双馈式风力发电机的机电暂态建模_訾鹏

有功、无功功率特殊控制策略。以华锐 1.5MW DFIG 机组 为例， 用电力系统分析综合程序包软件仿真分析 3 种不同工 况下的运行特性。 仿真结果与现场实测曲线一致， 证明所建 模型准确、可靠，可用于分析大规模 DFIG 风电场接入对电 力系统暂态稳定性的影响。 关键词：双馈式风力发电机；机电暂态模型；撬棒电阻；卸 荷电路；低电压穿越；电力系统稳定
DFIG 稳态运行时，异步电机输出的总有功功
率为
Pe Lmr (idr iqs iqr ids )
(4)
的 dq 轴分量；idr、iqr 为 I 的 dq 式中：ids、iqs 为 I s r
轴分量。
DFIG 稳态运行时，异步电机定子输出的无功
功率为
Qs

Lm ( ds idr qs iqr ) Lss
0 引言
截 止 2012 年 底 ， 中 国 风 电 装 机 容 量 75945.2MW，已跃居为世界首位[1]。大容量、集中 式、远距离是中国风电并网的主要特点。这些特点 决定了电网与大型风电场群联系较弱，一旦发生故 障，可能造成大量风力机脱网，威胁电力系统的安 全稳定[2-3]。 如何准确分析风电场接入后， 特别是弱 电网条件下，风电机组对电网故障的穿越特性已成 为电力系统规划、运行分析的关键问题。双馈式风 力发电机(doubly-fed induction generator，DFIG)组 因良好的经济性和运行特性，已成为主力机型之 一。但是，DFIG 定子直接并网，导致机组对电网 故障非常敏感，而且在电网故障情况下小功率变频 器对机组的控制能力也受到限制[4]，因此，控制保 护结构复杂，在不同的运行工况，尤其是电网故障 时，DFIG 运行特性有很大不同。风电机组技术变 化快，新型机组采用撬棒电阻(crowbar)和卸荷电路 (chopper)，与不采用的机组特性差别大。目前缺乏 准确的机电暂态模型，使仿真结果有时偏保守，有 时偏乐观，可信度低。因此需要运行中留出较大的 安全裕度，成为风电场限电的因素之一。研究适用 于大规模风电场接入电力系统的 DFIG 机电暂态模 型具有重要实际意义。
文章编号：0258-8013 (2015) 05-1106-09
双馈式风力发电机的机电暂态建模
訾鹏，周孝信，田芳，安宁，侯俊贤，张石，陶向宇
(中国电力科学研究院，北京市 海淀区 100192)
Electromechanical Transient Modeling of Wind Turbines Based on Doubly-fed Induction Generator
基 金 项 目 ： 国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 项 目 (973 项 目 ) (2013CB228203)；国家 863 高技术基金项目(2011AA05A103)。 The National Basic Research Program of China (973 Program) (2013CB228203); The National High Technology Research and Development of China 863 Program (2011AA05A103).
ZI Peng, ZHOU Xiaoxin, TIAN Fang, AN Ning, HOU Junxian, ZHANG Shi, TAO Xiangyu
(China Electric Power Research Institute, Haidian District, Beijing 100192, China) ABSTRACT: This paper proposed an electromechanical model of the doubly-fed induction generator (DFIG) suitable for bulk system transient stability studies. The suitable model was presented for rotor-side convertor and crowbar, based on the possible operating modes; according to the characteristic of electromechanical transient simulation and physical facilities, the model of grid-side convertor and controller was simplified; the DC-link and chopper were also taken into account; after statistical analysis of mass field data from type test, the low-voltage-ride-through (LVRT) control strategies of crowbar, chopper, and active/reactive power were proposed. Taking Sinovel 1.5MW DFIG as an example, several simulations were performed in power system analysis software package (PSASP). Simulation results show that dynamic response of the proposed model is consistent with field data, owing to the reasonability and accuracy of the model. So, it can be used to analyze the impact of grid-connected large-scale DFIG system on security and stability of power grid. KEY WORDS: doubly-fed induction generator (DFIG); electromechanical transient model; crowbar; chopper; low voltage ride-through (LVRT); power system stability 摘要： 建立可用于大型电力系统暂态稳定分析的双馈式风力 发电机(doubly-fed induction generator， DFIG)机电暂态模型。 详细分析转子侧变流器和撬棒电阻(crowbar)可能的工作模 式， 提出计及 crowbar 的转子侧变流器和控制器机电暂态建 模方法； 根据机电暂态仿真和设备参数的特征， 研究网侧变 流器和控制器的简化建模方法； 建立直流电压动态和卸荷电 路(chopper)数学模型。基于大量型式实验数据，研究国产 DFIG 在低电压穿越过程中 crowbar、chopper 的控制逻辑和
例，分析 3 种不同工况下的运行特性，仿真结果与 现场实测曲线一致，表明本文提出的 DFIG 机电暂 态模型准确、可靠，可用于分析 DFIG 风电场接入 大型电力系统的暂态稳定性。
1
1.1
DFIG 风电机组机电暂态模型
异步电机模型 为实现 DFIG 机电暂态模型与电网相量模型接
口，异步电机采用三阶模型，忽略了定子暂态过渡 过程[22]。 矢量形式的电压方程为
(2)
式中：Lss、Lrr 分别为定、转子绕组自感；Lm 为定 转子间互感。 在机电暂态仿真中，DFIG 轴系特性对电网特 性影响可忽略[23]。 因此， 本文采用单质块等效模型。
Tj
dr Tm Te F r dt

