System Technology Mar. 2015

文章编号：1000-3673（2015）03-0609-06 中图分类号：TM 721 文献标志码：A 学科代码：470·4051

适用于电力系统全过程动态仿真的

风电机组典型模型

刘涛1，戴汉扬1，宋新立1，仲悟之1，侯俊贤1，叶小晖1，张爽2

（1．中国电力科学研究院，北京市海淀区 100192；

2．宁夏电力科学研究院，宁夏回族自治区银川市 750001）

A Typical Wind Power Generation Set Model of Suitable for Full Dynamic Simulation of

Power Grid

LIU Tao1, DAI Hanyang1, SONG Xinli1, ZHONG Wuzhi1, HOU Junxian1, YE Xiaohui1, ZHANG Shuang2

(1. China Electric Power Research Institute, Haidian District, Beijing 100192, China;

2. Ningxia Electric Power Research Institute, Yinchuan 750001, Ningxia Hui Autonomous Region, China)

ABSTRACT: The stochastic fluctuation of the output of wind power generation brings adverse impacts on both planning and operation of power grid. In allusion to the defects in the model used in domestic wind power generation simulation, including insufficient accuracy of electromechanical transient simulation results and lacking of the model for medium- and long-term dynamic simulation, a typical wind power generation set model suitable for full dynamic simulation of power grid is established. Since the generator model and converter control model that can reflect the electromechanical transient characteristic of wind power generator set and low-voltage ride-through (LVRT) control strategy and protection model as well as the wind speed fluctuation and active power control model that can reflect the medium- and long-term dynamic characteristics of wind power are included in the established model, so using the established model the electromechanical transient characteristics of wind power generation sets, especially the operating characteristic during the LVRT process can be accurately simulated; by means of presetting the input of wind speed fluctuation, both the output variation of wind power generation set in a long-term and its impact on power grid can be accurately simulated. Comparing simulation results of actual large-scale power grid by the proposed wind power generation set model with the measured data of the same large-scale power grid, the effectiveness of the proposed wind power generation set model in the electromechanical transient simulation and in the medium- and long-term dynamic simulation is validated.

KEY WORDS: electromechanical transient characteristics;

基金项目：国家863高技术基金项目(2011AA05A103)；国家电网

公司科技项目资助(SGHB0000KXJS1400040)。

The National High Technology Research and Development of China (863 Program)(2011AA05A103).medium- and long-term dynamic simulation; converter control; low voltage ride-through control strategy; wind volatility fluctuation model; active power control model

摘要：风电的随机波动性给电网的规划运行带来了不利的影响。针对目前国内在风电仿真分析时使用的模型所存在的问题，包括机电暂态特性仿真不够准确且缺乏中长期动态仿真等，建立了适用于电力系统全过程动态仿真的典型风电机组模型。该模型包括反映风电机电暂态特性的发电机和换流器控制模型、低电压穿越控制策略和保护模型，以及反映风电中长期动态特性的风速波动和有功控制模型。该模型能够对风电机组机电暂态特性，特别是低电压穿越过程的运行特性进行准确地仿真；通过设置风速波动输入，能够较准确地模拟风电机组出力的长时间变化过程及其对电网造成的影响。通过与大电网实测数据的仿真对比，验证了风电机组模型在机电暂态和中长期动态仿真中的有效性。

关键词：机电暂态特性；中长期动态仿真；换流器控制；低电压穿越控制策略；风速波动模型；有功控制模型

DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2015.03.004

0 引言

随着风电装机容量的不断增加，大规模风电场并网将给电网的运行调度带来巨大压力，与其相关的局部电网稳定性、无功电压及低频振荡等问题不容忽视[1-4]；且由于风电的间歇性和不确定性，其大规模接入系统后，系统调频调峰及动态电压稳定性问题将变得突出[5-6]。

电力系统数字仿真技术是分析和掌握风电特性、提高源网协调性能的重要技术手段。风电机组中的换流器采用的电力电子器件具有快速的响应特性，而从分钟级以上的时间尺度看，风电的动力

