侯俊賢，王小海，陶向宇，齊軍，張石，張紅光

(1．中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京市100192;2．內(nèi)蒙古電力調(diào)度通信中心，呼和浩特市010020)

0 引言

風(fēng)電在我國(guó)快速發(fā)展，在西北、華北、東北等地區(qū)都已經(jīng)形成較大規(guī)模的風(fēng)電場(chǎng)群，對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要影響。風(fēng)電機(jī)組的仿真模型和參數(shù)是進(jìn)行大規(guī)模電網(wǎng)風(fēng)電仿真分析的重要基礎(chǔ)。首先需要建立適合電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真的仿真模型，然后根據(jù)實(shí)際風(fēng)電機(jī)組情況確定對(duì)應(yīng)的模型參數(shù)，才能達(dá)到真正實(shí)用的目的。

多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)風(fēng)電模型進(jìn)行較多的研究工作［1-7］，對(duì)風(fēng)電機(jī)組的基本原理和模型結(jié)構(gòu)有了比較深入的認(rèn)識(shí)。隨著我國(guó)實(shí)際電網(wǎng)風(fēng)電的快速發(fā)展和風(fēng)電、變頻器相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，實(shí)際系統(tǒng)中的風(fēng)電機(jī)組控制特性不斷提升。與我國(guó)實(shí)際機(jī)組進(jìn)行密切結(jié)合，充分了解實(shí)際機(jī)組的控制特性，并建立對(duì)應(yīng)的仿真模型和參數(shù)成為面向?qū)嶋H電網(wǎng)應(yīng)用需要解決的問(wèn)題［8］。目前已經(jīng)建立了比較詳細(xì)的適用于工程應(yīng)用的雙饋類型風(fēng)電模型，需要基于模型和實(shí)際風(fēng)電機(jī)組參數(shù)，建立實(shí)際風(fēng)電對(duì)應(yīng)的模型參數(shù)。

對(duì)于雙饋風(fēng)電機(jī)組而言，模型參數(shù)除了物理系統(tǒng)固有的一些參數(shù)之外，主要包括控制系統(tǒng)的參數(shù)。對(duì)于控制系統(tǒng)的參數(shù)辨識(shí)，傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的參數(shù)辨識(shí)已經(jīng)研究多年并形成了比較成熟的方法［9-11］，對(duì)于風(fēng)電模型控制系統(tǒng)中具體參數(shù)的確定具有一定的參考意義。對(duì)于風(fēng)電模型的參數(shù)辨識(shí)問(wèn)題，近年來(lái)也開(kāi)展了較多的研究工作［12-14］，文獻(xiàn)［12］和［13］主要是針對(duì)正?？刂茀?shù)進(jìn)行辨識(shí)，文獻(xiàn)［14］主要是針對(duì)雙饋發(fā)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)。由于風(fēng)電控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，除了正常的控制之外，還包括在低電壓穿越情況下的特殊控制部分，不同部分對(duì)風(fēng)電特性的影響相差較大，需要采用不同的方法區(qū)別對(duì)待。

本論文主要從雙饋風(fēng)電特點(diǎn)和模型結(jié)構(gòu)出發(fā)，結(jié)合實(shí)際電網(wǎng)仿真計(jì)算關(guān)注的主要問(wèn)題，針對(duì)風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)電氣故障后的有功、無(wú)功特性，開(kāi)展了模型中不同部分和參數(shù)對(duì)雙饋風(fēng)電機(jī)組外特性的影響分析，并根據(jù)影響程度和實(shí)際數(shù)據(jù)基礎(chǔ)條件提出了分類參數(shù)獲取方法，對(duì)其中影響比較大的低電壓穿越相關(guān)控制方式和參數(shù)采用實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行辨識(shí)。

1 雙饋風(fēng)電模型結(jié)構(gòu)

雙饋風(fēng)電機(jī)組基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 雙饋類型風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Unit structure of double-fed wind power

發(fā)電機(jī)部分采用一般的鼠籠異步電機(jī)，發(fā)電機(jī)的定子繞組直接與系統(tǒng)相連，轉(zhuǎn)子繞組通過(guò)背靠背的換流器與系統(tǒng)相連。轉(zhuǎn)子側(cè)相連的變頻器控制可以控制轉(zhuǎn)子電壓的幅值和角度，進(jìn)而控制有功、無(wú)功功率。

