基于实测参数辨识的双馈风机机电暂态建模研究

何廷一，李胜男，黄伟，吴水军，张杰，沐润志，和鹏，郭晓宇

（1.云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明650217；2.云南电力调度控制中心，昆明650011；3.云南电力试验研究院（集团）有限公司，昆明650011）

0 前言

云南电网与南方电网主网异步联网后，系统容量变小、抗扰动能力变差[1-2]；新能源发展迅猛，截止2019年初，云南新能源装机已达1157万千瓦[3]，并且枯水期，部分地区发电量最高比重已接近50%。云南电网特性的改变以及大规模高占比新能源的并网发电使得云南电网必须考虑新能源对电网的影响，而新能源机组的仿真模型和参数作为大规模电网仿真分析的基础也随之成为亟待解决的问题。

本文从目前电网新能源机组仿真模型存在的问题出发，介绍了双馈风电机组控制模型，基于PSD-BPA 程序开展了不同低电压穿越试验情况下大龙口风电场东汽1.5 MW 双馈风电机组的实测参数辨识工作。通过实际电网的算例进行仿真与实测的对比，验证了模型的准确性和实用性。

1 目前存在的问题

目前大电网机电暂态仿真中风电机组模型主要采用GE 模型，但是GE模型的特性与现场机组的特性存在差异，以下为1.5 MW GE 双馈风电机组与大龙口风电场1.5 MW 东风电气风电机组的实测数据的比较图。

由图1可知，GE双馈风电机组与1.5 MW东风电气双馈风电机组的跌落电压基本一致，但是风电机组有功功率与无功功率差异明显，简单采用GE模型来模拟现场双馈机组的特性用于大电网系统分析是存在问题的。

2 双馈风电机组控制模型

双馈风电机组感应发电机的动态控制是通过功率变流器来控制实现的，利用变流器电网的电气频率与转子的机械转矩解耦，从而实现变速运行。

图1 GE双馈机组与1.5 MW东气双馈机组的仿真与实测数据比较图

图2双馈异步发电机控制系统框图

2.1 双馈电机的PQ控制原理

当双馈电机采用定子电压定向控制时，在忽略定子电阻R 的情况下，定子电压矢量与定子磁链矢量之间存在如下的近似关系：

当同步转速旋转坐标系的d 轴定向于定子电压矢量US上时，有：

其中，Us为定子电压矢量的幅值。

在定子电压定向条件下，由下式确定的双馈电机定子功率的表达式简化。经推导，定子功率为：

带入可得有功功率和无功功率：

由上两式可见，定子有功功率和定子无功功率在一定的近似条件下，都分别只受转子ird和irq的影响，据此，如果对转子电流进行dp轴解耦控制，则可以实现对于双馈发电机有功、无功的解耦控制。

2.2 转子侧变流器的PQ控制模型

转子侧变流器的控制：主要控制目标是在给定的运行条件下（主要是风速）从风能中捕获最大功率。其对双馈异步发电机的电磁转矩进行控制，是转子始终按照最大功率跟踪曲线对应的最佳转速运行。通过转速控制回路可获取转矩参考值。转子d 轴电流控制器用于保证实际转矩与其参考值相等，转子q 轴电流控制器用于控制无功功率，控制框图见图3（a）所示。BPA 中转子侧变频器PQ模型包括本身的控制以及与之相关的主控部分，见图3（b）所示。实际机组中，正常状态下变频器控制响应主控命令进行控制，在电网故障发生后，变频器控制主导整个控制部分。

图3机侧变频器控制示意图

2.3 网侧变流器的PQ控制模型

网侧变流器控制：直流环节的电压调节是通过控制网侧变换器的d 轴电流来控制有功功率进而实现的。对网侧变换器的q 轴电流进行独立控制，进而实现输出无功的控制，控制框图见图4（a）所示。BPA 中网侧变频器PQ模型包括本身的控制以及与之相关的主控部分，见图4（b）所示。

图4网侧变频器控制示意图

2.4 桨矩角控制系统模型

BPA 中桨矩角控制系统的控制模型如图5所示。

图5桨矩角控制模型一般结构图

3 实测参数辨识仿真与实测比对

依据楚雄大龙口风电场1.5 MW 东汽双馈机组的低电压穿越试验数据开展了基于实测参数辨识的双馈风电机组机电暂态建模和仿真与实测对比。比对内容主要包括：箱变高压侧正序电压、风电机组有功功率和风电机组无功功率。

图6为箱变高压侧发生三相短路，电压跌落深度为35%Un 时大龙口风电场1.5 MW 东汽双馈风电机组仿真曲线与实测对比结果，基本吻合。

图7为箱变高压侧发生AC 相短路，短路阻抗与图5 设置相同时大龙口风电场1.5 MW 东汽双馈风电机组仿真曲线与实测对比结果，基本吻合。

图8为箱变高压侧发生三相短路，电压跌落深度为20%Un 时大龙口风电场1.5 MW 东汽双馈风电机组仿真曲线与实测对比结果，基本吻合。

图9为箱变高压侧发生AC 相短路，短路阻抗与图7 设置相同时大龙口风电场1.5 MW 东汽双馈风电机组仿真曲线与实测对比结果，基本吻合。

图6三相电压35%跌落时仿真与实测数据比较图

图7 AC相电压跌落920ms 时仿真与实测数据比较图

图8三相电压20%跌落时仿真与实测数据比较图

图9 AC相电压跌落625 ms时仿真与实测数据比较图

4 结束语

本文针对目前电网BPA 机电暂态仿真中普遍采用GE双馈模型代替国产双馈风电机组的问题进行研究。通过对比GE 双馈机组模型仿真曲线与实测东汽双馈风电机组曲线说明简单采用GE风机模型是不能完全模拟实际风机特性。

介绍了PSD-BPA 双馈风电机组控制模型，并依据楚雄大龙口风电场1.5 MW 东汽双馈机组的低电压穿越试验数据开展了基于实测参数辨识的双馈风电机组机电暂态建模工作，仿真结果与实测结果吻合较好（仿真与实测的误差由于现场短路深度设置误差导致，误差小于标准要求,详见文献[4-6]），说明该模型能够基本满足目前大电网机电暂态仿真的需要。