610 刘涛等：适用于电力系统全过程动态仿真的风电机组典型模型V ol. 39 No. 3

系统输入和输出波动特性非常明显，具有慢速动态特性。因此，对风电系统建模、仿真及相关的源网协调技术的研究是一个多时间尺度的复杂问题。建立能够精确反映风电机组短期和中长期运行特性的模型[7]，可为研究风电的机电暂态和中长期动态特性、分析风电动态行为对电网造成的影响及研究风电接入后的源网协调技术等提供指导。

现有的仿真模型和软件主要集中在风电的电磁暂态和机电暂态仿真分析方面，难以满足大规模风电长时间波动过程的研究需要[8]。并且，在对实际电网中运行的风电机组机电暂态特性，特别是低电压穿越(low voltage ride-through，LVRT)特性进行仿真时，存在模拟不够准确或者模型参数和策略配置过于复杂的问题。

为了建立一套反映风电机组暂态和中长期动态特性的典型模型，本文首先研究风电机组建模的现状；然后建立适用于电力系统全过程动态仿真[9]的风电模型，包括双馈和直驱风电机组(permanent synchronous generator，PMSG)的机电暂态模型，以及风电场的中长期风速波动模型和有功控制模型；最后在全过程动态仿真程序中对该模型进行开发，并通过实际电网的算例进行仿真与实测的对比，验证模型的准确性和实用性。

1 风电机组建模研究现状分析

目前，国内外许多科研单位、高校、电力公司和风电生产厂家等都进行了大量研究，建立了多种风电模型，并在仿真软件中开发实现。其中，国外已建立的风电模型主要有3种：WECC(Western Electricity Coordinating Council)联合GE公司(General Electric Company)、EPRI(Electric Power Research Institute)和西门子公司提出的模型[10-11]；IEC(International Electro technical Commission)推荐的计算模型[12]；德国DIgSilent公司提出的模型[13]。这些模型已在大型电力系统分析软件PSLF (positive load flow program)、PSS/E(power system simulator/engineering)、DIgSILENT PowerFactory中开发实现[14]。而国内风电建模工作起步较晚，常用的PSD(power system department)电力系统仿真软件包和PSASP(power system analysis software package)中的模型是源于GE公司的模型。上述模型和软件在对我国实际电网中运行的风电机组进行仿真应用时，仍存在模拟不够准确、模型参数和策略配置复杂的问题，具体表现在：

1）WECC提出的模型、PSLF及PSS/E软件中的模型，其发电机采用代数运算的电流源进行模拟，变频器控制相对简单，低电压穿越的控制策略主要使用限幅来实现，且没有考虑Crowbar保护等，不能准确模拟电网故障期间及恢复过程中的发电机动态过程。

2）使用PSS/E和DIgSILENT Powerfactory仿真软件对风电进行仿真时，其低电压穿越过程需要用自定义的方式搭建相应的模块，并配置参数和控制策略[15-17]，操作较为复杂。

国内仿真软件中的风电模型是基于GE公司早期提出的模型，存在同样的结构简单、仿真不准确的问题，而且在对风电中长期动态过程的模拟仅限于使用简单的负荷可持续变化模型，难以模拟风速长时间波动情况下风电机组自身的动态特性、功率控制过程及其与电网的相互影响。

2 风电机组全过程动态仿真模型

2.1 模型的总体结构

国内主流的风电机组包括变速双馈风电机组和永磁直驱风电机组。双馈风机的定子与电网直接连接，转子通过换流器连接到电网中，换流器可以改变发电机转子输入电流的频率，保证发电机定子输出跟电网频率保持同步；直驱风机通过两个全功率换流器与电网相连，换流器可将频率变化的电能转换为与电网频率相同的恒频电能[18-19]。我国提出了风机低电压穿越的基本要求[20]，目前实际运行中的风机已具备相应的低电压穿越能力。在电网故障期间，为了保护自身设备，风机也具备一定的保护措施。而且，风电出力由于受风能原动力的影响，具有随机波动性，风速作为输入源，可以通过实测或预测的方法获取，也可以根据研究需要及大量统计规律进行设置。另外，大部分时间风速并未超过额定值，风电机组运行在额定功率以下，其桨距角处于最小的状态，有一定的可调裕度，可以通过调节桨矩角来实现对有功功率的控制。

