基于PSD-BPA的双馈风电机组分段故障穿越特性及控制模式分析.pdf

基于PSD-BPA的双馈风电机组分段故障穿越特性及控制模式分析刘宇1，丛雨1，郝晓玮2，原帅1，王琪1（1.内蒙古电力（集团）有限责任公司内蒙古电力科学研究院分公司，呼和浩特010020；2.内蒙古电力（集团）有限责任公司，呼和浩特010010）摘要：针对双馈风电机组故障穿越控制模式不清晰，在建立机电暂态模型时采用单一控制模式无法准确反映实际特性的问题，对风机控制器进行了硬件在环测试，得到其在不同电压跌落深度下的故障穿越特性，发现双馈风电机组在低电压过渡期间的无功控制模式为指定无功电流模式，有功控制模式为指定有功电流模式，但电压跌落深度在00.7（p.u.）和0.7（p.u.）0.9（p.u.）时，控制参数存在显著差异。因此，辨识出双馈风电机组分段控制参数，进而建立精确的机电暂态模型，确保模型满足电力系统仿真需求，提高新能源消纳能力和电网安全稳定运行水平。关键词：双馈风电机组；故障穿越；控制模式；机电暂态；低电压过渡文献标志码：B文章编号：1008-6218（2023）03-0008-08中图分类号：TM315doi:10.19929/ki.nmgdljs.2023.0034基金项目 内蒙古自治区科技重大专项“适应高比例新能源消纳的储能电站协调运行控制关键技术研究与示范应用”（2021ZD0026）；内蒙古电力(集团)有限责任公司科技项目“基于数模混合仿真的新能源频率电压支撑电网技术研究”（2022-17）内 蒙 古 电 力 技 术INNER MONGOLIA ELECTRIC POWERA n a l y s i so fSe g me n t e dFa u l tRi d e T h r o u g hCh a r a c t e r i s t i c sa n dCo n t r o lM o d e so fD o u b l e Fe dW i n dT u r b i n e sBa s e do nPSD-BPALIU Yu1,CONG Yu1,HAO Xiaowei2,YUAN Shuai1,WANG Qi1（1.Inner Mongolia Power(Group)Co.,Ltd.,Inner Mongolia Power Research Institute Branch,Hohhot010020,China;2.Inner Mongolia Power(Group)Co.,Ltd.,Hohhot010010,China）A b s t r a c t：In order to solve the problem that the fault ridethrough control mode of doublefed wind turbine is not clear,andtheactualcharacteristicscannotbeaccuratelyreflectedbyusingasinglecontrolmodewhenestablishingtheelectromechanical transient model,the hardware in the loop test is carried out on the fan controller,and its fault ridethrough characteristics under different voltage drop depths are obtained.It is found that the reactive power control mode ofthe doublefed wind turbine during the low voltage crossing period are the specified reactive current mode and the activecontrol mode is the specified active current mode.However,there are significant differences in the control parameters whenthe voltage drop depth is from 0 to 0.7(p.u.),from 0.7(p.u.)to 0.9(p.u.),or above.Therefore,the segmented controlparameters of doublefed wind turbines are identified,and an accurate electromechanical transient model is established toensure that the model can meet the simulation requirements of the power system,and improve the new energy consumptioncapacity and the safe and stable operation level of the power grid.K e yw o r d s：doublefed wind turbines;fault ride through;control mode;electromechanical transient;low voltage ride through引用格式：刘宇，丛雨，郝晓玮，等.