直驱风力发电机组故障电压穿越模型二次侧实测建模方法_石吉银.pdf

doi:10.3969/j.issn.1008-0198.2023.01.011直驱风力发电机组故障电压穿越模型二次侧实测建模方法石吉银(国网福建省电力有限公司电力科学研究院，福建 福州 350007)摘要:直驱风力发电机组穿越模型普遍缺乏实测验证，难以准确计算系统稳定裕度和精确分析故障响应。针对此问题，在分析二次侧故障穿越模拟原理的基础上，进行二次侧电压穿越模拟系统设计，利用最小二乘算法对波形数据进行辨识，并对模型进行验证。结果表明，相较于常规一次侧电压穿越试验，二次侧实测建模方法提高了试验效率，具有较高的仿真精度。关键词:直驱风力发电机组;故障电压穿越;实测建模;二次侧模拟;参数辨识;模型验证中图分类号:TM614文献标志码:A文章编号:1008-0198(2023)01-0063-07收稿日期:2022-09-26修回日期:2022-10-18Secondary Side Measurement Modeling Method of Voltage Faultide Through Model for DirectDriven Wind TurbineSHI Jiyin(State Grid Fujian Electric Power Company Limited Electric Power esearch Institute，Fuzhou 350007，China)Abstract:It is difficult to calculate the system stability margin and analyze the fault response accuratelybecause of the lack of experimental verification for the crossing model of directdriven wind turbine In order tosolve this problem，based on the analysis of the principle of secondaryside fault crossing model，the simulationsystem of secondaryside voltage crossing is designed，the waveform data is identified by the least squarealgorithm，and the model is verified The results show that compared with the conventional primaryside voltagetraversal test，the secondaryside measurement modeling method improves the test efficiency and has highersimulation accuracyKey words:directdriven wind turbine;voltage fault ride through;measurementbased modeling;secondaryside simulation;parameter identification;model validation0引言新能源发电系统建模是一项基础性工作，为电网安全稳定分析和运行控制提供基础模型和数据支撑。但现有新能源发电系统模型普遍缺乏实测验证，难以准确反映实际设备的运行特性，导致系统稳定裕度难以准确计算、故障响应分析不准确等。因此，亟需研究新能源发电系统实测建模方法，利用实测数据进行模型参数辨识，建立与实际运行特性一致的精细化模型。国内外学者对新能源发电系统模型辨识方法做了诸多研究18，但基于实测数据的模型辨识与验证却鲜有报道。文献 9 提出了采用大量型式试验数据研究双馈异步风力发 电 机(double fedinduction generator，DFIG)低电压穿越控制逻辑及功率控制策略，建立了机电暂态模型。