风电系统仿真模型低电压穿越测试优化方案

早期风电系统的低电压穿越测试一般局限于单机系统的性能测试，随着风电规模与并网导则的快速发展，单机测试已无法满足大规模风电场低电压穿越的测试需求。目前，部分电网运营商要求风电设备商提供完整有效的系统仿真模型，能够直接嵌入电力系统级的仿真环境，通过仿真与实验测试结果的对比验证风电机组低电压穿越能力的有效性和可扩展性。电力系统级的稳态和暂态仿真验证还需要包括发电系统与电网的潮流交互、对电网电压和频率的影响等，以确保风电场接入后整个系统运行的可靠性。

8.3.5.1 建模的基本要求

低电压穿越测试中的仿真模型主要面向电力系统级的仿真，因此推荐采用有效值（RMS）模型，仿真步长通常为1～10ms。风电机组模型应包含其正常运行和故障运行中对并网性能有明显影响的模块，如机械模块、电气模块、控制、安全及故障保护模块等。模型应能准确反映机组的过/欠电压、过/欠频率和过电流保护特性。模型仿真平台应从PSD-BPA电力系统仿真软件、PSASP、DIgSILENT/Power factory电力系统分析综合程序中选取，MATLAB/Simulink在系统级模型仿真中不推荐使用。

一个完整有效的风电系统仿真模型应包括图8-16所示的所有模块^[34]：硬件部分包括风力机空气动力模块，变桨距系统模块，传动链模块、发电机变流器系统模块及其他必需的电气辅助设备模块，软件部分包括系统保护设定模块和控制系统模块。

图8-16 风力发电系统模型结构

对于不同类型的风电机组（直接耦合型、半耦合型和非耦合型），可根据其结构对图8-16模型中的各个模块进行调整。其中，发电机变流器系统模块包含发电机模型和变流器模型；控制系统模块可根据风电机组的控制方式及其对并网性能的影响调整或简化，但主要控制系统模型必须保留；电气辅助设备模块包括并网开关和无功补偿装置。对于通过增加辅助设备实现低电压穿越能力的风电机组，应建立该辅助设备的仿真模型。对具有低电压穿越保护电路（如直流斩波电路）的非耦合型风电机组，发电机、传动链、空气动力模块和变桨系统模块可简化。简化模型应能够准确反映发电机、传动链、空气动力模块和变桨系统模块在低电压穿越暂态过程中对变流器运行及发电设备并网特性的影响。

上述风电机组模型的接口应至少包括以下变量和参数：

1）输入变量：风电机组机端电压、风速、风电机组接收的风电场控制器指令（如有功功率和无功功率指令）。

2）输出变量：风电机组机端电流、风电机组输出有功和无功功率。

3）可设置参数：风电机组运行模式（如电压控制模式、功率因数控制模式或无功功率控制模式），仿真模型中可调整的模型参数、模型额定参数、模型初始化参数、模型验证所需的其他参数。

4）根据风电机组模型的实际结构，输出变量可能还包括：发电机和机械传动系统的参数，如转动惯量、发电机转速或风力机转速、桨距角、控制参数等；并网电流正、负和零序分量等。

8.3.5.2 子模块仿真模型的建立

各子模块的详细数学模型参见本书第3章的相关内容，测试过程中，可根据实际需求采用精确或简化模型。其中，风力机模型应能准确模拟风力机动态对机组电气性能的影响，可采用两质量块模型。

发电机模型可采用仿真平台提供的标准模型，模型应能体现发电机转子磁链的暂态特性，并可根据风电机组低电压穿越特性和建模需求选择是否包括定子磁链的暂态。

变流器包括机侧和网侧变流器。若加装低电压穿越保护电路（如撬棒或直流斩波电路），模型应能够准确模拟保护电路的动态特性。变流器的控制系统应根据实际控制策略准确建模，建模过程还应考虑变流器的过电流和过电压能力。变压器模型可采用仿真平台提供的标准模型，但应考虑分布参数的影响。