(3)
式中：Tj 为轴系等效惯性时间常数； r 为轴系角速 度；F 是为摩擦系数。
RI U s s s j s r p r U r Rr I r js eBase
分别为定、转子绕组电阻；s 为转差

矢量形式的磁链方程为
L I s Lss I s m r L I r Lrr I r m s
第5期
訾鹏等：双馈式风力发电机的机电暂态建模
1107
在电磁暂态建模方面，文献[5-6]研究了电网故 障情况下 DFIG 详细数学模型，分别对异步电机、 转子侧网侧变流器及控制器进行建模，研究其运行 特 性 。 在 低 电 压 穿 越 (low-voltage-ride-through ， LVRT)运行控制方面，文献[7-11]基于 DFIG 内部电 磁关系研究了转子侧变流器和网侧变流器的控制 策略，在电网电压跌落较轻时，不需要 crowbar 或 chopper 投入即可有效抑制转子过流和直流过压。 文献[4,12-14]基于定转子故障电流的特性分析，提 出 DFIG 低电压穿越控制方案，即在电网电压发生 严重跌落时，通过投切 crowbar，防止转子过流和 直流过压。上述的模型和控制器设计均属于电磁暂 态的范畴，模型和控制结构复杂，用于风电场接入 大型电力系统暂态稳定分析时，计算速度慢、数值 稳定性差。 在机电暂态建模方面，美国西部电力协调委员 会 (WECC) 、国际电工委员会 (IEC) 联合 Vestas 、 Siemens、 Gamesa、 GE、 ABB 等厂商正在制定 DFIG 机电暂态通用模型的建模和实证标准[15-18]。 DFIG 机电暂态模型中发电机/变流器、crowbar、chopper 的简化程度取决于 DFIG 采用的低电压穿越保护技 术。文献[19-21]提出的 DFIG 机电暂态通用模型比 较适合于转子变流器容量较大，只在直流侧采用 chopper 保护的 DFIG 机组。 该类型机组在 LVRT 过 程中全程可控。从研究大电网稳定性的角度看，其 动态主要取决于有功/无功功率、 桨距角控制器的特 性。但是仿真转子侧采用 crowbar、chopper 保护的 DFIG 机组存在一定的困难，不能满足国内大多数 在运 DFIG 的建模需求。 本文提出适用于大型电力系统暂态稳定分析 的 DFIG 机电暂态建模方法。建立三阶异步电机的 数学模型；详细分析 LVRT 过程中转子侧变流器和 crowbar 可能的工作模式，忽略快动态的电磁暂态 过程，提出转子侧变流器和 crowbar 的机电暂态建 模方法。 在保证有功、 无功功率控制效果的前提下， 研究了转子侧变流控制器、网侧变流器和控制器简 化建模方法，简化控制结构，解决了机电暂态仿真 步长下数值积分不稳定问题，可降低对某些参数的 依赖， 提高计算效率。 建立直流电压动态和 chopper 数学模型； 基于大量现场实验数据， 研究国产 DFIG 在 LVRT 过程中有功、无功功率特殊控制策略和 crowbar、chopper 的控制逻辑。以电力系统分析综 合程序包为仿真平台， 以华锐 1.5MW DFIG 机组为