型式试验送检设备、现场运行设备的软件版本和参数管理目前尚无有效的管控手段，在实验室环境下建立的模型36第 43 卷第 1 期湖南电力HUNAN ELECTIC POWE2023 年 2 月适应性值得商榷。文献 10 提出了基于人工短路试验实测数据的逆变器参数辨识及模型验证方法。文献 11 采用某风电场人工短路试验的故障录波数据对所辨识的模型参数进行验证。人工短路试验现场极少开展，采用数据进行模型辨识与验证的方法缺乏通用性。文献 12 提出“现场试验控制硬件在环动态链接库建模”的风电机组电磁暂态建模方案，将风电机组的源控制代码封装后接入数字模型，实现了风电机组建模从现场到实验室的跨越。然而，该模型的准确性仍依赖于风电机组暂态特性现场试验数据。文献 13 提出了一种在二次侧测量信号上施加扰动的方法，对内环和外环参数进行分步解耦辨识，但设备厂商通常未配备相应的二次信号硬件接口。文献 14 基于现场低电压穿越试验实测数据，采用改进的遗传算法对相关参数进行了辨识，建立了某风电场实际DFIG 的全运行工况下电磁暂态仿真模型。文献 15 采用改进粒子群优化算法，基于实测数据对直驱永磁风电机组低电压穿越模型进行了参数整定及模型验证。文献 16 对实际直驱风机进行了大量故障穿越测试，利用实测数据解析了风机的故障响应特性，提出了适用于对称和不对称电压跌落的通用故障穿越响应曲线。文献 17 基于典型低电压穿越控制策略，采用最小二乘估计法完成了逆变器低穿控制环节的参数辨识。文献 18 提出了基于参数影响程度的分类确定方法，并采用参数实测拟合的方法建立了 DFIG 的机电暂态模型。文献 1418 需要借助大型实验设备开展一次侧电压穿越试验，获得用于参数辨识的各种电气量。此外，文献 1920 对电压穿越设备进行了研究，提出了不同的故障电压模拟系统。一次侧电压穿越试验需要将实验设备接入高压电网，试验人员、设备和电网均面临一定的安全风险。此外，因电压穿越实验设备昂贵，国内配置该设备的检测试验单位并不多;加之设备运输、安装等费用，导致电压穿越试验项目费用较高。随着实测建模工作不断推进，迫切需要研究更加安全可靠、易于实施的试验方法。直驱风力发电机组电压穿越模型是整体模型的重要组成部分，实测建模工作也是较难完成的测试项目。本文首先对变流器控制系统二次电压引入扰动，分析控制模型传递函数所受的影响。其次，设计了故障电压穿越模拟系统，获得用于模型参数辨识的波形数据。最后，利用最小二乘算法对波形数据进行辨识并对模型进行验证，结果表明了本文方法的可行性。相较于常规一次侧电压穿越试验，二次侧实测建模方法提高了试验效率，降低了安全风险并可节省试验成本。1二次侧故障电压穿越模拟原理直驱风力发电机组 网 侧 变 流 器(grid sideconverter，GSC)及接入电网设备一次拓扑结构如图 1 所示。其中，udc为逆变器直流电压(本文均采用标幺值)，uc为逆变器输出交流电压，c和 Lc分别为逆变器滤波器电阻和电感，us和 is分别为逆变器并网点电压和电流，T 为升压变压器，ug为电网 G 等效电源电压。图1网侧变流器及接入电网设备一次拓扑结构GSC 对应的控制模型如图 2 所示，其中 udc_ref为直流电压给定，usd2和 usq2分别为控制器接入的并网点二次电压 dq 轴分量，ucd和 ucq分别为控制器输出电压 dq 轴分量，kpu和 kiu分别为直流电压外环 PI调节器比例和积分系数，kpi和 kii分别为内环 dq 轴电流 PI 调节器比例和积分系数(d、q 轴相同)，id_ref和 iq_ref分别为内环 dq 轴电流给定，id和 iq分别为内环 dq 轴电流。为提高系统的功率因数，正常情况下 GSC 控制器 q 轴给定电流为 0。当系统电压超过正常运行范围时，GSC 控制器进入故障穿越(fault ride through，FT)控制模式，q 轴的电流给定切换为 Iq_rt。图 2网侧变流器控制模型按照现行标准，故障穿越模式下，控制器给定的无功电流为:Iq_rt=Kq(Us2 1.1)，Us2 1.1，1.3;Iq_rt=+Kq(0.9 Us2)，Us2 0.2，0.9。