基于实际风电场的双馈感应风电机组联网运行特性仿真分析

许 铎，侯延鹏，杨钧砚，王洪海，刘振东

(1. 国网长春供电公司，吉林 长春 130000；2. 国网本溪供电公司，辽宁 本溪 117000)

基于实际风电场的双馈感应风电机组联网运行特性仿真分析

许 铎1，侯延鹏2，杨钧砚1，王洪海1，刘振东2

(1. 国网长春供电公司，吉林 长春 130000；2. 国网本溪供电公司，辽宁 本溪 117000)

随着并网运行风电场数量逐年剧增，双馈感应风电机组作为广泛应用的主流机型之一，其联网运行特性对研究风电场与电网之间的交互作用具有重要作用。本文给出了双馈感应风电机组的数学模型，包括风力机模型、发电机模型和四象限变流器模型。以东北某实际风电场双馈感应风电机组为例，在PSCAD/EMTDC电力系统仿真平台上，搭建了双馈感应风电机组联网运行仿真系统，对双馈感应风电机组在不同工况下的联网运行特性进行了分析，揭示双馈感应风电机组联网运行特性，电气设备阻抗参数与外特性之间的内在关联关系。

双馈感应风电机组；数学模型；联网运行；PSCAD/EMTDC

1 双馈感应风力发电机组

随着风力发电机组单机容量的增大和控制技术的提高，风力发电从原来的分布式能源向集中式的大规模风电场发展，风力发电机组在整个电网中所占比例越来越大，风力发电系统与电网的关系也越来越紧密[1]。

大规模风电场接入电网，会给电网带来一些弊端，如：由于风的随机性，风力发电也具有不稳定性，这会给电网电压造成波动；大规模风电场的接入也可能会使原来传输线路的传输功率超出最大限值；还有诸如电网短路增加、电网暂态稳定性发生变化等[2]。

双馈感应风力发电机组(Doubly Fed Induction Generator，DFIG)是目前大规模风电场采用的主要风力发电机型。双馈感应风力发电具有使用的变频器功率小，降低变频器的额定容量能够减小变频器的尺寸和降低成本，具有一定的无功控制能力，必要情况下向电网无功支撑等优点[3]。由于机组转子绕组与四象限变流器相连，四象限变流器相当于一个励磁电源，可对DFIG进行交流励磁调速控制。

由于四象限变流器通过IGBT、GTO等电力电子元件与电网直接耦合，与同步发电机相比，DFIG的结构和运行控制更为复杂，并且对电压扰动及由此引发的过电流更加敏感。联网运行特性对研究风电场与电网之间的交互作用具有重要作用。

本文给出了双馈感应风电机组的数学模型，包括风力机模型、发电机模型和四象限变流器模型。以东北某实际风电场双馈感应风电机组为例，在PSCAD/EMTDC电力系统仿真平台上，搭建了双馈感应风电机组联网运行仿真系统，对双馈感应风电机组在不同工况下的联网运行特性进行了分析。

2 DFIG数学模型

如图1，双馈感应风电机组主要由风力机、双馈感应发电机、四象限变流器组成[4]。

图1 双馈感应风电机组的结构示意图

2.1风力机模型

根据空气动力学原理，风力机输出的风功率如式(1)[5-6]：

(1)

式中：Pm为风力机输出的风能；Pwind为风力机叶片迎风扫掠功率；Cp为风能利用系数；ρ为空气密度；S为风力机叶片迎风扫掠面积；V0为空气进入风力机扫掠面积前的风速。其中：Cp的值由叶尖速比λ及桨距角β决定，叶尖速比λ定义为

(2)

式中：Rw为风力机叶轮半径；ωw为风力机角速度；Vw为风速。

由式(1)可知：风力机捕获的风功率由Cp的值及风速决定，当风速一定时，风力机输出功率只同Cp相关。Cp的值同叶尖速比λ及桨距角β如图2所示。

(a)风力机Cp与λ、β的关系曲线

由图2(a)可知，当叶尖速比λ恒定时，随着桨距角β的增加(定义最大受风角为0°)，风力机的风能捕获效率Cp逐渐下降；由图2(b)可知，桨距角不变时，当风力机运行于最佳叶尖速时所捕获的风能最大，图中Pout是各风速下风力机的最大输出功率点的连线，即最佳功率曲线。

