直驱风机故障穿越全过程的通用电磁暂态建模方法

　　摘要：开发有效的风机电磁暂态模型是进行风电并网研究的基础。然而，风机厂家对其关键策略保密使得风机建模十分困难。为了解决此难题，该文对实际直驱风机进行了大量故障穿越测试，利用实测数据解析了风机的故障响应特性，提出了适用于对称和不对称电压跌落的通用故障穿越响应曲线。然后，推导了不同故障阶段下有功和无功功率响应的表达式，包括故障期间的穿越控制过程、故障清除后的恢复控制过程及不同过程间的暂态切换。据此设计了一个通用的有功和无功电流参考值发生器，形成了直驱风机故障穿越全过程的通用电磁暂态建模方法。最后，利用实际风机的测试数据验证了所提方法的有效性。

　　关键词：直驱风机;动态建模;故障穿越;对称故障;不对称故障

　　引言

　　不断增长的能源需求和日益严峻的环境问题极大地促进了可再生能源的快速发展[1-3]。直驱风机具有能量转换效率高、控制方法简单等优点，在陆上和海上风电场得到越来越广泛的应用[4-5]。然而，随着风电渗透率的不断提高，其对电力系统安全运行的影响日益严重[6-7]。

　　为了正确评估大规模风电并网可能对电网产生的影响，需要对实际风机在不同电压跌落情况下的暂态响应特性进行深入研究和准确建模[8-9]。近年来，国内外学者在开发风机动态模型方面进行了大量的研究[10-11]。这些模型主要分为两类：均方根(root-mean-square，RMS)模型(又被称为机电暂态模型)[12-19]和电磁暂态(electromagnetictransient，EMT)模型[20-26]。

　　2007年，国际大电网组织(InternationalCouncilonLargeElectricSystems，CIGRE)发布了一份报告，提出了风机通用动态模型的最初思想[14]。2009年，美国西部电力协调委员会(WesternElectricityCoordinatingCouncil，WECC)提出了风机的第一代通用RMS模型[15]。由于第一代模型存在一些不足[16]，WECC、国际电工协会(InternationalElectrotechnicalCommission，IEC)和国际电气和电子工程师协会(InstituteofElectricalandElectronicsEngineers，IEEE)建模工作组共同开发了第二代通用模型及其应用指南[17-19]。

　　然而，这些通用模型本质上是正序模型，主要关注风机在对称故障下的响应特性，无法用于不对称故障的仿真研究[10]。在电网实际运行中，不对称故障具有更大的发生几率且危害更加严重[27]。为了详细地分析风机在不对称故障下的暂态响应，需要使用具有完整控制策略的EMT模型[28]。

　　风机厂家开发的EMT模型能够描述风机在对称和不对称故障下的动态行为，但由于涉及商业机密，模型多以“黑箱”形式提供，涉及不公开的协议，这影响了模型用户对风机内部控制策略的认知，阻碍了风电并网研究的后续进展[9-10]。因此，亟需开发适用于对称和不对称电压跌落情况下的通用EMT模型。2018年CIGRE发布了一份技术报告，针对基于逆变器的发电单元的通用EMT建模方法提供了一些有用的见解[11]。文献[20-21]开发了直驱风机的通用EMT模型，但由于未考虑故障穿越(faultride-through，FRT)控制策略，不能用来分析风机的故障特性。

　　文献[22-24]在模型中安装卸荷电路，并设计控制策略使风机在电压跌落期间向电网提供无功功率，但该模型没有经过现场数据的验证，其准确性无法得到保证，严重影响仿真结果的可信度。文献[25]利用FRT测试数据对直驱风机模型进行了验证，但FRT控制策略过于简单，无法满足当前并网标准要求。文献[26]基于欧洲、北美和南美并网标准要求，在直驱风机模型中实现了两种FRT策略，并在对称和不对称电压跌落下利用实测数据对模型进行了验证。但该模型的FRT策略不适用于我国并网标准，同时未提供风机在对称和不对称电压跌落下的详细建模方法。

　　为克服上述问题，本文提出直驱风机FRT全过程的通用EMT建模方法。为确保模型的通用性，首先对直驱风机在对称和不对称电压跌落下进行了大量的FRT测试，根据测试数据分析风机的故障响应并提取共性特征，提出适用于对称和不对称电压跌落的通用FRT响应曲线。随后，对不同故障阶段下风机的有功和无功功率响应进行解析建模。利用该功率响应推导了FRT全过程有功和无功电流参考值的表达式，据此设计了一个通用的电流参考值发生器，通过动态更新风机模型的电流参考值实现对实际风机FRT暂态特性的模拟。

　　直驱风机的EMT模型由风力机、永磁同步发电机和全功率变流器组成。直驱风机的控制主要由全功率变流器来实现，在全功率变流器中由于直流电容将机侧变流器(machine-sideconverter，MSC)和网侧变流器(grid-sideconverter，GSC)解耦，电网侧故障对MSC的影响较小[25]，因此故障期间MSC保持正常运行时的控制策略。为模拟实际风机FRT全过程的暂态行为，关键在于对GSC进行有效的建模。本节首先介绍GSC的模型，然后在GSC中实现FRT控制策略。其它部分的模型(风力机模型、传动系统模型、永磁同步发电机模型和MSC及其控制系统模型)可参考文献[33]。根据直驱风机的运行原理可知，其有功和无功功率响应特性的调节分别是通过GSC电流控制器的有功和无功电流参考值的调节来实现。

　　因此，本节推导直驱风机在故障穿越全过程的有功和无功电流参考值的表达式，并据此设计一个通用的电流参考值发生器，利用GSC动态调节风机模型的电流参考值，实现对实际直驱风机FRT暂态响应的模拟。值得说明的是，由于风机真实的控制策略无法获知，且风机厂家众多，不同厂家的控制策略也不尽相同，本文设计的控制策略并不代表任何风机厂家的实际控制策略也不局限于任一厂家的风机。所设计的电流参考值发生器允许通过修改参数灵活地模拟不同风机的FRT响应特性，从而使所建立的模型对不同厂家的风机具有通用性。 电压跌落后风机输出的无功功率增加，有功功率快速降低。

　　电压升高后，有功功率开始增加，无功功率在经过了短时的暂态后开始降低。电压恢复至正常范围后，有功功率经过270ms的延时后以1MW/s的速率恢复至故障前的输出。无功功率保持在0MVar左右，540ms后斜率恢复至故障前的输出。在算例2中，故障期间风机提供无功支撑同时降低有功功率。在故障清除后，风机快速恢复至故障前的有功功率。在继续提供了540ms无功支撑后，无功功率直接恢复至故障前的输出。

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　　本文提出了直驱风机FRT全过程的通用EMT建模方法。基于实际直驱风机大量的现场FRT测试数据，提出了适用于对称和不对称电压跌落情况下的通用FRT响应曲线。通过合适地参数化，该通用曲线可以灵活地表征不同厂家的风机在对称和不对称电压跌落下的暂态行为。在模型中设计了一个通用的有功和无功电流参考值发生器，通过动态更新模型的电流参考值实现对实际风机FRT暂态响应的模拟。通过与实际FRT测试结果对比，验证了所提建模方法对不同故障类型、不同风况的适用性。

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　　作者：齐金玲，李卫星*，晁璞璞，李志民