(1)46第 43 卷第 1 期湖南电力2023 年 2 月式中，Kq为电压穿越期间无功电流支撑系数，根据标准要求不低于 1.5;Kq前“”号表示感性无功电流，“+”号表示容性无功电流;Us2为控制模型输入的并网点二次电压幅值。经过前馈补偿和 dq 轴解耦控制的电流内环控制函数可表示为:ucd=usd2(kpi+kiis)id_ref id+Lciqucq=usq2(kpi+kiis)iq_ref iqLcid(2)电压外环控制函数可表示为:id_ref=(kpu+kius)udc_ref udc(3)设 usd和 usq分别为并网点电压 dq 轴分量，由图 1 可知:usd ucd=(c+Lcs)idLciqusq ucq=(c+Lcs)iq+Lcid(4)在开展电压穿越试验时，通常在一次侧将电网故障模拟系统接入并网点，使控制器检测到的 Us2发生变化而进入电压穿越模式。显然，这种电压变化也可以在系统的二次侧来模拟，仅需将所检测到的电压乘以系数 k 即可。在二次侧引入电压系数 k并考虑 d 轴锁相可得:usd2=kusd=Us2usq2=kusq=0(5)联立式(2)(5)，得变流器控制模型传递函数为:id=(kpis+kii)(kpus+kiu)udc_ref udcs Lcs2+(c+kpi)s+kii(k 1)usds Lcs2+(c+kpi)s+kiiiq=kpis+kiiLcs2+(c+kpi)s+kiiiq_ref(6)分析式(6)可知，二次侧引入电压系数 k 之后，iq传递函数表达式中不包含电压系数 k 的相关项，说明 q 轴分量的控制性能不受电压系数 k 的影响。控制器所检测到的电压变为原来的 k 倍且满足式(1)的电压范围条件时，系统将进入电压穿越模式。在电压穿越期间，无功电流给定由式(1)决定。当然，式(6)id传递函数中除了正常控制的分量外，还包含与 k 值相关的附加项。这个附加项将引起 d 轴控制分量的波动，而且 k 值偏离 1 的程度越大，d 轴分量波动越大。但这种 d 轴分量的波动将由 PI 控制器快速平抑，在 dq 轴完全解耦的系统中，q 轴分量控制不受该波动的影响。电压穿越模型参数包含两部分，其一是电压穿越期间无功支撑系数，即式(1)中的 Kq值;另一部分则是式(6)中 iq函数的 PI 参数。本文通过模拟电压穿越期间的阶跃扰动，利用参数辨识的方法来获得以上参数。2二次侧电压穿越模拟系统设计电压系数 k 的模拟包含两种方式，即软件模拟和硬件模拟。不论采用何种方式，考虑控制参数在不同状态下可能发生变化，首先应设置合适的 k 值使系统进入电压穿越状态。然后，在该状态下再次改变电压系数 k，使系统发生无功电流阶跃响应以获得用以辨识的波形数据。值得注意的是，该阶跃响应过程中，控制器的 PI 限幅环节不能动作，且PWM 调制不能进入非线性工作区域。2.1软件模拟当 k 值发生阶跃使控制系统进入电压穿越状态后，无功电流指令为 Iq_rt。设电网电压为 Ug0，变流器并网点与电网之间的电抗为 Xg，忽略有功分量对电压的影响，有:UsUg0 j(jIq_rt)Xg=Ug+Iq_rtXg(7)式中，Us为并网点一次侧电压幅值。易知 Us2=kUs，联立式(1)和式(7)可得:k=Us2Ug Kq(Us2 1.1)Xg，Us2 1.1，1.3;Us2Ug+Kq(0.9 Us2)Xg，Us2 0.2，0.9。(8)式中，Kq可采用预设值，一般为 1.53;给定需要模拟的 Us2即可计算需要设定的 k 值。在控制系统软件并网点电压采样环节开放倍乘系数接口，可采用如图 3 所示的控制环节。在正常运行工况下，k 设置为 1。在 trt1时间段内，设置 k1使 Us2略小于 0.9 或略大于 1.1 的数值，控制器检测的电压满足式(1)条件便进入电压穿越状态。在 trt2时间段内，修改电压系数为 k2(0.2Us20.9或 1.1Us21.3)，使系统在电压穿越状态期间发56第 43 卷第 1 期石吉银:直驱风力发电机组故障电压穿越模型二次侧实测建模方法2023 年 2 月生无功电流阶跃。在 trt3时间段内，将电压系数修改回 k1，系统无功电流阶跃复归。值得注意的是，为防止逆变器超出额定电流，依据 k1或 k2计算的Iq_rt应满足:I2q_rt+I2d 1(9)式中，Id为当前有功电流。