在機(jī)電暫態(tài)仿真中雙饋風(fēng)電機(jī)組模型結(jié)構(gòu)主要包括兩方面，一方面是一次系統(tǒng)的仿真模型，包括空氣動(dòng)力學(xué)部分、軸系部分、發(fā)電機(jī)等;另一方面是控制保護(hù)系統(tǒng)模型，控制保護(hù)主要集中在變頻器，包括正常狀態(tài)的控制以及電網(wǎng)故障條件下的控制和保護(hù)。雙饋類型風(fēng)電的機(jī)電暫態(tài)模型基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 雙饋風(fēng)電機(jī)組模型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Model structure of double-fed wind power

雙饋類型風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)應(yīng)的模型結(jié)構(gòu)和控制方式也比較復(fù)雜，主要包括:

(1)物理系統(tǒng)模型。

1)空氣動(dòng)力學(xué)模型，用于模擬葉片將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能部分;

2)軸系模型，包括慢速軸和快速軸;

3)發(fā)電機(jī)和換流器模型，包括雙饋發(fā)電機(jī)組、換流器直流側(cè)電容等。

(2)控制系統(tǒng)模型。

1)槳矩角控制系統(tǒng)，主要模擬電網(wǎng)故障和動(dòng)態(tài)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)行為;

2)機(jī)側(cè)變頻器控制模型，包括正常狀態(tài)以及低電壓穿越狀態(tài)的控制;

3)網(wǎng)側(cè)變頻器控制模型。

(3)保護(hù)模型，主要包括Crowbar、Chopper等。

變頻器控制部分，特別是機(jī)側(cè)變頻器控制部分是其中主要的控制部分。機(jī)側(cè)變頻器控制部分包括機(jī)側(cè)變頻器本身的控制以及與之相關(guān)的主控部分，是風(fēng)電機(jī)組控制的最核心部分。實(shí)際機(jī)組中，正常狀態(tài)下變頻器控制響應(yīng)主控命令進(jìn)行控制，在電網(wǎng)故障發(fā)生后，變頻器控制主導(dǎo)整個(gè)控制部分，二者之間相互配合。將二者作為一個(gè)整體考慮，主要的控制功能如圖3所示。

圖3 機(jī)側(cè)變頻器控制示意圖Fig.3 Generator-side inverter control

該模型中主要包括如下幾個(gè)部分:

1)正常狀態(tài)下的有功功率控制;

2)正常狀態(tài)下的無(wú)功功率控制;

3)轉(zhuǎn)子電壓控制;

4)低電壓穿越狀態(tài)的判斷;

5)低電壓穿越期間和結(jié)束后的有功控制;

6)低電壓穿越期間和結(jié)束后的無(wú)功控制。

2 不同模型參數(shù)的影響分析

雙饋風(fēng)電機(jī)組模型雖然非常復(fù)雜，但不同部分對(duì)其外特性的影響程度也相差較大。對(duì)于電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)分析，主要關(guān)注的是電網(wǎng)發(fā)生擾動(dòng)后風(fēng)電機(jī)組的有功、無(wú)功功率變化情況，對(duì)其影響比較大的主要是變頻器的控制部分，特別是低電壓穿越期間的控制部分。圖4是一個(gè)典型的雙饋風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越期間和結(jié)束后的有功、無(wú)功曲線。

圖4 低電壓狀態(tài)下雙饋風(fēng)電有功無(wú)功曲線實(shí)例Fig.4 Actual active and reactive power curves of double-fed wind power in low voltage condition

由圖4可以看出，低電壓狀態(tài)發(fā)生后，風(fēng)電機(jī)組的有功、無(wú)功功率變化非常明顯。相對(duì)于正常狀態(tài)下的有功無(wú)功特性，低電壓狀態(tài)下風(fēng)電機(jī)組特性變化大得多。而對(duì)于其他模型參數(shù)，對(duì)外特性的影響大小不盡相同，需要根據(jù)不同情況區(qū)別對(duì)待。

(1)發(fā)電機(jī)物理設(shè)備參數(shù)。

發(fā)電機(jī)物理參數(shù)主要是風(fēng)功率轉(zhuǎn)換模型參數(shù)、軸系參數(shù)、發(fā)電機(jī)參數(shù)等，體現(xiàn)了風(fēng)電機(jī)組本身固有的物理特性。

