基于PSCAD的双馈风电机组暂态等值模型研究

刘斯伟，李庚银，周　明

(新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，北京　102206)

Research on Transient Equivalent Modelling of Doubly-fed Induction Generator Based on PSCADLIU Siwei, LI Gengyin, ZHOU Ming

(State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System With Renewable Energy Sources (North China Electric

Power University), Beijing 102206, China)



基于PSCAD的双馈风电机组暂态等值模型研究

刘斯伟，李庚银，周明

(新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，北京102206)

Research on Transient Equivalent Modelling of Doubly-fed Induction Generator Based on PSCADLIU Siwei, LI Gengyin, ZHOU Ming

(State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System With Renewable Energy Sources (North China Electric

Power University), Beijing 102206, China)

0引言

随着风电装机规模的快速增长，风电场对电力系统稳定运行的影响日益凸显，研究风电场建模及其对电力系统稳定性的影响成为当前热点之一[1-4]。含双馈风电机组(doubly fed induction generator, DFIG)的风电场等值建模一直是各方关注的重点课题之一，在关于含风电电力系统的暂态稳定分析研究中，对DFIG风电场的等值处理主要有阻抗模型、详细模型以及加权等值模型等[5-10]。阻抗模型在求解电力系统微分方程时较为方便快捷，然而对DFIG数学模型降阶较多，难以适用需要准确模拟DFIG暂态响应的场景；详细模型对DFIG的电力电子装置与所有控制系统详细建模，拥有较高的精度，但由于计算速度慢，一般仅局限于小规模系统应用；加权等值模型采用一台DFIG详细模型以加权等值方法计算求得模型等值参数，等值替代风电场内所有风电机组，既减少对仿真计算的资源需求又良好保持DFIG风电场的动态特性。然而，对于我国规模日渐增大的并网运行风力发电基地，少量的DFIG加权等值模型，将无法准确反映所替代的大规模风电场甚至风电场群的动态特性，而大量采用DFIG加权等值模型会同样导致电力系统稳定分析的计算规模过于庞大，严重降低仿真分析的计算效率，难以满足工程实际需要[11-13]。所以十分必要搭建能够准确反映风电场暂态特性并能有效降低计算规模的双馈风电场暂态等值模型，以适用于含大规模风电接入的现代电力系统暂态过程分析研究。

PSCAD作为电力系统电磁-机电暂态过程研究领域应用广泛的时域仿真软件之一，目前基于该平台的DFIG模型主要以详细模型为主，对仿真计算资源需要规模较大，十分不利于含大规模、多接入点风电接入的电力系统暂态过程分析研究。因此本文基于PSCAD研究了一种降阶的DFIG暂态等值模型，旨在保证DFIG准确动态响应特性的同时降低DFIG等值模型对仿真计算资源的需求。等值模型保留了原DFIG详细模型中的风力机模型、轴系模型以及发电机模型，而针对由电力电子装置构成、仿真计算资源需求大的背靠背PWM变流器组，则采用两组独立可控电流源及配套控制策略对其进行替代。仿真分析对所提出的DFIG等值模型的准确性和仿真计算效率进行了有效验证。

1DFIG模型及工作原理

DFIG是一种变速恒频的风力发电机组，由风力机，传动系统、双馈感应发电机和一组背靠背的PWM (pulse width modulation)变流器组及其控制系统组成[3-4]。风力机捕获风能后，经传动系统传递，形成作用于双馈感应发电机上的机械功率；背靠背的双PWM变流器组承担双馈感应发电机的核心运行控制：与发电机转子绕组直接相连的转子侧变流器承担直接的励磁任务，为发电机转子提供合适的励磁电压从而有效调节励磁电流；网侧变流器联接电网和直流环节，主要负责保持动态运行中直流环节的电压稳定。

图1展示了背靠背双PWM变流器组的一般控制策略。通过在转子变流器和网侧变流器控制中应用矢量变换控制，转子侧变流器分别独立调节DFIG转子电压或转子电流的d轴分量和q轴分量，即可实现对定子侧输出功率的解耦控制；网侧变流器维持直流电压稳定的同时可有效控制电网流向网侧变流器的功率因数。图1中i表示电流；m表示对变流器的控制信号；下标ref表示相关变量的参考值；下标r表示转子绕组的相关变量，下标g表示网侧变流器的相关变量；下标d和q分别表示d-q 轴坐标系下的d轴分量和q轴分量。