图 3电压系数 k 软件模拟控制框图此外，为防止控制器检测的电压超出式(1)中的电压范围发生脱网情况，应在控制框图中设置限幅环节。当模拟高电压穿越时，k 值小于上限klimu;当模拟低电压穿越时，k 值大于下限 klimd。k值上限和下限为:klimu=1.3Ug 0.2KqXgklimd=0.2Ug+0.7KqXg(10)软件模拟方法具有操作简单、系统响应速度快的特点。但这种方式需要设备厂商开放软件模拟接口，现场实施过程中存在一定困难。在这种情况下，可在电压二次回路串接电压调节设备，模拟电压穿越工况。2.2硬件模拟硬件模拟的方法与软件模拟方法类似，可通过隔离变压器来实现电压系数 k 的变化，电路设计如图 4 所示。其中，T1和 T2为可调隔离变压器，1和 2为限流电阻，SW1和 SW2为旁路开关，ST 为电压二次回路试验端子，连接片 SC 可开断回路。图 4电压系数 k 硬件模拟电路图 4 电路中，A1B1和 B1C1组成二级调压回路。其中，限流电阻 1和 2的作用是防止旁路开关闭合后调压隔离变压器电流过大，但其值不能影响调压回路接入电压二次回路后的电压采样精度。设 T1和 T2的变比分别为 kT1和 kT2，则电路的等效调压系数为 kT1kT2。令 k1=kT1，k2=kT1kT2，则该电路可按照图 3 所示的电压控制时序开展故障电压穿越试验，操作步骤如下。1)在控制器正常运行工况下，将调压回路 A1端接入试验端子 A2侧，此时调压回路中 A1、B1、C1点电压均为系统正常运行电压。2)断开 SW1和 SW2，参照式(8)调整 kT1和kT2，使 B1和 C1点输出期望电压。3)合上 SW1和 SW2，将调压回路 C1端接入试验端子 C2侧。4)将试验端子 ST 的连接片 SC 断开。5)断开 SW1，控制系统进入电压穿越模式。6)经过 trt1时间后断开 SW2，控制系统在电压穿越模式下发生无功电流阶跃。7)经过 trt2时间后合上 SW2，控制系统无功电流阶跃复归。8)经过 trt3时间后合上 SW1，控制系统退出电压穿越模式。9)连接试验端子 SC 连接片，拆除试验接线。该硬件模拟系统结构简单，操作简便，易于现场实施。但在调压回路接入电压二次回路时，由于电感元件的存在，系统的响应速度较慢，暂态过程响应不明显。然而，在隔离变压器进行旁路操作时，电感元件被瞬间短接，可使控制系统产生明显的暂态扰动，波形更适合参数辨识。3仿真验证及建模分析在 MATLAB/Simulink 中搭建如图 1 所示的直驱风力发电系统，网侧变流器采用如图 2 所示的控制模型，仿真模型参数见表 1。表 1仿真模型参数项目数值额定容量/MW1.5并网点额定电压/V690直流母线电压/V1 200直流电容/mF50交流滤波电感 Lc/mH0.5交流滤波电阻 c/0.02交流滤波电容/mF0.01采样时间常数/ms0.1项目数值电压外环 kpu5电压外环 kiu40电流内环 kpi0.3电流内环 kii150调制策略SPWM调制电平三电平开关频率/kHz5仿真步长/s1053.1电压系数 k 与无功电流阶跃对比仿真由前述分析可知，控制系统进入电压穿越模式66第 43 卷第 1 期湖南电力2023 年 2 月过程中，无功电流发生阶跃响应。为验证这一过程，首先进行电压系数 k 阶跃仿真试验。在0.6 s时刻，电压系数 k 由1.00 跃变为1.29;在0.7 s 时刻，电压系数 k 由 1.29 跃变为 1.00。模型中 Ug为1.00，Xg为 0.06，设 Kq为 2.00，由式(8)可反算 k=1.29 时，Us2为 1.265;再由式(1)可得 q轴的给定 Iq_rt为0.330。然后进行无功电流阶跃仿真，保持 k 值为 1.00，在 0.6 s 时刻将无功电流给定 iq_ref设定为0.330，而在 0.7 s 时刻将 iq_ref设定为 0。两次仿真采用相同的参数，波形如图 5所示。(a)有功电流(b)直流电压(c)无功电流图 5电压系数 k 与无功电流阶跃对比仿真由图 5 可知，电压系数 k 发生阶跃过程中，图5(a)中有功电流分量发生明显扰动，同时图5(b)中直流电压也发生波动;约 15 ms 后，该扰动分量消失。