风电场直驱机组实时数字仿真等值建模研究

王建安，祝文军，徐茂宁，常昊添，程茂全

风电场直驱机组实时数字仿真等值建模研究

王建安1，祝文军2，徐茂宁1，常昊添1，程茂全1

（1.南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211102；2.青海陕煤新能源科技有限公司，青海 西宁 810001）

以风电场公共耦合点（Point of common coupling，PCC）运行特性一致为目标，提出了一种基于直驱风机箱变阀侧输入阻抗不变的改进等值方法。以箱变阀侧电气元件输入阻抗不变为原则，结合设定的目标额定容量，计算箱变阀侧及发电机机端额定电压，进而得出各电气元件等值参数。以某直驱风电场为例，考虑集电线路的化简，在实时数字仿真系统中分别搭建12台参数相同的2.5 MW多机详细模型、1台30 MW单机常规等值模型及1台30 MW单机改进等值模型，通过仿真对比3个模型在PCC点的动态特性。结果表明，3个模型的运行特性基本一致，证实该等值方法能准确反映PCC点的动态特性。

风电场；直驱风机；公共耦合点；详细模型；等值模型；集电线路；动态特性

0 引言

目前我国风电的发展呈现出规模化开发、集中并网和远距离输送的特点。随着风电场并网容量的快速增加，风电特性对电网安全稳定运行的影响愈发显著；因此大规模风电场动态建模是当前重要的课题。

建立准确的风电场仿真模型是研究大规模风电场并网特性的基础。在理想情况下，可以通过建立每台风机的详细模型进而实现对整个风电系统动态特性的完整、准确的描述；但是由于实际风电场的风机数量较多、运行工况分散，所以如果在电力系统实时数字仿真中对每台风机及其控制系统均采用详细的数学模型，则过高的运算阶数以及仿真实时性的要求将会消耗巨大的仿真资源，不利于理论分析[1-3]。因此，有必要对风机的等值建模方法进行深入研究。

对大规模风电场进行等值建模，实质上是将所有风电机组和集电线路看作一个整体进行等效，从而达到用单机系统来表征多机系统的目的。本文研究的风电场等值对象包括风电机组及集电线路。风电机组等值研究的目标，是基于机组的运行机理，通过研究其一次结构、控制策略、参数设计等来得到正确的等效方法[4-7]。常规等值方法是将动态行为相同的一群机组简化为一台机组。该方法可使系统简化，又能保证其与原系统一致的外特性，且具有较好的精度。常规方法的理论基础完善，但在具体仿真建模实施过程中存在问题，一方面因需要修改的参数较多，另一方面当实际等效的风机数量较多时，等效参数容易达到模型参数设置的上下限，故无法输入参数来实现等值。

为此，本文提出了一种基于风机箱变阀侧输入阻抗不变的等值方法：以改变箱变变比（即原副边阻抗折算系数）及箱变阀侧一次系统电压、电流等运行参数而非电力元件的阻抗参数为入手点，使箱变阀侧阻抗折算到原边后在各频段均与实际多机阻抗相同。阻抗相同则对应外特性相同，因此该等值方法能实现精确等值。由于该方法无需修改箱变阀侧阻抗参数，因此可规避常规方法修改参数多以及等值倍数较大而易造成等值参数输入越限的问题。

集电线路对风机并网特性的影响是不能忽略的。其等值方法是，从各段线路的详细模型结构出发，以等效前后的功率损耗相同为原则进行化简，最终计算得到一段等值线路[8,9]。

直驱风电机组有着优良的运行特性且经济成本较低，目前已成为风机发展的主流机型。本文对直驱机组的并网特性开展研究，基于实时数字仿真系统（Real time digital simulation，RTDS）电磁暂态仿真平台，分别搭建考虑集电线路的多机参考模型、常规等值模型以及改进等值模型，并通过电网故障暂态试验，验证所提出的改进等值方法的准确性。

1 直驱机组等值方法

1.1 常规等值

将台风机模型以并联的电气结构聚合为1台风机模型。一次系统元件参数如下。

变流器参数：

式中：dc、f、f与edc、ef、ef分别为聚合前后的直流电容、滤波电容、滤波电感。

变压器参数：

发电机参数：

该方法理论上能实现精确等值，但当实际的风机数量较多时，等效参数容易达到模型参数设置的上下限。工程实际中，RTDS变流器参数设置界面如图1所示。图1中，RTDS软件中滤波电感设置下限1 μH。对于160 μH滤波电感，如果风机数量超过160台，则等效电感小于1 μH，突破了模型参数设置的下限，无法等值。