空氣動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)涉及到葉片半徑、槳距角、葉片轉(zhuǎn)速、風(fēng)速4個(gè)參數(shù)，反映了風(fēng)能產(chǎn)生的機(jī)械轉(zhuǎn)矩。其中葉片半徑是輸入?yún)?shù);槳距角、葉片轉(zhuǎn)速、風(fēng)速都是根據(jù)發(fā)電機(jī)狀態(tài)自動(dòng)確定初值，并根據(jù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程中的控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。對(duì)于實(shí)際的風(fēng)電機(jī)組，葉片半徑都有比較確定的數(shù)值，對(duì)于特定容量，隨著型號(hào)的變化葉片半徑變化并不大，對(duì)應(yīng)得到的其他變量會(huì)有一個(gè)較小的差異，但對(duì)整體機(jī)械轉(zhuǎn)矩影響很小，并且相對(duì)于風(fēng)電機(jī)組功率在暫態(tài)過(guò)程中的變化速度和幅度，引起的影響也非常小。

軸系部分主要反映了葉片對(duì)應(yīng)的慢速軸和發(fā)電機(jī)對(duì)應(yīng)的高速軸之間的振蕩過(guò)程，參數(shù)包括高速軸慣量、低速軸慣量、阻尼系數(shù)和剛性系數(shù)、齒輪箱變比。對(duì)于特定容量的風(fēng)電機(jī)組，不同型號(hào)、廠家的參數(shù)在同一量級(jí)水平。例如，2個(gè)不同廠家的1.5 MW機(jī)組對(duì)應(yīng)的軸系參數(shù)如表1所示。

表1 2個(gè)不同廠家的軸系模型參數(shù)Table 1 Shaft model parameters of two manufacturers

其他參數(shù)都保持不變，分別采用表1中的2組軸系參數(shù)，三相短路故障的對(duì)比曲線如圖5所示。

圖5 不同軸系參數(shù)的對(duì)比曲線Fig.5 Comparison of different shaft parameters

從圖5可以看出，不同軸系參數(shù)對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)過(guò)程有比較明顯的影響，但對(duì)于發(fā)電機(jī)輸出的有功功率影響相對(duì)較小，主要影響功率小幅波動(dòng)的部分。

發(fā)電機(jī)參數(shù)主要包括定子阻抗、轉(zhuǎn)子阻抗、激磁電抗等，這些參數(shù)會(huì)直接影響發(fā)電機(jī)的電氣行為。表2是2臺(tái)不同廠家1.5 MW風(fēng)電機(jī)組的參數(shù)。

其他參數(shù)不變，分別采用表2中的2組發(fā)電機(jī)參數(shù)，對(duì)應(yīng)的發(fā)電機(jī)有功、無(wú)功曲線如圖6所示。

表2 個(gè)不同廠家的風(fēng)電機(jī)組參數(shù)Table 2 Wind turbine parameters of two manufacturers pu

圖6 不同發(fā)電機(jī)參數(shù)的對(duì)比曲線Fig.6 Comparison of different generator parameters

由圖6可以看出，發(fā)電機(jī)采用不同參數(shù)對(duì)有功、無(wú)功的輸出影響很小。風(fēng)電機(jī)組輸出特性主要決定于控制系統(tǒng)，風(fēng)電機(jī)組本身容量小、響應(yīng)速度快，相同容量的風(fēng)電機(jī)組即使參數(shù)有一定的差異，但響應(yīng)速度相差并不明顯，因此對(duì)整體的輸出特性影響較小。

從上面對(duì)風(fēng)電本身物理參數(shù)的影響分析可以看出，不同參數(shù)對(duì)風(fēng)電機(jī)組功率輸出外特性的局部波動(dòng)有一定的影響，對(duì)整體的曲線形態(tài)影響較小。

(2)槳距角控制系統(tǒng)。

槳距角控制系統(tǒng)主要功能是根據(jù)轉(zhuǎn)速的變化控制槳距角大小，達(dá)到調(diào)節(jié)機(jī)械轉(zhuǎn)矩的目的。機(jī)電暫態(tài)仿真中主要面臨的問(wèn)題是系統(tǒng)發(fā)生較大擾動(dòng)后，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)發(fā)生明顯的振蕩。此時(shí)，如果轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，槳距角通常不變化，在轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，槳距角一般會(huì)存在一定的動(dòng)態(tài)過(guò)程。槳距角的變化會(huì)影響到輸入機(jī)械轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而影響到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，對(duì)風(fēng)電機(jī)組功率輸出特性有其獨(dú)特的影響方式。