值得注意的是，直流电压的扰动并不大，通常不会引起 Crowbar 卸荷电路动作。即使卸荷电路动作，直流电压的波动也只会更快得到抑制。而无功电流阶跃仿真波形中未观察到类似于 d轴分量的波动，说明仿真模型 dq 轴控制实现了完全解耦。从图 5(c)可以看出，两次仿真的无功电流波形几乎完全重合，说明电压系数 k 阶跃对 q轴而言等同于无功电流阶跃。3.2故障电压穿越仿真采用硬件模拟方式进行高电压穿越仿真，软件模拟方式及低电压穿越可参照开展。在 trt1时间段内，Us2设定为 1.15，由式(8)计算可得 k1=1.157，调整 T1变比为 100/115.7(原边/副边)。在 trt2时间段内，Us2设定为 1.29，由式(8)计算可得 k2=1.321。因此可计算 kT2=k2/kT1=1.142，即调整 T2变比为 100/114.2(原边/副边)。采用硬件模拟中所述方法进行 k 值阶跃仿真，波形如图 6 所示。在 0.6 s 时刻 SW1断开，电压系数变为 k1，系统进入高电压穿越模式，仿真波形为图 6(a)和图 6(b)中 AB 段。在 0.7 s 时刻SW2断开，电压系数变为 k2，无功电流发生阶跃，阶跃量为 Kq(1.151.29)=0.28，仿真波形为图 6(a)和图6(b)中 CD 段。在1.0 s 时刻 SW2闭合，电压系数变回 k1，仿真波形为图 6(a)和图 6(b)中 EF 段;在 1.1 s 时刻 SW1闭合，系统退出高电压穿越模式，仿真波形为图 6(a)和图 6(b)中 GH 段。从图 6(a)和图 6(b)容易看出，在 T2投入过程中，CD 段波形变化较为缓慢。而在 SW2闭合过程中，EF 段波形阶跃过程明显，因此选择该段波形进行参数辨识。(a)并网点电压(b)无功电流(c)参考电压图 6二次侧高电压穿越波形76第 43 卷第 1 期石吉银:直驱风力发电机组故障电压穿越模型二次侧实测建模方法2023 年 2 月根据表 1 可计算参考电压工作在线性区的最大值为 1.065 p.u.，而由图 6(c)可知，在 EF 段波 形 阶 跃 过 程 中，参 考 电 压 瞬 时 最 大 值 为1.036 p.u.，说明变流器仍工作在线性区。3.3参数辨识与模型验证3.3.1参数辨识式(6)无功电流控制模型包含逆变器滤波器参数、无功电流给定参数和 PI 调节器参数。逆变器滤波器 c和 Lc可采用铭牌数据，视为已知量。无功电流给定参数由式(1)中的无功电流支撑系数 Kq决定，可采用图 6 中 DE 段稳态数据对其进行辨识。选择 DE 段 0.81.0 s 并网点电压和无功电流数据，可计算 Us2平均值为 1.291，无功电流为0.383。因模型中 PI 调节器为无差调节，可认为Iq_rt等于0.383，代入式(1)可得 Kq=2.005。采用最小二乘算法对故障电压穿越无功电流模型 PI 参数进行辨识。利用双线性变换对式(6)中的无功电流模型进行离散化处理，可得电流内环q 轴离散传递函数为:Gq(z)=iqiq_refs=c1z11+z1=0+1z1+2z21+1z1+2z2(11)式中，c 为变换系数，设 Ts为采样时间，则 c=2/Ts;1、2、0、1、2为待辨识参数，1=2(kiic2Lc)/M，2=kiic(kpi+c)+c2Lc/M，0=(ckpi+kii)/M，1=2kii/M，2=(kiickpi)/M，M=kii+c(kpi+c)+c2Lc;z 为离散变量。由离散化的传递函数，得到对应的差分方程为:iq(n)=1iq(n 1)2iq(n 2)+0iq_ref(n)+1iq_ref(n 1)+2iq_ref(n 2)(12)式中，n 3，4，N，N 为离散数据长度。式(12)对应的向量方程为:IqN=N(13)式中，IqN=iq(3)，iq(4)，iq(N)T;=1，2，0，1，2T;N=3，4，NT，N=iq(N1)，iq(N2)，iq_ref(N)，iq_ref(N1)，iq_ref(N2)。式(13)最小二乘估计值为21:=(TNN)1TNIqN(14)式中，为 的估计值。选取 EF 段并网点电压数据，结合已辨识的 Kq值，利用式(1)计算 q 轴模型的无功输入指令iq_ref，与仿真计算的无功电流 iq数据代入式(14)便可得到 的估计值。