图1 RTDS变流器参数设置界面

1.2 改进等值

以箱变阀侧输入阻抗不变为原则，无需改变LCL滤波器、直流电容、发电机等一次系统阻抗值及控制系统参数，只需改变箱变变比以提升副边额定电压的方式，即可实现原边输入阻抗是等效前的1/。

图2所示为风电机组聚合前后的等值电路。

图2 改进等值电路

聚合前的阻抗：

聚合后的阻抗：

箱变容量由tr聚合到tr，聚合前后不改变变压器阻抗标幺值，可得

根据等值条件

可得

同理，基于VSC不变的原则，发电机容量由m聚合到m，可得机端额定电压为

2 风电场集电线路化简

集电线路的连接分为干线式和放射式2种。不同的连接结构及长度都会影响风电场的输出特性，因此需要研究集电线路的等值。集电线路的等值主要基于等值前后功耗相等的原则，包括电阻消耗的有功保持一致，电感消耗的无功保持一致，以及电容发出的无功保持一致。

集电线路上的电压差异很小，因此可忽略线路上各点的电压偏差，则等值导纳为线路各导纳之和，即：

式中：eq为等值导纳；B为第台风机集电线路导纳；表示被等值风机数量。

2.1 干线式集电线路的等效化简

干线式风电机组连接图如图3所示。图3中，I表示风机的输出电流，Z表示风机的集电线路阻抗，风机总数是台。等效化简从尾端风机开始，逐级向PCC点推算。

图3 干线式风电机组连接

第台风机集电线路阻抗通过的电流为：

式中：、为序号；S为第台风机容量；U为第台风机出口电压。

各集电线路的功率损耗为：

总功率损耗为各集电线路的功率损耗之和：

等值阻抗流过的电流为：

等值阻抗的功率损耗为：

干线式集电线路的等值阻抗为：

2.2 放射式集电线路的等效化简

放射式风电机组连接图如图4所示。图4中，Li表示风机的输出电流，Li表示风机与母线间的线路阻抗，风机总数是台。

图4 放射式风电机组连接

集电线路等值阻抗的电流为：

等值阻抗的功率损耗为：

各支路总功率损耗为：

放射式集电线路的等值阻抗为：

3 仿真研究

3.1 仿真算例

本文以直驱永磁风电机组[10-12]为例进行验证，风电场电气接线图如图5所示。图5中，风电场由12台参数相同的2.5 MW直驱风机组成，每4台风机经箱式变压器连接到集电线路，集电线路以干线式连接汇集到PCC母线，12台风机分为3组，3组之间成放射式连接。

图5 详细风电场电气接线

等值模型为1台30 MW的风机经集电线路连接到PCC母线。在RTDS软件平台RSCAD中分别搭建风电场的多机详细模型、常规等值模型以及改进等值模型。一次系统在RTDS主机NovaCor中运行，控制系统则以链接库的形式在RTDS硬件装置GTSOC中运行[13-15]。

通过仿真试验，比较3个模型在PCC点的动态特性，对比的电气量包括PCC点电压、风机输出的有功功率及无功功率。

PCC点母线额定电压是35 kV，系统容量90 MVA（短路比为3）。风电机组3个模型的一次系统参数如表1、表2所示。

表1 变流器及耗能电气参数

表2 箱变及发电机电气参数

建模时用电缆来模拟集电线路参数。表3、表4分别列出了电缆的长度和阻抗参数。表中电缆布置已在图5中标注。表5给出了等效的电缆长度和阻抗参数。

表3 风电场内电缆长度

表4 风电场内电缆参数

表5 等效电缆参数

3.2 仿真验证

在3个模型的PCC点均设置单相、两相、三相金属性接地短路故障，故障时间设为100 ms；同时投入低电压穿越策略。在故障瞬间，发电机输入功率不变从而导致变流器输入输出的功率不平衡，直流母线电压升高。此时直流Chopper保护投入。Chopper投入可短时间维持发电机负载平衡，同时网侧PCC短路电流也相应减小。