基于PSD-BPA的双馈风电机组分段故障穿越特性及控制模式分析J.内蒙古电力技术，2023，41（3）：815.LIU Yu,CONG Yu,HAO Xiaowei,et al.Analysis of Segmented Fault RideThrough Characteristics and Control Modes of DoubleFedWind Turbines Based on PSD-BPAJ.Inner Mongolia Electric Power,2023,41(3):815.2023年第41卷第3期80引言近年来，国家提出2030年实现“碳达峰”、2060年实现“碳中和”的重大战略目标，构建以新能源为主体的全新型电力系统被视为实现双碳目标的重要途径，风力发电作为较成熟的新能源产业，得到大规模发展1-6。但随着接入电网的风力发电场及风电机组的数量增多，其自身的不稳定性给电网带来了新的挑战，尤其是当电网内的风力发电占比较高时，电网的扰动可能会导致风电机组的大面积脱网，进而扩大事故范围、造成严重的经济损失7-11。因此，国标要求并网风电机组应具备故障电压穿越能力，并在电网故障期间向电网提供无功电压支撑，保证整个电力系统的稳定12。此外，随着大电网仿真技术的不断发展，仿真的结果已能够向电网调度部门提供一定的决策支撑13-16，因此很多地区电网也要求并网的风电机组应能提供与本机实际故障穿越特性相符的模型17。其中，风电机组的机电暂态模型主要基于美国PSD-BPA软件（简称BPA）进行构建。中国版BPA由中国电力科学研究院引进并不断完善，可满足电网的潮流计算、暂态稳定计算、短路计算等需求18。准确的风电机组机电暂态模型是保证大电网仿真结果精准可用的基础19-20。在BPA中，风电机组模型是否准确取决于其在故障期间的控制模式是否准确21-24。部分型号双馈风机虽然具备故障穿越能力，但其故障期间的控制模式却无法与厂家提供的参数对应，因此对建模造成了极大阻碍。针对上述问题，本文以某型号双馈风电机组为研究对象，对其控制器进行了硬件在环测试，得到不同电压跌落深度下的故障穿越特性，并进一步分析其故障期间的有功和无功控制模式，辨识其控制参数，为精确建立机电暂态模型提供了重要依据，确保模型满足电力系统仿真需求，提高新能源消纳能力和电网安全稳定运行水平。1双馈风电机组仿真模型关键参数某风电场使用单机容量为5.2 MW的双馈风电机组，为了对该风电机组开展精确建模及参数辨识仿真分析工作，介绍该机组仿真模型和控制原理，以及机组故障穿越仿真分析时涉及的关键参数。1.1仿真模型和控制原理双馈风电机组通过功率变流器来实现电网电气频率与转子机械转矩解耦，进而实现动态控制和变速运行25-27。动态控制包括网侧变流器控制和机侧变流器控制28-29。其中，网侧变流器控制用于输出网侧变流器的有功和无功电流指令，有功电流指令用于控制直流侧电容和电压恒定，无功电流指令用于控制网侧变流器发出的无功功率，一般设置输出为零30。机侧变流器控制则包括故障穿越状态判断、稳态运行控制和故障穿越运行控制，用于输出机侧变流器有功电流指令和无功电流指令31-32。双馈风电机组是否进入故障穿越是由机侧变流器控制模块中的故障穿越状态判断模块决定的。该模块通过检测双馈风电机组机端电压，并根据低电压过渡曲线进行判断，当风电机组机端电压满足低电压过渡曲线的允许运行范围时，机侧变流器电流指令为稳态运行控制模块的输出；否则，机侧变流器电流指令为故障穿越运行控制模块的输出。1.2故障穿越特性仿真分析关键参数BPA中双馈风电机组模型包含多个控制模块，其中控制风电机组故障穿越的几个主要模块如图1所示14。电网正常运行时，有功电流指令和无功电流指令通过EP和EZ模块输出。当电网发生故障时，EV会根据机端实时电压判断是否进入低电压过渡（简称低穿），风电机组低穿要求见图2，如果机端电压进入国标要求的低穿范围内，则由LP和LQ模块输出有功和无功电流指令。1.2.1有功控制LP模块为风机故障穿越期间的有功控制模块，参照三段式故障穿越模拟方法（见图3），该模块可设置故障期间的有功控制模式、有功恢复起点控制模式和有功恢复过程控制模式。