图1　DFIG变流器组的一般控制策略

2DFIG的暂态等值模型

2.1等值思路和等值方法

在电力系统暂态过程分析中，通常根据研究对象所在位置不同可将系统划分为所研究区域和研究外区域两部分，所研究区域内的系统需要详细建模以准确反映其暂态特性，而研究外区域的系统建模仅需准确表现其对所研究区域系统的动态特性的影响即可。在研究含大规模DFIG并网的系统暂态稳定问题时，由于并网的DFIG不具备类似同步发电机组的功角失稳特性，也不直接参与同步发电机组之间的互同步机制，其对系统的作用主要通过其输出功率实现。因此，当系统内发生故障等大的扰动，对系统暂态稳定的研究对象为系统内的同步发电系统时，可以根据研究对象将系统划分为不含风电场的同步发电系统和并网的风电系统，如图2所示。接入至公共接入点(points of common coupling, PCC)的双馈风电场作为研究区域外系统，可以进行简化等值建模，等值模型需保证能够较准确地反映双馈风电场的动态输出特性及对所研究区域系统暂态过程的影响。

图2　双馈风电场接入系统示意图

基于此，本文搭建了一种旨在保证DFIG准确动态响应特性的同时降低DFIG等值模型对仿真计算资源的需求的DFIG暂态等值模型，如图3所示。图3中，下标RSC表示转子侧CCS相关分量CCS(rotor side CCS, RSC)，下标GSC表示网侧CCS相关分量(grid side CCS, GSC)。

图3　DFIG等值模型示意图

等值模型中保留了DFIG详细模型中的大部分主要电气元件模型以及相关配套控制系统，如风力机模型、轴系模型以及发电机模型。另一方面，搭建了两组独立可控电流源(controlled current source, CCS)及其对应配套控制策略，实现模拟DFIG详细模型中变流器组的励磁控制功能，从而替代原DFIG详细模型中由电力电子装置构成、仿真计算资源需求大、精度要求高的背靠背PWM变流器组及配套控制系统，实现对DFIG等值模型的降阶，进而达到提高等值模型仿真效率的效果。

2.2转子侧CCS控制策略模型

DFIG等值模型的转子侧CCS联接至DFIG感应发电机的转子绕组，向DFIG转子绕组提供励磁电流。为了实现对DFIG等值模型定子绕组有功功率和无功功率解耦控制，在转子侧CCS的控制策略中采用定子磁链定向的矢量变换控制，基于定子磁链定向矢量变换，通过调节转子电流的q轴分量和d轴分量即可实现对DFIG定子绕组的有功功率和无功功率的分别独立控制[3]，此时，DFIG定子侧输出的有功功率与无功功率可以表达为

(1)

式中:Lm和Ls分别为互感和定子电感；ω1为系统的电角速度。

图4　转子侧CCS的控制策略框图

2.3网侧CCS控制策略模型

在DFIG详细模型中，DFIG系统的总输出功率由定子输出功率和网侧变流器流向机端的功率两部分共同构成，而在DFIG等值模型中，由于背靠背的变流器组被替代，DFIG感应发电机转子绕组的功率无法传递至发电机机端。为保证DFIG等值模型功率输出特性的准确性，搭建网侧CCS控制系统，连接至DFIG感应发电机的定子侧，通过调节网侧CCS的输出电流控制网侧CCS向电网输出的功率，从而模拟DFIG详细模型中由电网流向网侧变流器的功率部分。

DFIG详细模型中由电网流向网侧变流器的功率由两部分决定：①转子绕组上产生功率；②DFIG 机端电压变化时，由直流环节的动态响应引起的功率波动。考虑到直流环节的暂态响应受到电容大小和机端电压变化情况的影响较为复杂，并且由直流环节动态响应引起的功率数值变化较小、衰减较快，因此本文DFIG等值模型的网侧CCS控制策略主要考虑转子绕组上产生功率。为了实现对网侧CCS向电网输出有功功率和无功功率的解耦控制，在网侧CCS的控制策略中采用电网电压定向矢量变换控制，控制策略如图5所示。根据转子绕组上产生的功率得到网侧CCS需要向电网输出的功率总额Sr，结合功率因数确定有功功率和无功功率的参考值,并进一步得到网侧CCS电流参考值d轴分量和q轴分量。dq轴坐标系下的电流参考值经过派克反变换得到三相坐标系下的网侧CCS电流参考值，即网侧CCS的输入控制信号。通过调节网侧CCS输出电流从而实现对网侧CCS向电网输出的有功功率和无功功率解耦控制。