在仿真验证时，以详细模型作为参考，考察2种等值模型在故障情况下的适应性。考察目标包括PCC点母线正序电压、正序有功以及正序无功。

3个模型在稳态额定运行时，因变流器、变压器等存在有功损耗，PCC点有功功率为28.7 MW，略低于30 MW；因变压器存在无功损耗，母线电压为33.8 kV，略低于35 kV。

图6、图7、图8示出了3个模型在PCC点3种故障状态下的电压和功率比较情况。由图可见，3个模型的母线电压、有功功率和无功功率在故障恢复期间的动态响应曲线稍有偏差，但相对偏差较小；故障恢复后，系统经短暂的调节后趋于稳定，3个模型的动态特性具有很好的一致性。

图6 单相接地短路故障波形

图7 两相接地短路故障波形

图8 三相接地短路故障波形

3.3 误差分析

图9截取了三相故障及恢复过程中的有功波形及Chopper投退指令。

图9 三相故障时Chopper投退状态

本文案例的一次系统模型在RTDS主机中运行，3个模型的控制代码分属在不同的GTSOC处理器中运行。由于硬件时钟不同，所以模型运行在异步状态。在故障及恢复期间，3个模型的Chopper投退指令到达RTDS主机的时刻并不同步，这对一次系统响应的一致性造成影响，其中包括直流电压的响应。直流电压响应不一致进而影响各自Chopper投退逻辑的判断，因此下一次投退时刻又将出现偏差（以图9中虚线框截取的一段为例进行观测）。这个过程伴随着整个故障及恢复期间。在此期间，电压、功率等电气量均受此影响，以至3个模型的PCC点电压和功率出现偏差。

以图9故障恢复期间有功功率的绝对误差E为评价指标，评估等值模型的精度。

式中：为详细模型的有功功率；1、2分别为误差分析的起始时刻和终止时刻。

故障恢复起始时刻1=0.30 s，终止时刻2=0.45 s。经取样计算，改进等值与常规等值模型的绝对误差分别为0.8%和1.1%，从而证实了改进等值与常规等值具有几乎相同的仿真精度。

4 结论

本文提出了基于风机箱变阀侧输入阻抗不变的等值方法。通过RTDS平台分别搭建详细模型、常规等值模型和改进等值模型，验证了风电场并网点的动态特性[16,17]。结果表明，该方法具有很好的适应性，适用于大规模风电场的等值建模以及对电力系统的影响分析。

与常规等值法相比，改进等值方法在保障仿真精度不受影响的前提下，具备诸多优点。首先，该方法涉及修改的电气参数很少，且变流器参数不用修改。其次，常规等值的参数设置在等值倍数较大时容易达到模型参数设置的上下限，无法实现参数等效，而改进等值法规避了这个问题。

该方法是常规方法的改进，其形式上依然属于同群等值[18]。在实际风电场中，大概率会存在风机类型多样、尾流效应及地理位置不同引起的风机转速差异等影响因素，此时需先分群再做同群等值[19]；但同群等值是根本，其等值精度和仿真运行的稳定性是所有高阶等值的基础。

[1] 张寒, 高本锋, 卢亚军, 等. 含新能源直流送端电网的电磁暂态仿真建模研究[J].电力科学与工程, 2020, 36(8): 1-8.

ZHANG HAN, GAO BENFENG, LU YAJUN, et al. Research on modeling and simulation of electromagnetic transients in DC sending end grid containing new energy[J]. Electric Power Science and Engineering, 2020, 36(8): 1-8(in Chinese).

[2] 饶日晟, 张亚丽, 叶林. 直驱式永磁同步风电机组的风电场降阶等值模型[J]. 广东电力, 2019, 32(6): 9-17.

RAO RISHENG, ZHANG YALI, YE LIN. Equivalent model of order reduction of wind power plant with DD-PMSG[J]. Guangdong Electric Power, 2019, 32(6): 9-17(in Chinese).

[3] 韩平平, 林子豪, 夏雨, 等. 大型光伏电站等值建模综述[J]. 电力系统及其自动化学报, 2019, 31(4): 39-47.

HAN PINGPING, LIN ZIHAO, XIA YU, et al. Review on equivalent modeling of large-scale photovoltaic power plant[J]. Proceedings of the CSU-EPSA, 2019, 31(4): 39-47(in Chinese).