常用的故障期间的有功控制模式包括指定有图1双馈风电机组故障穿越控制模型框图Fig.1 Fault ridethrough control model fordoublefed wind turbines机端电压故障穿越状态判断EV正常运行有功控制EP正常运行无功控制EZ故障穿越有功控制LP故障穿越无功控制LQ有功电流指令无功电流指令有功电流指令无功电流指令正常运行电网故障电流限制模块ES有功电流指令无功电流指令发电机模型MM（简化电流源）2023年第41卷第3期刘宇，等：基于PSD-BPA的双馈风电机组分段故障穿越特性及控制模式分析9功功率模式和指定有功电流模式。指定有功功率模式为：Pr=KPP0+PS，（1）式中：Pr为模型输出的有功功率参考值；KP为系数；P0为初始有功功率；PS为故障期间的有功功率控制值。指定有功电流模式为：IPr=KVVt+KIIP0+IPS，（2）式中：IPr为模型输出的有功电流参考值；KV、KI为系数；Vt为端电压幅值；IP0为初始有功电流；IPS为故障期间的有功电流控制值。常用的故障恢复起点控制模式包括指定故障期间有功电流和指定故障期间有功功率模式。指定故障期间有功电流模式为：IPr=min()KIIP0+IPS,IP0。（3）故障期间的有功恢复过程控制模式包括指定斜率恢复模式和按惯性曲线恢复模式。1.2.2无功控制LQ模块为风机故障穿越期间的无功控制模块，参照三段式故障穿越模拟方法（见图4），该模块可设置故障期间的无功控制模式、无功恢复起点控制模式和无功恢复过程控制模式。故障期间的无功控制模式包括指定无功功率模式和指定无功电流模式，但因国标中明确提出了风电机组在故障穿越期间向电网提供无功电流支撑的要求，风机厂商一般会将风机的无功控制模式默认设置为指定无功电流模式，即：IQr=KV()VS-Vt+KIIQ0+IQS，（4）式中：IQr为模型输出的无功电流参考值；VS为进入故障穿越状态的电压判据值；IQ0为初始无功电流；IQS为故障期间的无功电流控制值。2双馈风电机组故障穿越特性为了解双馈风电机组在故障穿越期间的实际特性，将双馈风电机组实物控制器接入RT-LAB硬件在环仿真平台，通过数模混合仿真的方式开展故障穿越实测工作33-34。风机初始功率为0.986（p.u.），模拟三相电压跌落对称故障，按照表1所示故障深度和持续时间设置故障点，测试结果如图57所示。图4三段式故障穿越模拟方法（无功功率）Fig.4 Threestage fault ridethrough simulationmethod(reactive power)tt1Q图中：故障期间的无功控制模式；无功恢复起点控制模式；无功恢复过程控制模式。t2图3三段式故障穿越模拟方法（有功功率）Fig.3 Threestage fault ridethrough simulationmethod(active power)tt1t2t3t4P图中：故障期间的有功控制模式；有功恢复起点控制模式；有功恢复过程控制模式。图2风电机组低穿要求Fig.2 Low voltage ridethrough requirements forwind turbines电网故障引起电压跌落风电机组可以从电网切出要求风电机组不脱网连续运行1.21.00.80.60.40.20-101234U（p.u.）t/s表1模拟故障点参数设置Tab.1 Parameters setting of simulation fault point故障深度/%2035506065707580故障持续时间/ms6259201214141015091607170518032023年第41卷第3期内 蒙 古 电 力 技 术103双馈风电机组故障控制模式分析3.1无功控制模式根据图5（b）和图5（d）判断，风机在低电压过渡时期的无功控制应为指定无功电流模式，即按式（4）运 行 计 算。仿 真 时 取KV=1.680，VS=0.900，图6故障电压跌落深度设置为20%时的实测结果Fig.6 Measured results when the drop depth of faultvoltage is set to 20%01234561.10.90.70.50.30.1U_fault=0.347t/sU（p.u.）（a）正序电压012345610.80.60.40.20.0P_fault=0.109（b）有功功率t/sP（p.u.）01234560.40.20.0-0.2Q_fault=0.3170123456IP_fault=0.3151.10.90.70.50.30.10123456IQ_fault=0.91310.70.40.1-0.2t/sIQ（p.u.）（e）无功电流t/s（c）无功功率（d）有功电流t/sQ（p.u.）IP（p.u.）图7故障电压跌落深度设置为0.8（p.u.）时的实测结果Fig.7 Measured results when the drop depth of faultvoltage is set to 0.8（p.u.）Q_fault=0.0920.20.10-0.10 1 2 3 4 5 6 7Q（p.u.）IQ_fault=0.1130.20.10.0-0.10 1 2 3 4 5 6 7IQ（p.u.）U_fault=0.8150 1 2 3 4 5 6 71.11.00.90.80.7U（p.u.）