因此，在风力机不过载的前提下，为了使风力机捕获功率最大，需要使风力机运行于最佳叶尖速、桨距角调整到最大受风角度(一般定义为0°)。根据贝兹准则，Cp的最大值不超过0.59。

2.2发电机模型

在两相dq同步旋转坐标系下，双馈感应发电机的电压方程和磁链方程为

(3)

(4)

式中：Usd，Usq，Urd，Urq分别为定、转子电压的d、q轴分量；isd，isq，ird，irq分别为定、转子电流的d、q轴分量；Ψsd，Ψsq，Ψrd，Ψrq分别为定、转子磁链的d、q轴分量；Ls为定子的自感；Lm为定、转子之间的互感；Lr为转子自感。

转矩方程为

(5)

2.3四象限变流器模型

背靠背电压源型变流器是由2个结构相同的电压源型变流器(VSC1和VSC2)以“背靠背”方式、通过中间的直流环节耦合而成。两侧变流器与交流系统之间可以进行独立的无功功率交换，但是进行有功功率传输时，两者需要协调控制，以保证直流侧电容电压的恒定。

电网电压空间矢量定向的两相同步旋转坐标系(dq坐标系)下，则背靠背四象限变流器状态方程为

(6)

(7)

(8)

式中：md1=ud1/udc，mq1=uq1/udc，md2=ud2/udc;mq2=uq2/udc；ω1、ω2分别为VSC1、VSC2所联交流电网角频率。

3 基于实际风电场的DFIG联网运行仿真特性

3.1PSCAD/EMTDC仿真系统

PSCAD/EMTDC(Power System Computer Aided Design / Electro-Magnetic Transient in DC System)是由加拿大Manitoba大学高压直流输电研究中心在1999年推出的电力系统电磁暂态分析软件包，它包含有大量电力系统及电力电子元件模型，具有方便的数据输入方式及强大的分析功能，是电力系统分析和工程研究的有力工具。PSCAD/EMTDC仿真系统可以发现系统中断路器操作、故障及雷击时出现的过电压；可对包含复杂非线性元件(如直流输电设备)的大型电力系统进行全三相的精确模拟，其输入、输出界面非常直观、方便；进行电力系统时域或频域计算仿真；电力系统谐波分析及电力电子领域的仿真计算；实现高压直流输电、FACTS控制器的设计[7]。

3.2双馈感应风电机组联网运行系统

以辽宁某实际风电场双馈感应风电机组为例进行研究。在PSCAD仿真平台上建立了如图3所示的双馈感应风电机组的电磁暂态仿真模型，包括风力机模型，双馈感应发电机模型，四象限变流器模型及风电机组运行控制系统模块，分析DFIG联网运行特性,仿真模型参数如表1所示。

图3 仿真系统接线示意图

表1 双馈感应风力发电联网系统参数

3.3仿真结果

算例1：低风速6 m/s时双馈感应风电机组仿真(机组运行仿真波形如图4所示)。

正常运行时，发电机定子绕组相电压标幺值为1.0 pu(定子绕组相电压最大值565 V，有效值为400 V，定子线电压有效值为692 V)；定子绕组相电流最大值为235 A，有效值为166 A；转子绕组相电流最大值为72 A，有效值为51 A，周期为0.078 ms，频率为12.766 7 Hz；直流电容电压维持0.8 kV；转子转速为1 117 r/min，转差为0.255 3，感应发电机定子三相绕组输出有功功率为0.2 MW，转子三相绕组输出有功功率为-0.036 MW(从电网吸收0.036 MW功率)，机组总的有功功率输出为0.164 MW。

图4 风速 6 m/s双馈感应风电机组运行仿真波形图

上述运行条件可知，机组运行于轻载状态。转子三相绕组输出功率(-0.036 MW)，约定子三相绕组输出功率(0.2 MW)的转差倍(0.255 3)，转子绕组电流频率(12.766 7 Hz)也是定子绕组电流频率(50 Hz)的转差倍(0.255 3)。