[4] 陈建华, 王磊, 巨云涛. 基于Mean-shift聚类的大规模新能源对电网线损影响评估方法[J]. 供用电, 2021, 38(2): 59-64.

CHEN JIANHUA, WANG LEI, JU YUNTAO. Evaluation method of large scale new energy impact on power grid line loss based on mean-shift clustering[J]. Distribution & Utilization, 2021, 38(2): 59-64(in Chinese).

[5] 古庭赟, 杨骐嘉, 林呈辉, 等. 基于单机等值与选择模态分析的风电场等值建模方法[J]. 电力系统保护与控制, 2020, 48(1): 102-111.

GU TINGYUN, YANG QIJIA, LIN CHENGHUI, et al. A wind farm equivalent modeling method based on single-machine equivalent modeling and selection modal analysis[J]. Power System Protection and Control, 2020, 48(1): 102-111(in Chinese).

[6] 米增强, 苏勋文, 杨奇逊, 等. 风电场动态等值模型的多机表征方法[J].电工技术学报, 2010, 25(5): 162-169.

MI ZENGQIANG, SU XUNWEN, YANG QIXUN, et al. Multi-machine representation method for dynamic equivalent model of wind farms[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2010, 25(5): 162-169(in Chinese).

[7] 苏柯文, 张永明, 胡维飞. 基于参数测量的风力发电场等值建模方法研究[J]. 电测与仪表, 2020, 57(18): 29-35.

SU KEWEN, ZHANG YONGMING, HU WEIFEI. Research on equivalent modeling method of wind power plant based on parameter measurement[J]. Electrical Measurement & Instrumentation, 2020, 57(18): 29-35(in Chinese).

[8] 张新宇, 赵义松, 苑经纬, 等. 考虑网络损耗的直流近区风电场集电参数等值建模[J]. 电力科学与技术学报, 2020, 35(6): 117-123.

ZHANG XINYU, ZHAO YISONG, YUAN JINGWEI, et al. Research on equivalent modeling of collecting parameters of DC near-field wind farms considering network losses[J]. Journal of Electric Power Science and Technology, 2020, 35(6): 117-123(in Chinese).

[9] 王邦彦, 王秀丽, 宁联辉. 海上风电场集电系统开关配置最优化及可靠性评估[J]. 供用电, 2021, 38(4): 43-51.

WANG BANGYAN, WANG XIULI, NING LIANHUI. Switch configuration optimization and reliability evaluation of offshore wind farm collector system[J]. Distribution & Utilization, 2021, 38(4): 43-51(in Chinese).

[10] 颜湘武, 李君岩. 直驱式永磁同步风电机组的风电场等值建模[J]. 华北电力大学学报, 2019, 46(5): 1-7.

YAN XIANGWU, LI JUNYAN. Wind farm equivalent modeling of direct-drive permanent magnet synchronous wind turbines[J]. Journal of North China Electric Power University, 2019, 46(5): 1-7(in Chinese).

[11] 夏玥. 永磁直驱风电场聚合模型研究[D]. 上海: 上海交通大学, 2020.

XIA YUE. Research of the aggregation model of direct-driven permanent magnet wind farms[D]. Shanghai: Shanghai Jiao Tong University, 2020(in Chinese).

[12] 高峰, 周孝信, 朱宁辉, 等. 直驱式风电机组机电暂态建模及仿真[J].电网技术, 2011, 35(11): 29-34.

GAO FENG, ZHOU XIAOXIN, ZHU NINGHUI, et al. Electromechanical transient modeling and simulation of direct-drive wind turbine system with permanent magnet synchronous generator[J]. Power System Technology, 2011, 35(11): 29-34(in Chinese).

[13] 蔡文超, 杨炳元. 基于RTDS风电场等值建模若干问题的解决方案[J]. 电气技术, 2017(6): 13-17.

CAI WENCHAO, YANG BINGYUAN. Solution of some problems in equivalent modeling of wind farm based on RTDS[J]. Electrical Engineering, 2017(6): 13-17(in Chinese).

[14] 张兴, 孙艳霞, 李丽娜, 等. 风电机组电磁暂态建模及验证[J].中国电力, 2020, 53(7): 106-112.