（a）正序电压t/s1.11.00.90.80.70.6P_fault=0.671IP_fault=0.8221.11.00.90.80.70.60 1 2 3 4 5 6 70 1 2 3 4 5 6 7（b）有功功率（e）无功电流（c）无功功率（d）有功电流P（p.u.）t/sIP（p.u.）t/st/st/s（a）有功功率0.30.40.50.60.70.80.91.00.80.60.40.20.0U（p.u.）P（p.u.）0.30.40.50.60.70.80.91.00.80.60.40.20.0U（p.u.）IP（p.u.）（c）有功电流图5故障期间有功功率、无功功率、有功电流、无功电流随电压跌落深度变化趋势Fig.5 Variation trend of active power,reactive power,active current and reactive current with voltage dropdepth during fault period0.30.40.50.60.70.80.90.50.40.30.20.10.0U（p.u.）Q（p.u.）（b）无功功率0.30.40.50.60.70.80.91.00.80.60.40.20.0U（p.u.）IQ（p.u.）（d）无功电流2023年第41卷第3期刘宇，等：基于PSD-BPA的双馈风电机组分段故障穿越特性及控制模式分析11KI=0，IQS=-63.2 A，仿真与实测结果对比如图8和图9所示。由图8和图9可知，按照指定无功电流模式设置的参数进行仿真后，仿真与实测结果基本吻合，因此可确认风机发生低电压穿越时的无功控制模式应为指定无功电流模式，符合国家标准要求。3.2有功控制模式根据图5（a）和图5（c）判断，风机在不同的电压跌落范围内存在不同的有功控制模式，且在故障电压跌落深度为0.7（p.u.）时存在明显的分界点。因此，需要在00.7（p.u.）和0.7（p.u.）0.9（p.u.）两个范围内辨识其有功控制模式及参数。风机的有功控制模式输出为有功电流指令，且BPA双馈风机模型中也将发电机简化为电流源，因此优先考虑风机低电压穿越期间的有功控制模式为指定有功电流模式，即按照式（2）运行计算。仿真时取KV=0，KI=0.440，IPS=-158 A，故障电压范围为00.7（p.u.）的仿真与实测结果对比如图10和11所示。由图10和11可知，按照指定有功电流模式设置的参数进行仿真后，其仿真与实测结果基本吻合，因此风机在00.7（p.u.）电压范围内发生低电压过渡时的有功控制模式应为指定有功电流模式。另外，风机在故障结束后的有功恢复阶段，观察其故障曲线可知，故障结束后有功功率并非立即恢复，而是从某一起点开始以一定斜率恢复，因此仿真时预设其恢复起点控制为指定有功电流模式，取KI=0，IPS=2230 A，恢复过程控制为指定斜率恢复模式，取斜率0.85，仿真与实测结果基本吻合。图8不同电压跌落深度下无功控制仿真与实测结果对比Fig.8 Comparison of simulation and measured results ofreactive power control under different voltage drop depths0.30.40.50.60.70.80.90.50.40.30.20.10.0U（p.u.）Q（p.u.）（a）无功功率实测仿真0.30.40.50.60.70.80.91.00.80.60.40.20.0U（p.u.）IQ（p.u.）实测仿真（b）无功电流图9故障电压跌落深度设置为0.2（p.u.）时无功控制仿真与实测结果对比Fig.9 Comparison of simulation and measured results ofreactive power control when the drop depth of fault voltageis set to 0.2（p.u.）Qtest=0.317；Qsim=0.312；Q_err=-0.0001234560.40.30.20.10.0-0.1实测；仿真Q（p.u.）t/sIQtest=0.913；IQsim=0.905；IQ_err=-0.0101234561.00.80.60.40.20实测；仿真IQ（p.u.）t/s（b）无功电流（a）无功功率图1000.7（p.u.）电压跌落深度时有功控制仿真与实测结果对比Fig.10 Comparison of simulation and measured resultsof active power control when the drop depth ofvoltage is from 0 to 0.7(p.u.)0.30.40.50.60.70.50.40.30.20.10.0U（p.u.）P（p.u.）实测仿真（a）有功功率1.00.80.60.40.20.0IP（p.u.）0.30.40.50.60.7实测仿真U（p.u.）