槳距角控制系統(tǒng)中可調(diào)的主要參數(shù)是PI控制系統(tǒng)的比例和積分系數(shù)，比例和積分系數(shù)分別采用150.0、25.0和15.0、2.5，對(duì)比曲線如圖7所示。

圖7 不同槳距角控制參數(shù)的對(duì)比曲線Fig.7 Comparison of different pitch angle control parameters

從圖7可以看出，采用不同PI參數(shù)，槳距角的動(dòng)態(tài)過(guò)程有明顯差異，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速也有較大差異，但槳距角的差異性對(duì)發(fā)電機(jī)組的功率輸出影響較小。發(fā)電機(jī)輸出的功率包括定子側(cè)功率和轉(zhuǎn)子側(cè)通過(guò)變頻器交換的功率2部分，二者之間的分配比例與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速直接相關(guān)，由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速存在差異，因此會(huì)導(dǎo)致定子側(cè)、轉(zhuǎn)子側(cè)功率都存在差異，但二者之和，即發(fā)電機(jī)輸出的總有功功率差異很小。

(3)正常狀態(tài)下的有功、無(wú)功控制。

正常狀態(tài)的有功控制通常有恒轉(zhuǎn)矩控制、轉(zhuǎn)速控制2種控制模式。恒轉(zhuǎn)矩控制目標(biāo)是保持轉(zhuǎn)矩不變，在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化不大的情況下基本上保持恒定功率控制，沒(méi)有可調(diào)整的控制參數(shù)。而轉(zhuǎn)速控制模式采用發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速作為輸入信號(hào)控制有功功率，其中主要的控制參數(shù)是PI環(huán)節(jié)的比例和積分環(huán)節(jié)系數(shù)，分別選擇3.0、0.6和1.0、0.2時(shí)的對(duì)比曲線如圖8所示。

圖8 不同有功控制參數(shù)的有功對(duì)比曲線Fig.8 Active power comparison curve of different active power control parameters

從圖8中可以看出，在轉(zhuǎn)速控制模式下，不同PI參數(shù)對(duì)輸出功率有一定的影響，主要體現(xiàn)在低電壓穿越結(jié)束后的比較平穩(wěn)的部分。對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速控制2種模式，對(duì)應(yīng)的對(duì)比曲線如圖9所示。方式?jīng)Q定了恢復(fù)的開(kāi)始時(shí)間，影響比較明顯。有功功率恢復(fù)階段通常采用斜率形式或者拋物線的形式恢復(fù)，其恢復(fù)方式和速率的設(shè)置對(duì)有功功率有較大影響。

圖9 不同有功控制模式的有功對(duì)比曲線Fig.9 Active power comparison curve of different active power control modes

從圖9可以看出，采用不同控制模式進(jìn)行對(duì)比時(shí)，有功功率、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的曲線相差較大，與圖8采用不同控制參數(shù)的情況相比相差更加明顯。

正常狀態(tài)下的無(wú)功功率控制通常包括恒無(wú)功控制、恒定功率因數(shù)控制、電壓控制等幾種控制模式。和有功控制類似，控制方式的選擇對(duì)無(wú)功輸出的影響比較明顯。

網(wǎng)側(cè)變頻器的有功控制目標(biāo)是維持直流側(cè)電壓恒定，其控制參數(shù)的選擇對(duì)有功輸出的影響也很小。

(4)低電壓穿越狀態(tài)下的有功、無(wú)功控制。

低電壓穿越狀態(tài)下，有功功率的變化一般經(jīng)歷低電壓狀態(tài)、保持狀態(tài)和恢復(fù)狀態(tài)3個(gè)階段，如圖10所示。

在低電壓穿越期間有功的控制通常采用設(shè)定功率、設(shè)定電流、按照初始功率控制等多種方式，控制方式及其具體限值的設(shè)置對(duì)有功功率的變化會(huì)產(chǎn)生較大影響。功率保持階段可能存在也可能不存在，2種

圖10 典型低電壓穿越有功功率曲線圖Fig.10 Typical active power curves in low voltage ride through

圖11 顯示了有功功率2種不同控制方式的有功、無(wú)功功率曲線。其中，控制方式1在低穿期間按照初始功率控制，沒(méi)有功率保持階段，按照指定斜率上升;控制方式2在低穿期間控制電流為200 A，沒(méi)有功率保持階段，按照拋物線方式恢復(fù)。