ZHANG XING, SUN YANXIA, LI LINA, et al. Electromagnetic transient modelling and verifying of wind turbine generator[J]. Electric Power, 2020, 53(7): 106-112(in Chinese).

[15] 雷肖, 龚文明, 张斯翔, 等. 基于FPGA的直驱型风电场详细电磁暂态建模方法[J].广东电力, 2021, 34(11): 42-50.

LEI XIAO, GONG WENMING, ZHANG SIXIANG, et al. Research on detailed electromagnetic transient modeling method of direct drive wind farm based on FPGA[J]. Guangdong Electric Power, 2021, 34(11): 42-50(in Chinese).

[16] 贾俊川, 金一丁, 赵兵, 等. 风机低电压穿越控制对系统暂态过电压的影响及优化[J].电网技术, 2021, 45(2): 526-533.

JIA JUNCHUAN, JIN YIDING, ZHAO BING, et al. Impact analysis and performance optimization of LVRT control of wind turbine on transient overvoltage of power system[J]. Power System Technology, 2021, 45(2): 526-533(in Chinese).

[17] 包正楷, 季亮, 常潇, 等. 不平衡电压跌落下新能源场站的主动电压支撑控制[J].电力系统保护与控制, 2021, 49(16): 161-169.

BAO ZHENGKAI, JI LIANG, CHANG XIAO, et al. Active voltage support control strategy for a renewable generation farm during unbalanced voltage sags[J]. Power System Protection and Control, 2021, 49(16): 161-169(in Chinese).

[18] 潘学萍, 张驰, 鞠平, 等. 风电场同调动态等值研究[J]. 电网技术, 2015, 39(3): 621-627.

PAN XUEPING, ZHANG CHI, JU PING, et al. Coherency-based dynamic equivalence of wind farm composed of doubly fed induction generators[J]. Power System Technology, 2015, 39(3): 621-627(in Chinese).

[19] 安之, 沈沉, 郑泽天, 等. 考虑风电随机性的直驱风机风电场等值模型评价方法[J].中国电机工程学报, 2018, 38(22): 6511-6520.

AN ZHI, SHEN CHEN, ZHENG ZETIAN, et al. Assessment method for equivalent models of wind farms based on direct-driven wind generators considering randomness[J]. Proceedings of the CSEE, 2018, 38(22): 6511-6520(in Chinese).

Research on Equivalent Modeling of Real-time Digital Simulation for Direct-drive Wind Turbine in Wind Farms

WANG Jian’an1, ZHU Wenjun2, XU Maoning1, CHANG Haotian1, CHENG Maoquan1

(1.NR Electric Co., Ltd., Nanjing 211102, China; 2.Shaanxi Coal New Energy Technology Co., Ltd. of Qinghai Province, Xining 810001, China)

An improved equivalent method based on constant input impedance at valve side of box transformer of direct-driven wind generator is proposed to achieve the consistency of operation characteristics of point of common coupling (PCC) in wind farm. Based on the principle that the input impedance of the electrical components at the valve side of the box transformer is constant, and combined with the target rated capacity, the rated voltage of the valve side of the box transformer and the generator end is calculated, and then the equivalent parameters of the electrical components are obtained. Taking a direct-driven wind farm as an example and considering the simplification of collecting line, in the real-time digital simulation system, 12 detailed models of 2.5 MW multi-machine with same parameters, one conventional equivalent model of 30 MW single machine and one improved equivalent model of 30 MW single machine are built, and the dynamic characteristics of the 3 models at PCC point were compared by simulation. The results show that the operation characteristics of the 3 models are basically the same, and the equivalence method can accurately reflect the dynamic characteristics of PCC points.

wind farm; direct-driven wind generator; point of common coupling; detailed model; equivalent model; collecting line; dynamic characteristics

TM614

A

1672-0792(2023)11-0045-08

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2023.11.005

国家电网公司科技项目（5108-202218280A-2-91-XG）。

2023-06-17

王建安（1985—），男，工程师，研究方向为直流与电力电子实时数字仿真；

祝文军（1985—），男，高级经济师，研究方向为传统能源及新能源发电；

徐茂宁（1996—），男，工程师，研究方向为新能源控制保护及仿真；

常昊添（1991—），男，工程师，研究方向为新能源控制保护及仿真；

程茂全（1987—），男，工程师，研究方向为新能源控制保护及仿真。