控制系统模型直接关系到低电压穿越过程中系统动稳态特性的准确性，也是电网运营商关注的重点，应根据实际控制策略进行准确建模，确保控制系统的逻辑、计算与实际系统完全一致。控制策略应包括最大功率跟踪、恒功率运行控制、有功和无功功率调节策略、桨距角控制及与低电压穿越相关的控制模块等。此外，电网故障检测，风电机组过/欠电压保护、过/欠频率保护和超速保护也是控制系统的一部分，需要在模型中准确体现。

8.3.5.3 仿真模型的测试验证方法

为验证仿真模型的准确性需要在相同电网故障条件下，对仿真结果和实验测试结果进行对比验证，其偏差必须在一定范围之内。

为确保实验测试结果和仿真结果的可比性，实验和仿真测试需要具有相同的测试时序。与图6-1相似，可将低电压穿越测试和仿真时序分为三个时段：l——故障前；m——故障期间；n——故障后。进一步，根据电压跌落过程中发电系统的有功和无功电流输出特性，又可将上述各时段内部分为暂态和稳态区间，如图8-17所示，暂态区间为图中阴影部分，剩余部分为稳态区间。

图8-17 验证过程分区

电压跌落1s前为l时段的开始时刻；电压跌落至0.9U_n时为l时段结束和m时段的开始时刻；故障清除的开始时刻为m时段结束和n时段的开始时刻；故障清除后且风电机组有功功率达到稳定输出的1s后为n时段的结束时刻。

8.3.5.4 偏差计算

通过计算测试数据与仿真数据之间的偏差，考察仿真模型的准确程度。测试与仿真偏差计算的电气量通常包括有功功率P、无功功率Q和无功电流I_q。

分别用A_S和A_M表示以上电气量的仿真数据和测试数据基频正序分量的标幺值。KS_tart^和KEnd分别表示仿真测试数据的起始和终止序号。

仿真数据与测试数据的偏差应包括平均偏差、平均绝对偏差、最大偏差和加权平均绝对偏差。在各时段的暂态区间，应计算平均偏差和平均绝对偏差；稳态区间则计算平均偏差、平均绝对偏差和最大偏差。偏差计算方法如下：

1.稳态区间的平均偏差

在稳态区间内，计算测试数据与仿真数据基频正序分量差值的算术平均，并取其绝对值，用F₁表示。

2.暂态区间的平均偏差

在暂态区间内，计算测试数据与仿真数据基频正序分量差值的算术平均，并取其绝对值，用F₂表示。(www.xing528.com)

3.稳态区间的平均绝对偏差

在稳态区间内，计算测试数据与仿真数据基频正序分量差值绝对值的算术平均，用F₃表示。

4.暂态区间的平均绝对偏差

在暂态区间内，计算测试数据与仿真数据基频正序分量差值绝对值的算术平均，用F₄表示。

5.稳态区间的最大偏差

在稳态区间内，计算测试数据与仿真数据基频正序分量差值绝对值的最大值，用F₅表示。

6.加权平均绝对偏差

分别计算有功功率、无功功率、无功电流在三个时段的平均绝对偏差，以F_AP、FBP、FCP、FAQ、FBQ、FCQ、FAIQ、FBIQ、FCIQ表示。

以B时段有功功率的平均绝对偏差F_BP计算为例，K_Start和K_End分别表示B时段数据序列第一个和最后一个数据的序号。计算公式如下：

将各时段的平均绝对偏差进行加权平均，可得整个过程的加权平均绝对偏差。

三个时段的权值分别是：A时段取10%；B时段取60%；C时段取30%。

以有功功率为例，加权平均绝对偏差为

F_G_P=0.1F_AP+0.6F_BP+0.3F_CP（8-9）

在各工况下，需按照规定的格式记录验证结果；所有工况验证完成后，按照规定的格式记录验证结果。

8.3.5.5 验证结果评价

所有工况的稳态和暂态区间的平均偏差、平均绝对偏差，稳态区间的最大偏差以及加权平均绝对偏差应不大于表8-7中所给出的偏差最大允许值。

表8-7 偏差最大允许值

注：表中各参数意义如下，

F_1max——稳态区间平均偏差最大允许值；

F_2max——暂态区间平均偏差最大允许值；

F_3max——稳态区间平均绝对偏差最大允许值；

F_4max——暂态区间平均绝对偏差最大允许值；

F_5max——稳态区间最大偏差最大允许值；

F_Gmax——加权平均绝对偏差最大允许值。