圖11 不同有功低電壓控制策略的有功對(duì)比曲線Fig.11 Active power comparison curve of different active low voltage control strategies

從圖11可以看出，采用不同的控制策略和定值，會(huì)引起有功功率動(dòng)態(tài)過(guò)程發(fā)生較大變化。

低電壓穿越狀態(tài)下，通常發(fā)出一定容量的無(wú)功功率，低電壓穿越結(jié)束后，有功恢復(fù)到初始狀態(tài)、保持一段時(shí)間或逐漸降低。和有功控制類似，無(wú)功控制方式和定值的選擇對(duì)功率輸出特性會(huì)產(chǎn)生較大影響。

低電壓穿越狀態(tài)期間，由于最大電流的限制，有功和無(wú)功都受到最大電流的限制，同時(shí)相互影響。因此，有功電流最大限制、無(wú)功電流最大限制、優(yōu)先級(jí)設(shè)置都會(huì)對(duì)有功、無(wú)功的動(dòng)態(tài)過(guò)程產(chǎn)生較大影響。

(5)保護(hù)裝置。

雙饋類型風(fēng)電機(jī)組最主要的保護(hù)是Crowbar和Chopper，接線示意圖如圖12所示。

圖12 雙饋風(fēng)機(jī)Crowbar和Chopper保護(hù)示意圖Fig.12 Crowbar and Chopper protection of double-fed wind power

Crowbar電路與機(jī)側(cè)變頻器并聯(lián)，動(dòng)作后相當(dāng)于將轉(zhuǎn)子回路采用一個(gè)電阻端接;Chopper電路與直流側(cè)電容器并聯(lián)，投入后相當(dāng)于在直流電容器兩側(cè)并聯(lián)電阻。實(shí)際雙饋類型風(fēng)電機(jī)組設(shè)備中可能安裝二者之一或者都安裝。

Crowbar通常采用轉(zhuǎn)子電流作為控制信號(hào)，動(dòng)作后，改變了異步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)，使變頻器的控制失去作用，需要從系統(tǒng)吸收一定容量的無(wú)功功率，因此會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)的無(wú)功輸出產(chǎn)生較大影響。Chopper保護(hù)通常以直流電壓作為控制信號(hào)，動(dòng)作后吸收多余的能量，抑制直流側(cè)電壓升高，此時(shí)變頻器的控制仍然正常起作用，Chopper動(dòng)作對(duì)發(fā)電機(jī)輸出的有功、無(wú)功影響不大。

(6)模型參數(shù)的總體影響分析。

從上述雙饋風(fēng)電模型不同部分的影響分析結(jié)果可以看出:

1)空氣動(dòng)力學(xué)模型、發(fā)電機(jī)、軸系等物理系統(tǒng)相關(guān)的參數(shù)對(duì)雙饋風(fēng)機(jī)的有功、無(wú)功輸出影響較小;

2)槳距角控制系統(tǒng)參數(shù)對(duì)槳距角、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速都有影響，同時(shí)影響有功功率在定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)的分配，但對(duì)整體的輸出有功影響較小;

3)正常狀態(tài)的有功、無(wú)功控制模型參數(shù)變化對(duì)有功、無(wú)功的輸出影響不大，但其控制模式的選擇影響比較明顯;

4)低電壓穿越期間和結(jié)束后的有功、無(wú)功控制方式和參數(shù)對(duì)整體的有功、無(wú)功輸出影響較大;

5)Crowbar保護(hù)動(dòng)作對(duì)風(fēng)電機(jī)組無(wú)功輸出特性有較大影響，而Chopper保護(hù)動(dòng)作則影響較小。

雙饋類型風(fēng)電雖然采用異步電機(jī)作為發(fā)電機(jī)，并與電網(wǎng)有直接的電氣聯(lián)系，但由于變頻器控制的快速性，變頻器的控制對(duì)整體外特性具有關(guān)鍵性的影響，使物理設(shè)備本身的特性對(duì)整體的影響并不明顯。在正?？刂七^(guò)程中，控制的快速性使動(dòng)態(tài)過(guò)程比較平穩(wěn)，波動(dòng)較小。而在低電壓穿越發(fā)生后，由于控制方式改變較大，對(duì)整體外特性影響較大，成為影響機(jī)電暫態(tài)過(guò)程中有功、無(wú)功變化的關(guān)鍵因素。

