基于PSD-BPA的双馈风...故障穿越特性及控制模式分析_刘宇.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