当计及网侧CCS补偿的功率部分后，DFIG等值模型的总输出功率为

(2)

图5　网侧CCS的控制策略框图

3算例分析

3.1算例系统

为了验证前文所搭建的DFIG等值模型的可行性和有效性，基于PSCAD仿真平台搭建了图6所示的系统模型，对DFIG等值模型和DFIG详细模型的动态特性进行全面对比分析。DFIG的详细模型采用包括所有电气元件模型以及相关配套控制系统，如风力机模型及控制、轴系模型以及发电机模型及变流器组模型及控制的DFIG机组模型；等值模型仅对详细模型中的变流器组模型及控制通过转子侧CCS 和网侧CCS进行替代。仿真系统于2s时在图6中所示位置节点1处发生三相短路故障，DFIG机端电压跌落至0.3p.u.，持续0.3s后故障切除。

图6　仿真系统模型

本章3.2小节通过对比DFIG详细模型的变流器组控制系统，验证了DFIG等值模型的CCS控制系统对输出电流的有效控制；3.3和3.4小节基于相同暂态工况对DFIG等值模型和详细模型的阻尼特性和无功功率补偿特性进行了对比分析；3.5小节则在单DFIG机组和多DFIG机组情况下分别对所提出DFIG等值模型的仿真效率进行了验证。

3.2转子侧CCS和网侧CCS控制特性验证

DFIG等值模型中转子侧CCS的主要控制目标为转子电流，图7为DFIG等值模型转子侧CCS与DFIG详细模型转子侧变流器对DFIG转子电流的动态控制效果比较。从图中可以看出，虽然在故障发生时刻和切除时刻，DFIG等值模型的转子电流中缺少详细模型中的明显暂态分量，但是从整个动态过程来分析，可以明显看出DFIG等值模型的转子侧CCS已基本达到了DFIG详细模型转子变流器对转子电流的暂态控制效果，可以实现对转子电流的准确有效控制。

图7　转子侧CCS控制特性

DFIG等值模型中网侧CCS的控制目标主要为网侧CCS向电网输出的功率，图8给出了网侧CCS的输出功率与DFIG详细模型中网侧变流器向电网输出功率的控制效果对比。由图中可以看出，本文搭建的网侧CCS控制策略可以准确模拟DFIG详细模型中经网侧变流器流至机端的功率部分；而由于没有计及DFIG详细模型中直流环节的动态特性引起的功率波动，因此等值模型的网侧CCS的功率补偿效果略有偏差，属于考虑范围之内。总体上看，网侧CCS准确实现了对向电网输出有功功率和无功功率的解耦控制，并较有效地模拟了详细模型中网侧变流器向电网输出的功率。

图8　网侧CCS控制特性

3.3DFIG机组等值模型的阻尼特性

虽然DFIG的励磁控制过程中基本实现了机电解耦，然而DFIG发电机的转速仍会间接影响有功功率的控制，并且在电力系统机电暂态过程分析中对系统频率产生间接影响，因此分别基于两组不同的有功功率PI控制参数，对DFIG等值模型与详细模型的暂态阻尼响应特性进行了对比分析，如图9(a)和图9(b)所示。两组有功功率PI控制参数分别为Kp1=0.5,Ti1=0.1；Kp2=1.0,Ti2=0.5。

图9　DFIG等值模型的阻尼特性

由图9可以看出，在不同的控制参数设置情况下，DFIG等值模型的暂态有功功率响应和转速响应均能够与详细模型保持高度的一致性，能够有效模拟DFIG的机电特性。而存在于有功功率动态输出中的细小偏差则来自于网侧CCS补偿功率偏差部分的影响。

3.4DFIG机组等值模型的暂态无功补偿特性

在电力系统遭受严重故障等大的干扰时，有时会对DFIG的动态无功输出提出一些要求，因此对DFIG等值模型与DFIG详细模型的暂态无功功率补偿特性也进行了对比，如图10所示。由DFIG转子电流d轴分量和DFIG无功功率输出的动态响应可以看出，DFIG等值模型同样可以实现动态无功功率补偿控制的功能，并对DFIG详细模型中的无功控制策略进行模拟。