3 雙饋風(fēng)電模型參數(shù)識(shí)別基本原則

在雙饋風(fēng)電模型的基礎(chǔ)之上，需要確定合理的模型參數(shù)，以滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。雙饋風(fēng)電模型結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，包含的參數(shù)比較多，對(duì)所有參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)工作量較大，也不一定有必要。根據(jù)第2節(jié)，雙饋風(fēng)電模型中不同部分的參數(shù)對(duì)雙饋風(fēng)電特性具有不同程度的影響。對(duì)于電力系統(tǒng)仿真應(yīng)用，比較關(guān)心的是電網(wǎng)發(fā)生故障后風(fēng)電機(jī)組的電氣行為，可以對(duì)影響風(fēng)電機(jī)組電氣特性的主要參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)，主要是影響有功、無(wú)功特性的參數(shù)。從第2節(jié)可以看出，影響風(fēng)電機(jī)組有功、無(wú)功特性的模型參數(shù)主要包括:

(1)正常狀態(tài)下有功、無(wú)功的控制模式;

(2)低電壓穿越期間的有功、無(wú)功控制策略。

進(jìn)行風(fēng)電模型參數(shù)辨識(shí)的數(shù)據(jù)需要根據(jù)試驗(yàn)獲取，目前比較可行的主要是低電壓穿越測(cè)試數(shù)據(jù)(或者是類似的試驗(yàn)數(shù)據(jù))，類似于常規(guī)發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的詳細(xì)的測(cè)試目前還存在一定的困難。因此，雙饋風(fēng)電機(jī)組參數(shù)的辨識(shí)可以在現(xiàn)有雙饋風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上開(kāi)展，這些數(shù)據(jù)包含對(duì)稱跌落和不對(duì)稱跌落、不同電壓跌落程度等多種運(yùn)行工況，比較全面地反應(yīng)了雙饋風(fēng)電機(jī)組的電氣特性。

根據(jù)上述分析，基于雙饋風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越測(cè)試數(shù)據(jù)的模型參數(shù)辨識(shí)基本原則如下:

(1)風(fēng)電機(jī)組本身固有的參數(shù)，例如發(fā)電機(jī)電阻、電抗、慣量等，這些參數(shù)對(duì)風(fēng)電機(jī)組電氣特性有較小的影響，廠家都能夠提供這些參數(shù)，因此可以直接從廠家獲取。

(2)正?？刂葡到y(tǒng)中的參數(shù)，包括槳距角控制、正常有功和無(wú)功控制，主要是其中的控制模式和PI參數(shù)。這些參數(shù)決定了較小擾動(dòng)狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)過(guò)程，由于風(fēng)電機(jī)組低穿引起的狀態(tài)變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這些控制參數(shù)引起的波動(dòng)，并且由于變頻器控制的快速性使得正常的波動(dòng)過(guò)程通常很快進(jìn)入平穩(wěn)狀態(tài)，因此這部分參數(shù)可以選擇一組典型的參數(shù)。正常狀態(tài)下有功、無(wú)功控制模式的影響比較大，需要結(jié)合實(shí)際曲線進(jìn)行判斷。

(3)低穿期間和結(jié)束后有功、無(wú)功采用的控制方式和參數(shù)，這部分參數(shù)是影響風(fēng)電機(jī)組特性最重要的部分，需要結(jié)合實(shí)際測(cè)試的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析確定。

(4)發(fā)電機(jī)保護(hù)參數(shù)，包括Crowbar和Chopper保護(hù)，其控制策略和對(duì)應(yīng)的物理參數(shù)比較難以從測(cè)試曲線中辨識(shí)，暫時(shí)只能從廠家獲取。

4 雙饋風(fēng)電模型參數(shù)辨識(shí)過(guò)程

雙饋風(fēng)電機(jī)組模型參數(shù)的辨識(shí)基本過(guò)程如下:

(1)與廠家針對(duì)具體控制策略進(jìn)行溝通，獲取基本參數(shù)，主要是物理設(shè)備的相關(guān)參數(shù);

(2)根據(jù)多種工況下的測(cè)試數(shù)據(jù)，確定正?？刂品绞讲捎玫目刂颇Ｊ剑醪酱_定低電壓穿越期間和結(jié)束后的控制策略;