通过仿真结果可以看出，当风速为6 m/s时，机组各运行参数满足数学模型方程约束，验证了该风速下仿真模型的有效性。

算例2：高风速12 m/s时双馈感应风电机组仿真(波形如图5所示)。

正常运行时，发电机定子绕组相电压标幺值为1.0 pu(定子绕组相电压最大值565 V，有效值为400 V，定子线电压有效值为692 V)；定子绕组相电流最大值为945 A，有效值为670 A；转子绕组相电流最大值为380 A，有效值为268 A，周期为0.257 ms，频率为3.867 Hz；直流电容电压维持0.8 kV；转子转速为1 616 r/min，转差为-0.077 3，感应发电机定子三相绕组输出有功功率为0.8 MW，转子三相绕组输出有功功率为0.046 MW，机组总的有功功率输出为0.846 MW。

图5 风速12 m/s双馈感应风电机组运行仿真波形图

上述运行条件可知，机组运行于额定满载状态。转子三相绕组的输出功率(0.046 MW)约是定子三相绕组输出功率(0.8 MW)的转差倍(0.077 3)，转子绕组电流频率(3.867 Hz)也是定子绕组电流频率(50 Hz)的转差倍(0.077 3)。

通过仿真结果可以看出，当风速为12 m/s时，机组各运行参数满足数学模型方程约束，并且与设计参数值基本一致，验证了该风速下仿真模型的有效性。

不同恒定风速情况下，双馈感应风电机组运行结果见表2，可以看出，各个风速下机组仿真运行参数与设计参数基本一致，验证了所搭建模型的有效性，实现了机组的最佳功率追踪控制。

表2 不同风速下机组设计参数与仿真参数对比

4 结束语

分析了双馈感应风电机组的工作原理及数学模型，基于实际风电场的双馈感应风电机组联网运行系统，在PSCAD/EMTDC平台上建立了仿真模型，包括风力机、双馈感应发电机、四象限变流器及风电机组运行控制系统等仿真模块，对双馈感应风电机组在不同工况下的联网运行特性进行了仿真分析，揭示双馈感应风电机组联网运行特性，电气设备阻抗参数与外特性之间的内在关联关系。

[1] 李俊峰．2013中国风电发展报告[M]．北京：中国环境科学出版社，2014： 2-23.

[2] 刘其辉，贺益康，张建华．交流励磁变速恒频风力发电机的运行控制及建模仿真[J]．中国电机工程学报，2006，26(5)：43-50.

[3] 严干贵，王茂春，穆 钢，等．双馈异步风力发电机组联网运行建模及其无功静态调节能力研究[J]．电工技术学报，2008，23(7)：98-104.

[4] 申 洪，王伟胜，戴慧珠．变速恒频风力发电机组的无功功率极限[J]．电网技术，2003，27(11)：60-63.

[5] 李常信，常福刚，孙 刚，等．东北电网应对大规模新能源接入运行管理机制研究[J]．东北电力技术，2014，35(11)：5-8．

[6] 袁晓东，邱志鹏，李 群，等．双馈型风电机组网侧变流器无功功率调节控制策略[J]．电力自动化设备，2011，31(8)：16-19.

[7] 黄 寻，侯延鹏． 基于PSCAD/EMTDC的双馈型风电机组连锁脱网研究[J]．东北电力技术，2016，37(6)：31-36．

The Simulation Analysis of Integration for Doubly-fed WindGenerators Based on Actual Wind Farms

XU Duo1， HOU Yanpeng2，YANG Junyan1，WANG Honghai1，LIU Zhendong2

(1. State Grid Changchun Power Supply Company，Changchun，Jilin 130000，China；2. State Grid Benxi Power Supply Company，Benxi，Liaoning 117000，China)

With the increase of wind generators connected to the grid, integration characteristics of doubly-fed wind generators, which are widely used in wind power system, play an important role in the interaction between wind farms and grid. Math model of doubly-fed wind generators has been set, including the wind turbine model, generators model and four-quadrant converter model. With the help of PSCAD/EMTDC, doubly-fed wind generator model which is based on the actual wind farms in the northeastern China has been simulated. Networking operation characteristics of wind turbines in different working conditions are analyzed. Internal relations between electrical equipment impedance parameters and external characteristics have been revealed by the simulation results.

doubly-fed wind generators; math model; networking operation; PSCAD/EMTDC

TM315

A

1004-7913(2017)08-0047-04

许 铎(1989)，男，硕士，工程师，主要从事电网调控运行工作。

2017-04-17)