基于上述基本原理、技术要求、动态特性等，本文建立了风电机组的全过程动态仿真模型。以双馈风电机组为例，模型的总体结构如图1所示。

图1双馈风电机组模型的总体结构

Fig. 1 Overall structure of double-fed wind turbine model

第39卷第3期电网技术 611

图1中，虚线框外为机电暂态部分，发电机和

换流器控制是模型的主体部分，其从电网获取电压

信号，通过换流器对有功、无功进行解耦控制，并

输出有功P gen、无功Q gen到电网；故障期间考虑了

低电压穿越的控制策略和Crowbar保护模型；原动

机控制模型获取风速波动信号，并计算注入到发电

机的机械功率。虚线框内为中长期动态部分，考虑

了长时间的风速波动输入及有功控制模型，其信号

的接收和执行机构均为原动机控制模型。

直驱风电机组的总体结构与双馈风电机组类

似，区别在于直驱风电机组没有原动机控制模型，

其获取的风速通过“功率-风速曲线”直接计算有

功功率；另外，其保护不是Crowbar模型，而是保

护直流侧电压的卸荷电阻模型。本文对直驱风电机

组不再做详细介绍。

2.2 双馈风电机组的机电暂态模型

发电机采用转子电压可控的三阶异步发电机

模型，原动机控制及常规的保护仍可使用原有的模

型，建模的重点是换流器控制模型、低电压穿越期

间的控制策略和Crowbar保护模型。

1）换流器控制。主要包括机侧换流器和网侧

换流器控制模型，基本的控制环节如图2所示。

其中机侧换流器主要功能是控制发电机转子

电压V dr、V qr，模型主要包括有功控制、无功控制

和转子电压控制3部分：有功控制采用转速ω偏差

ω

Δ的PI(比例积分)控制；无功控制采用电压偏差

V

Δ的PI控制，或采用恒功率因数tan()?控制；转

子电压控制则是获取前者输出的有功、无功参考值

P ref、Q ref，对有功、无功进行解耦的PI控制。网侧

换流器控制的目标是维持直流电压U DC为设定值，

保证换流器运行的功率因数为1(零无功I qr=0)，其

模型主要为直流电压控制模型(采用直流电压偏差

ΔU DC的PI控制），输出有功电流I dr到发电机。另

Σ

1+

1+

(

1

T

+

图2换流器控制模型

Fig. 2 Converter control model

外，图中各PI控制环节均有相应的限幅，即有功限

幅

max

P、

min

P，无功限幅

max

Q、

min

Q，转子电压dq

轴分量限幅

d,q,max

V、

d,q,min

V，转子电压总限幅

max

V及

d轴电流限幅d,max

I、

d,min

I。另外，各一阶惯性环

节的时间常数为

()

