摘要：開發(fā)有效的風(fēng)機(jī)電磁暫態(tài)模型是進(jìn)行風(fēng)電并網(wǎng)研究的基礎(chǔ)。然而，風(fēng)機(jī)廠家對其關(guān)鍵策略保密使得風(fēng)機(jī)建模十分困難。為了解決此難題，該文對實(shí)際直驅(qū)風(fēng)機(jī)進(jìn)行了大量故障穿越測試，利用實(shí)測數(shù)據(jù)解析了風(fēng)機(jī)的故障響應(yīng)特性，提出了適用于對稱和不對稱電壓跌落的通用故障穿越響應(yīng)曲線。然后，推導(dǎo)了不同故障階段下有功和無功功率響應(yīng)的表達(dá)式，包括故障期間的穿越控制過程、故障清除后的恢復(fù)控制過程及不同過程間的暫態(tài)切換。據(jù)此設(shè)計(jì)了一個通用的有功和無功電流參考值發(fā)生器，形成了直驅(qū)風(fēng)機(jī)故障穿越全過程的通用電磁暫態(tài)建模方法。最后，利用實(shí)際風(fēng)機(jī)的測試數(shù)據(jù)驗(yàn)證了所提方法的有效性。

　　關(guān)鍵詞：直驅(qū)風(fēng)機(jī);動態(tài)建模;故障穿越;對稱故障;不對稱故障

　　引言

　　不斷增長的能源需求和日益嚴(yán)峻的環(huán)境問題極大地促進(jìn)了可再生能源的快速發(fā)展[1-3]。直驅(qū)風(fēng)機(jī)具有能量轉(zhuǎn)換效率高、控制方法簡單等優(yōu)點(diǎn)，在陸上和海上風(fēng)電場得到越來越廣泛的應(yīng)用[4-5]。然而，隨著風(fēng)電滲透率的不斷提高，其對電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的影響日益嚴(yán)重[6-7]。

　　為了正確評估大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)可能對電網(wǎng)產(chǎn)生的影響，需要對實(shí)際風(fēng)機(jī)在不同電壓跌落情況下的暫態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行深入研究和準(zhǔn)確建模[8-9]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者在開發(fā)風(fēng)機(jī)動態(tài)模型方面進(jìn)行了大量的研究[10-11]。這些模型主要分為兩類：均方根(root-mean-square，RMS)模型(又被稱為機(jī)電暫態(tài)模型)[12-19]和電磁暫態(tài)(electromagnetictransient，EMT)模型[20-26]。

　　2007年，國際大電網(wǎng)組織(InternationalCouncilonLargeElectricSystems，CIGRE)發(fā)布了一份報告，提出了風(fēng)機(jī)通用動態(tài)模型的最初思想[14]。2009年，美國西部電力協(xié)調(diào)委員會(WesternElectricityCoordinatingCouncil，WECC)提出了風(fēng)機(jī)的第一代通用RMS模型[15]。由于第一代模型存在一些不足[16]，WECC、國際電工協(xié)會(InternationalElectrotechnicalCommission，IEC)和國際電氣和電子工程師協(xié)會(InstituteofElectricalandElectronicsEngineers，IEEE)建模工作組共同開發(fā)了第二代通用模型及其應(yīng)用指南[17-19]。

　　然而，這些通用模型本質(zhì)上是正序模型，主要關(guān)注風(fēng)機(jī)在對稱故障下的響應(yīng)特性，無法用于不對稱故障的仿真研究[10]。在電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行中，不對稱故障具有更大的發(fā)生幾率且危害更加嚴(yán)重[27]。為了詳細(xì)地分析風(fēng)機(jī)在不對稱故障下的暫態(tài)響應(yīng)，需要使用具有完整控制策略的EMT模型[28]。

　　風(fēng)機(jī)廠家開發(fā)的EMT模型能夠描述風(fēng)機(jī)在對稱和不對稱故障下的動態(tài)行為，但由于涉及商業(yè)機(jī)密，模型多以“黑箱”形式提供，涉及不公開的協(xié)議，這影響了模型用戶對風(fēng)機(jī)內(nèi)部控制策略的認(rèn)知，阻礙了風(fēng)電并網(wǎng)研究的后續(xù)進(jìn)展[9-10]。因此，亟需開發(fā)適用于對稱和不對稱電壓跌落情況下的通用EMT模型。2018年CIGRE發(fā)布了一份技術(shù)報告，針對基于逆變器的發(fā)電單元的通用EMT建模方法提供了一些有用的見解[11]。文獻(xiàn)[20-21]開發(fā)了直驅(qū)風(fēng)機(jī)的通用EMT模型，但由于未考慮故障穿越(faultride-through，F(xiàn)RT)控制策略，不能用來分析風(fēng)機(jī)的故障特性。

　　文獻(xiàn)[22-24]在模型中安裝卸荷電路，并設(shè)計(jì)控制策略使風(fēng)機(jī)在電壓跌落期間向電網(wǎng)提供無功功率，但該模型沒有經(jīng)過現(xiàn)場數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，其準(zhǔn)確性無法得到保證，嚴(yán)重影響仿真結(jié)果的可信度。文獻(xiàn)[25]利用FRT測試數(shù)據(jù)對直驅(qū)風(fēng)機(jī)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，但FRT控制策略過于簡單，無法滿足當(dāng)前并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)要求。文獻(xiàn)[26]基于歐洲、北美和南美并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)要求，在直驅(qū)風(fēng)機(jī)模型中實(shí)現(xiàn)了兩種FRT策略，并在對稱和不對稱電壓跌落下利用實(shí)測數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行了驗(yàn)證。但該模型的FRT策略不適用于我國并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，同時未提供風(fēng)機(jī)在對稱和不對稱電壓跌落下的詳細(xì)建模方法。