结合 的定义可计算 PI 参数，辨识结果见表 2。由表 2 可知，电流内环 kpi和kii的辨识精度不高，主要原因是电流内环控制参数的辨识灵敏度较低22。表 2模型参数辨识结果项目真值辨识值误差/%无功电流支撑系数 Kq2.02.0050.26电流内环 kpi0.30.3134.33电流内环 kii150.0175.15016.773.3.2模型验证对所辨识的模型进行仿真，将并网点电压和无功电流波形与实际模型进行对比，结果如图 7 所示。依据现行标准对辨识的模型进行偏差分析，结果见表 3，各偏差定义见文献 23。(a)并网点电压(b)无功电流图 7辨识结果仿真波形表 3模型偏差结果项目并网点电压/p.u.无功电流/p.u.误差限值稳态平均偏差 F11.101054.251070.07暂态平均偏差 F24.701053.981040.20稳态绝对偏差 F37.571043.501030.10暂态绝对偏差 F42.151039.281030.30由表 3 数据可知，所辨识的模型数据与实际模型数据偏差很小，且均在偏差限值范围内。虽然电86第 43 卷第 1 期湖南电力2023 年 2 月流内环 PI 参数辨识精度不高，但由于电流内环参数对系统整体动态特性影响较小，辨识模型仍具有较高的仿真精度。4结论针对故障电压穿越模型难以现场试验验证的问题，提出了一种直驱风力发电机组电压穿越模型二次侧实测建模方法，主要结论如下。1)二次侧电压乘以系数 k 之后，变流器 d 轴控制模型传递函数发生改变，产生附加分量，使有功电流发生扰动，这种扰动会在短时间内被 PI 调节器抑制;而 q 轴控制模型传递函数不受影响，其给定量因系统进入电压穿越模式发生改变，无功电流发生等同于正常控制系统的阶跃响应。2)设计了电压系数 k 模拟方法，对软件模拟方式给出了 k 值计算方法及时序控制;对硬件模拟方法给出了电路设计和操作流程。所设计的 k 值模拟方法能按设定的时序使控制系统进入电压穿越状态，并在此状态中发生阶跃响应。3)利用阶跃响应稳态电压和无功电流数据辨识无功电流支撑系数 Kq;利用最小二乘算法对无功阶跃响应动态数据进行辨识，得到故障电压穿越模型 PI 参数。对所辨识的模型进行仿真验证，结果表明该模型具有较高的精度。4)与常规采用一次侧电压穿越试验验证模型的方法相比，二次侧电压穿越模拟方法操作简单，安全性高，易于现场实施。参考文献 1 刘侃，贾祺，翟文超，等 面向次同步振荡的直驱风电机组阻抗频率响应特性辨识 J 智慧电力，2021，49(9):39-46 2 张剑，何怡刚 基于轨迹灵敏度分析的永磁直驱风电场等值模型参数辨识 J 电工技术学报，2020，35(15):3303-3313 3 侍乔明，付立军，李海英，等 直驱永磁风力发电机组的频率响应简化模型及其应用 J 智慧电力，2020，48(1):42-48，90 4 赵伟哲，崔成，严干贵，等 用于次同步振荡分析的直驱风电场等值模型 J 智慧电力，2022，50(2):22-28，68 5 高峰，黄鸣宇，乔颖，等 考虑低电压穿越的风电场双机聚合模型J 电力建设，2016，37(6):86-95 6 Cheng X Y，LEE W J，Sahni M，et al Dynamic equivalent modeldevelopment to improve the operation efficiency of wind farm J IEEE Transactions on Industry Applications，2016，52(4):2759-2767 7 Moghaddam I N，Salami Z，Easter L，et al Sensitivity analysis ofan excitation system in order to simplify and validate dynamic modelutilizing plant test data J IEEE Transactions 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