X

T，s为拉普拉斯算子。

该换流器控制模型与DIgSILENT的详细模型

的区别是简化了快速的电流内环控制，只考虑外部

的功率控制和直流电压控制。

2）低电压穿越期间的控制策略和Crowbar保

护模型。主要是根据低电压穿越试验中的实测曲

线，并同多个风机和变频器厂家经合作交流而提出

的[21]，其基本控制逻辑如图3所示。

图3低电压穿越期间的控制逻辑

Fig. 3 LVRT control strategies

通过判断机端电压有效值确定进入低电压穿越

状态，期间优先根据电压跌路程度发出无功功率，并

保持一定的有功功率运行，在电压恢复后有功功率按

一定的速率恢复。另外，故障期间若判断转子电流高

于一定值则投入Crowbar保护，持续一定时间后退出。

2.3 中长期风速波动模型

根据统计规律，风速的变化符合一定的概率分

布，通常以3~9 m/s的风速最为多见，高于25 m/s

的风速出现的概率很小。而且，风速的变化率有时

可能较大，例如，在10 min内能从4 m/s变化到

18 m/s。当风电场的规模较大时，互补性降低了出

力变化率，但其变化幅度和速度仍不容忽视。例如

在理想阵风时，200 MW风电场出力变化率能达到

(8%×额定功率)/min，而风电场群总出力变化率会降

到[(2%~7%)×额定功率]/min。根据2011年4月酒泉

风电基地的实测数据，1、5、15 min最大出力变化

幅度分别达到总装机容量的5.56%、10.26%、13.46%。

另外，风电出力和风速还具有典型的季特性、日特

性和地区特性，不同季节、地区的典型日出力曲线

有很大不同[22-24]。

612 刘涛等：适用于电力系统全过程动态仿真的风电机组典型模型 V ol. 39 No. 3

在上述规律的基础上，建立使用分段斜坡函数形式模拟的风速长时间波动模型。用户可根据风速的实测或预测曲线，拟定与之相近的风速波动曲线，即对图4所示的各段斜坡的拐点坐标进行设置。

图4 风速长时间波动模型

Fig. 4 Long-term wind volatility model

2.4 有功功率控制模型

中长期有功功率控制模型包括功率指令信号的选择、处理和执行机构[25]。

如图5所示为功率指令信号的选择、处理模块，其中输入信号J P 、A P ，通过开关量1K 和2K 进行选择输入，max P 和min P 为有功出力的限幅，限幅后的目标信号i P 与功率参考值0P 的偏差量X P Δ作为桨距角控制模块的输入。改进的桨距角控制模块为功率指令信号的执行机构，详见文献[25]。

Σ

P X

图5 功率指令信号选择、处理模块

Fig. 5 Power signal selecting and processing module

3 模型仿真与实测结果的对比验证

3.1 西北电网人工扰动试验 3.1.1 算例介绍

基于西北电网2012年底的方式数据，仿真模拟2012年12月16日甘肃酒泉风电基地敦桥湾线单相永久性接地短路试验过程，验证全过程动态仿真程序中建立的典型风电模型机电暂态仿真功能，尤其是对低电压穿越过程的仿真功能。

实测数据取自试验时各风电场的录波，测试的风电场共有16个，出力约为600 MW ，集中位于桥东变及桥湾变，涵盖了酒泉基地所有投运机型。仿真数据规模为7 056个节点，822台发电机，总出力为71 740 MW ，其中甘肃酒泉风电机组出力600 MW 。

仿真故障设置与实际相同，仿真时间为16 s

，涵盖

故障前后经历低电压穿越及功率恢复的整个过程。 3.1.2 仿真与实测对比分析

选取干北一场和干东三场风电机组的仿真结

果与实测曲线进行对比。

1

）图6

为干北一场双馈风电机组仿真曲线与

实测对比结果，基本吻合。在线路故障和重合闸失

败时，风电机组两次进入低电压穿越过程，期间保持较低的有功功率运行，并发出一定的无功功率，低电压穿越结束后，有功功率按一定的速率恢复，约5.5 s 后恢复到额定值。

图6

双馈风电机组仿真与实测对比

Fig. 6 Simulation and measurement comparison of DFIG

2

）图7为干东三场直驱风电机组仿真曲线与实测对比结果，基本吻合。与干北一场双馈风电机

组不同的是，判断低电压穿越的时间延迟设置较大，

风机只经历一次低电压穿越过程，且有功功率恢复

的速率较快，1 s

后恢复到额定值。另外，无功功率

在低电压穿越结束后的波动可能是由风电场内无功补偿装置动作产生的，仿真时采用投切电容器即可对其进行模拟。

图7 直驱风电机组仿真与实测对比

Fig. 7 Simulation and measurement comparison of PMSG

由此可见，全过程动态仿真程序中建立的典型风电机组模型能够对实际电网中风电的机电暂态特性，特别是低电压穿越过程中功率的变化进行更准确地仿真。另外，本算例使用的模型参数经过反复调节，并非风电机组的实际参数，因此，基于该模型的参数实测工作有待于进一步开展。 3.2 宁夏电网风电出力的日波动特性模拟 3.2.1 算例介绍

基于西北电网2014年初方式数据，仿真模拟2014年3月2日宁夏部分风电场的出力及宁夏—甘肃联络线功率的变化过程，验证全过程动态仿真程序中建立的典型风电模型中长期动态仿真功能。