（b）有功电流2023年第41卷第3期内 蒙 古 电 力 技 术12当故障电压在0.7（p.u.）0.9（p.u.）时，式（2）中取KV=0，KI=0.790，IPS=126 A；有功恢复阶段预设其恢复起点控制为指定有功电流模式，式（3）中取KI=0，IPS=2650 A；恢复过程控制为指定斜率恢复模式，取斜率0.85。故障电压在0.7（p.u.）0.9（p.u.）的仿真与实测结果对比如图 12 和 13 所示。可见，按照指定有功电流模式设置的参数进行仿真后，其仿真结果与实测结果基本吻合，因此风机在0.7（p.u.）0.9（p.u.）电压范围内发生低电压过渡时的有功控制模式也应为指定有功电流模式，在有功恢复阶段的起点及过程控制模式也与00.7（p.u.）范围内的控制模式类似，仅是参数略有不同。此外，观察图10（b）和图12（b）中IP的仿真值与实测值，在电压跌落深度较深时，仿真值会大于实测值。这是因为该风机内置的控制逻辑为无功优先，即优先满足风机在低电压过渡期间的无功功率输出需求。在风机实际运行中，有功和无功电流除受到电流限制模块ES限制外，有功电流IP还受到IP=I2-IQ2的限制（其中I为总电流，IQ为无功电流）。因此在风机优先保证无功电流合格的前提下，有功电流实际上无法按照指令值输出，才会出现仿真值大于实测值的现象14。4结语本文对某双馈风电机组不同电压跌落深度下图120.7（p.u.）0.9（p.u.）电压跌落深度时有功控制仿真与实测结果对比Fig.12 Comparison of simulation and measured results ofactive power control when the drop depth of voltage isfrom 0.7（p.u.）to 0.9（p.u.）0.700.750.800.850.90.80.70.60.5U（p.u.）IP（p.u.）实测仿真0.700.750.800.850.90.80.7060.5U（p.u.）P（p.u.）实测仿真（a）有功功率（b）有功电流图13故障电压跌落深度设置为0.8（p.u.）时有功控制仿真与实测结果对比Fig.13 Comparison of simulation and measured results ofactive power control when the drop depth of fault voltageis set to 0.8（p.u.）IPtest=0.822；IPsim=0.819；IP_err=-0.0001234561.110.90.80.70.6IP（p.u.）t/s（b）有功电流实测；仿真Ptest=0.671；Psim=0.668；P_err=-0.00012345671.110.90.80.70.6实测；仿真P（p.u.）t/s（a）有功功率图11故障电压跌落深度设置为0.35（p.u.）时有功控制仿真与实测结果对比Fig.11 Comparison of simulation and measured results ofactive power control when the drop depth of fault voltageis set to 0.35（p.u.）Ptest=0.172；Psim=0.178；P_err=0.006012345610.80.60.40.2实测；仿真P（p.u.）t/s012345610.80.60.50.40.2实测；仿真IPtest=0.370；IPsim=0.384；IP_err=0.014IP（p.u.）t/s（a）有功功率（b）有功电流2023年第41卷第3期刘宇，等：基于PSD-BPA的双馈风电机组分段故障穿越特性及控制模式分析13的低电压过渡特性进行了硬件在环测试，结果表明，在低电压过渡期间的无功控制模式为指定无功电流模式；有功控制模式为指定有功电流模式，但在00.7（p.u.）和0.7（p.u.）0.9（p.u.）故障电压范围内对应两套不同参数。根据以上分析结论进行建模仿真，仿真与实测结果基本吻合，能够更加准确地反映风机的实际特性。但现有的BPA版本中，暂时还无法实现在单个风机模型内根据需求切换控制模式，因此对于本文所讨论的风机，在机电暂态建模工作中需要额外说明其在不同故障电压范围内的不同表现。参考文献：1 解振华.中国低碳发展宏观战略研究总报告M.北京：人民出版社，2017.2 于贵瑞，郝天象，朱剑兴.中国碳达峰、碳中和行动方略之探讨J.中国科学院院刊，2022，37（4）：423434.YU Guirui,HAO Tianxiang,ZHU Jianxing.Discussion on ActionStrategies of China s Carbon Peak and Carbon 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