3.5仿真时长比较

为了验证DFIG等值模型大大减少了对仿真资源的需求，通过统计仿真时间进行分析。从两方面进行对比：①小仿真步长，单台DFIG机组模型；②大仿真步长，多台DFIG机组模型。表1为不同仿真条件下DFIG等值模型与详细模型的仿真效率对比，其中仿真时长表示在仿真软件中程序运行时间，实际时间则表示程序运行完毕在现实中花费的时间。由表1可以看出基于DFIG等值模型的仿真系统对仿真资源的需求远远小于DFIG详细模型，尤其当系统内DFIG模型数量增多时，DFIG等值模型对计算效率的提升效果更加明显。可见，本文提出的等值模型不但具有可靠的精度并且简洁有效。

图10　DFIG等值模型的暂态无功补偿特性

表1　等值模型与详细模型的仿真时长对比

4结论

本文研究了一种降阶的双馈风电机组等值模型，在保留双馈风电机组详细模型中主要元件及配套控制系统的基础上，通过搭建两个独立的可控电流源模型及相关控制策略将原详细模型中的背靠背变流器组替代，从而达到既准确保持双馈风电机组的暂态控制特性和暂态输出外特性，又提高仿真计算效率的效果。仿真分析对提出的方法进行了有效验证。

双馈风电机组的详细模型具有较高的仿真准确度,同时也需要更多的仿真资源,在关于风机内部暂态响应特性及低电压穿越特性的研究中得到了广泛应用。然而在含大规模、多接入点风电场接入的电力系统暂态稳定分析中，一般不需要详细考虑风电场内部的信息，风电场模型能保证准确反映风电场输出外特性和对外部区域影响即可。本文提出等值模型在研究此类问题时具有明显优势，可以灵活模拟不同接入点风电场的不同控制策略或不同运行状态，同时又保证系统时域仿真的计算规模不会过大，造成分析不便。本文的研究内容解决了PSCAD仿真平台目前广泛应用的DFIG模型对仿真资源需求较大的问题，对其他仿真平台的DFIG暂态等值问题及含大规模风电接入的电力系统暂态问题的时域仿真分析有重要参考价值。

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刘斯伟(1988—)，男，博士研究生，研究方向为双馈风电机组的建模与控制、风电接入对系统暂态稳定性的影响分析，E-mail：liusw@necpu.edu.cn;

李庚银(1964—)，男，教授，博士生导师，主要研究方向为新能源电力系统分析与控制、先进输变电技术、电能质量等，E-mail：ligy@ncepu.edu.cn；

周明(1967—)，女，教授，博士生导师，主要研究方向为新能源电力系统分析与控制、电力市场、电能质量等，E-mail：zhouming@ncepu.edu.cn。

(责任编辑：杨秋霞)7

摘要：随着接入电网的风电场规模日益增大，电力系统暂态过程研究对风电场准确简洁建模的需求愈发迫切。本文研究了一种基于PSCAD仿真平台的降阶双馈风电机组等值模型。该等值模型保留了原双馈风电机组(DFIG)详细模型中的风力机模型、轴系模型以及发电机模型，同时采用两组独立可控电流源及其对应配套控制策略，替代了由电力电子装置构成、仿真计算资源需求大、精度要求高的背靠背PWM变流器组及配套控制系统。基于PSCAD的仿真分析对所搭建的双馈风电机组等值模型的基础控制特性、暂态响应特性，以及仿真计算效率进行了验证，证明了该模型既可以有效保持双馈风电机组的暂态响应特性，同时又大幅度提高了仿真计算效率。

关键词：双馈风电机组；暂态等值模型；电力系统；暂态稳定分析

Abstract：with the increasing of wind power penetration in the power system, accurate and simplified modelling of wind power plants is meeded for power system transient process analysis. A reduced-order dynamic equivalent model of doubly-fed induction generator (DFIG) based on PSCAD is introduced. The equivalent model preserves wind turbine model, shafting model and generator model of the detailed DFIG model, but substitute the two back-to-back PWM converters which are composed of power electronic device, and have huge requirements of simulation resources and calculation accuracy by two independently controllable current sources (CCS) and their corresponding control strategies. Simulation analysis based on PSCAD tested the control performance of CCS, the equivalent model’s transient response characteristic and the computational efficiency. It’s well proved that the proposed model preserves the transient response fidelity of DFIG while significantly improves the computational efficiency.

Keywords：doubly-fed induction generator (DFIG); transient equivalent model; power system; transient stability analysis

作者简介：

收稿日期：2015-10-20

基金项目：国家自然科学 (51190103)；高等学校学科创新引智计划项目(B08013)

中图分类号：TM614

文献标志码：A

文章编号：1007-2322(2016)02-0064-06