实测数据取自风电场及宁夏—甘肃联络线功率的录波，以及宁夏总发电和总负荷曲线。仿真数据使用西北电网2014年初方式数据，规模达到8 075个节点，825台发电机，总出力为58 180 MW ，

第39卷 第3期 电 网 技 术 613

宁夏电网风电装机容量为3 000 MW 。

选取9~19点的时间段进行仿真，此时电网负荷波动不大，且银东直流传输功率基本不变。仿真设置为：①负荷不变；②根据录波的风电场功率波动设置中长期风速输入曲线，如图8(a)所示为香山、牛首山风电场风速波动曲线；③选取部分常规发电机组，根据宁夏总发电曲线设置相应的出力波动，如图8(b)为灵武、京能发电机组出力波动曲线。

图8 风速波动及发电机出力波动曲线

Fig. 8 Wind speed and generator power fluctuation

3.2.2 仿真与实测对比分析

仿真与实测对比内容主要包括：风电场有功功率变化、风电总出力变化及各联络线功率波动等。

1）风电场有功功率变化过程。由图9可见，牛首山风电场有功功率仿真与实测基本一致。

图9 牛首山风电场有功功率波动曲线

Fig. 9 Niushoushan wind farm power fluctuation

2）风电总出力的变化过程。由图10可见，宁夏风电总出力仿真与实测基本一致，存在差异的原因主要是缺乏全部风电场的录波数据，未录波的风电场需要根据总风电出力变化趋势进行大致模拟。

图10 宁夏风电场总出力曲线

Fig. 10 Simulated wind power of Ningxia province

3）联络线功率变化过程。由图11可见，宁夏—甘肃联络线功率仿真与实测的变化趋势基本一致，存在差异的原因主要是缺乏宁夏电网各发电机具体的出力变化及其他省的发电和负荷变化实测数据，只能选取部分机组进行近似模拟，且假设负荷不变。

图11 宁夏—甘肃联络线功率波动曲线

Fig. 11 Tie-line power fluctuation of Ningxia-Gansu

4 结论

本文基于双馈和直驱风电机组的基本原理和动态特性，建立了适用于电力系统全过程动态仿真的典型双馈、直驱风电机组模型，并通过与大电网实测数据的仿真对比，验证了该模型的有效性和实用性。主要结论如下：

1）模型主要包括发电机和换流器控制、原动机控制、低电压穿越的控制策略和保护模型，以及风电场的中长期风速波动模型和有功控制模型。

2）模型能够对电网发生故障时风电机组的机电暂态特性，特别是低电压穿越过程的运行特性进

行准确仿真；根据风速或风电出力的实测曲线，在模型中设置相应的中长期风速波动输入，能够较准确地模拟风电机组出力的长时间变化过程。

3）模型具备了对风电机组机电暂态到中长期动态的全过程仿真能力，从而为研究大规模风电接入电网后的动态行为及其对电网的影响，并进一步研究相关的源网协调技术等提供了有力的工具。

为了对实际电网运行的风电机组进行更准确地仿真，下一步应基于本文建立的模型开展参数实测工作，以促进模型的进一步完善。

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收稿日期：2014-09-20。

作者简介：

刘涛(1984)，男，硕士，工程师，通信作者，

主要研究方向为电力系统仿真与分析，E-mail：

liutao@https://www.360docs.net/doc/3511459398.html,. cn；

戴汉扬(1989)，男，博士，主要研究方向为电

力系统仿真与分析；

宋新立(1971)，男，博士，高级工程师，主要研究方向为电力系统仿真与分析；

仲悟之(1979)，男，博士，高级工程师，主要研究方向为电力系统仿真与分析；

侯俊贤(1978)，男，博士，高级工程师，主要研究方向为电力系统仿真与分析；

叶小晖(1985)，男，硕士，工程师，主要研究方向为电力系统仿真与分析；

张爽(1982)，男，硕士，工程师，主要研究方向为电能质量分析与控制以及新能源检测技术。

（责任编辑

王金芝）刘涛