　　為克服上述問題，本文提出直驅(qū)風(fēng)機(jī)FRT全過程的通用EMT建模方法。為確保模型的通用性，首先對直驅(qū)風(fēng)機(jī)在對稱和不對稱電壓跌落下進(jìn)行了大量的FRT測試，根據(jù)測試數(shù)據(jù)分析風(fēng)機(jī)的故障響應(yīng)并提取共性特征，提出適用于對稱和不對稱電壓跌落的通用FRT響應(yīng)曲線。隨后，對不同故障階段下風(fēng)機(jī)的有功和無功功率響應(yīng)進(jìn)行解析建模。利用該功率響應(yīng)推導(dǎo)了FRT全過程有功和無功電流參考值的表達(dá)式，據(jù)此設(shè)計(jì)了一個通用的電流參考值發(fā)生器，通過動態(tài)更新風(fēng)機(jī)模型的電流參考值實(shí)現(xiàn)對實(shí)際風(fēng)機(jī)FRT暫態(tài)特性的模擬。

　　直驅(qū)風(fēng)機(jī)的EMT模型由風(fēng)力機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)和全功率變流器組成。直驅(qū)風(fēng)機(jī)的控制主要由全功率變流器來實(shí)現(xiàn)，在全功率變流器中由于直流電容將機(jī)側(cè)變流器(machine-sideconverter，MSC)和網(wǎng)側(cè)變流器(grid-sideconverter，GSC)解耦，電網(wǎng)側(cè)故障對MSC的影響較小[25]，因此故障期間MSC保持正常運(yùn)行時的控制策略。為模擬實(shí)際風(fēng)機(jī)FRT全過程的暫態(tài)行為，關(guān)鍵在于對GSC進(jìn)行有效的建模。本節(jié)首先介紹GSC的模型，然后在GSC中實(shí)現(xiàn)FRT控制策略。其它部分的模型(風(fēng)力機(jī)模型、傳動系統(tǒng)模型、永磁同步發(fā)電機(jī)模型和MSC及其控制系統(tǒng)模型)可參考文獻(xiàn)[33]。根據(jù)直驅(qū)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行原理可知，其有功和無功功率響應(yīng)特性的調(diào)節(jié)分別是通過GSC電流控制器的有功和無功電流參考值的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)。

　　因此，本節(jié)推導(dǎo)直驅(qū)風(fēng)機(jī)在故障穿越全過程的有功和無功電流參考值的表達(dá)式，并據(jù)此設(shè)計(jì)一個通用的電流參考值發(fā)生器，利用GSC動態(tài)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)模型的電流參考值，實(shí)現(xiàn)對實(shí)際直驅(qū)風(fēng)機(jī)FRT暫態(tài)響應(yīng)的模擬。值得說明的是，由于風(fēng)機(jī)真實(shí)的控制策略無法獲知，且風(fēng)機(jī)廠家眾多，不同廠家的控制策略也不盡相同，本文設(shè)計(jì)的控制策略并不代表任何風(fēng)機(jī)廠家的實(shí)際控制策略也不局限于任一廠家的風(fēng)機(jī)。所設(shè)計(jì)的電流參考值發(fā)生器允許通過修改參數(shù)靈活地模擬不同風(fēng)機(jī)的FRT響應(yīng)特性，從而使所建立的模型對不同廠家的風(fēng)機(jī)具有通用性。 電壓跌落后風(fēng)機(jī)輸出的無功功率增加，有功功率快速降低。

　　電壓升高后，有功功率開始增加，無功功率在經(jīng)過了短時的暫態(tài)后開始降低。電壓恢復(fù)至正常范圍后，有功功率經(jīng)過270ms的延時后以1MW/s的速率恢復(fù)至故障前的輸出。無功功率保持在0MVar左右，540ms后斜率恢復(fù)至故障前的輸出。在算例2中，故障期間風(fēng)機(jī)提供無功支撐同時降低有功功率。在故障清除后，風(fēng)機(jī)快速恢復(fù)至故障前的有功功率。在繼續(xù)提供了540ms無功支撐后，無功功率直接恢復(fù)至故障前的輸出。

　　電力論文范例：淺談電力營銷優(yōu)質(zhì)服務(wù)及電費(fèi)回收管理

　　本文提出了直驅(qū)風(fēng)機(jī)FRT全過程的通用EMT建模方法�；�于實(shí)際直驅(qū)風(fēng)機(jī)大量的現(xiàn)場FRT測試數(shù)據(jù)，提出了適用于對稱和不對稱電壓跌落情況下的通用FRT響應(yīng)曲線。通過合適地參數(shù)化，該通用曲線可以靈活地表征不同廠家的風(fēng)機(jī)在對稱和不對稱電壓跌落下的暫態(tài)行為。在模型中設(shè)計(jì)了一個通用的有功和無功電流參考值發(fā)生器，通過動態(tài)更新模型的電流參考值實(shí)現(xiàn)對實(shí)際風(fēng)機(jī)FRT暫態(tài)響應(yīng)的模擬。通過與實(shí)際FRT測試結(jié)果對比，驗(yàn)證了所提建模方法對不同故障類型、不同風(fēng)況的適用性。

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　　作者：齊金玲，李衛(wèi)星*，晁璞璞，李志民