(3)通過(guò)仿真和對(duì)比分析，確定具體的控制方式和參數(shù)。

確定最終參數(shù)后，基本上可以達(dá)到采用一套參數(shù)模擬所有工況的目的。以實(shí)際某廠家1.5 MW機(jī)組為例，說(shuō)明具體的過(guò)程。

測(cè)試數(shù)據(jù)包括的工況:

(1)大功率、對(duì)稱跌落20%、35%、50%、75%;

(2)大功率、不對(duì)稱跌落35%、50%;

(3)小功率、不對(duì)稱跌落35%、50%。

基本過(guò)程如下:

(1)從廠家獲取基本參數(shù)。

獲取模型中需要的風(fēng)電機(jī)組參數(shù)，如表3所示。

表3 從廠家獲取的風(fēng)電模型參數(shù)Table 3 Wind power model parameters from manufacturer

(2)確定主要控制方式。

不同情況下的有功、無(wú)功功率曲線如圖13、圖14所示。

圖13 不同工況下的有功功率測(cè)試曲線Fig.13 Active power measured curves under different conditions

圖14 不同工況下的無(wú)功功率測(cè)試曲線Fig.14 Reactive power measured curves under different conditions

從圖13可以看出，低電壓穿越過(guò)程中有功功率都維持較低水平，功率大小不同，基本確定是指定電流的控制模式;低電壓穿越結(jié)束后沒(méi)有保持階段;恢復(fù)起始功率基本相同，說(shuō)明指定了恢復(fù)的起始功率值;恢復(fù)過(guò)程以斜率的方式恢復(fù)，速度基本相同;功率恢復(fù)到初值后維持平穩(wěn)狀態(tài)，基本確定正常狀態(tài)有功采用恒轉(zhuǎn)矩的控制方式。

從圖14可以看出，進(jìn)入低電壓穿越狀態(tài)后，都發(fā)出一定容量的無(wú)功功率，無(wú)功大小不同，一般采用電壓控制方式;低電壓穿越結(jié)束后，無(wú)功立即回到較低的數(shù)值，說(shuō)明進(jìn)行正常的無(wú)功控制狀態(tài);低電壓結(jié)束后的無(wú)功變化有一定的斜率，說(shuō)明正常無(wú)功采用了恒定功率因數(shù)控制方式。

(3)確定具體的控制方式和參數(shù)。

在基本確定控制方式后，需要進(jìn)行仿真對(duì)比確定具體的控制方式和參數(shù)，在此過(guò)程中，需要對(duì)所有的曲線進(jìn)行對(duì)比和調(diào)整。經(jīng)過(guò)對(duì)比調(diào)整后，確定主要的控制方式和參數(shù)如下:

(1)正常方式下有功功率控制為恒轉(zhuǎn)矩控制模式、無(wú)功功率控制為恒功率因數(shù)控制。

(2)低電壓穿越期間的有功功率采用固定電流的控制方式，低電壓穿越結(jié)束后按照指定的電流值開(kāi)始恢復(fù)，2個(gè)電流大小相同，基本上是初始電流的20%左右，大功率條件下選擇250 A，小功率條件下選擇60 A。

(3)低電壓穿越期間的無(wú)功功率控制為根據(jù)電壓的控制方式，放大倍數(shù)為2.0。

(4)低電壓穿越期間采用無(wú)功優(yōu)先的控制方式，有功電流、無(wú)功電流的最大限制值為1.2 pu。

采用上述參數(shù)后的部分對(duì)比曲線如圖15所示，限于篇幅限制，僅給出幾組對(duì)比結(jié)果。

從圖15可以看出，進(jìn)行不同工況下多曲線的對(duì)比和分析，可以確定基本的控制方式和參數(shù)，并能夠達(dá)到不同情況下，采用同一套參數(shù)都能夠準(zhǔn)確仿真的目的。

針對(duì)實(shí)際對(duì)比和擬合過(guò)程中的一些問(wèn)題，特別說(shuō)明如下:

(1)模型參數(shù)擬合基于的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)必須包含多種不同的工況，例如大功率和小功率、不同電壓跌落水平、對(duì)稱和不對(duì)稱等，這樣才能更加有效地確定對(duì)應(yīng)的控制模式和參數(shù);

(2)基本上可以達(dá)到一套參數(shù)模擬所有工況的目的，即根據(jù)不同情況確定一套參數(shù)，實(shí)現(xiàn)與所有測(cè)試工況的有效對(duì)比;

(3)與實(shí)測(cè)曲線的對(duì)比不可能達(dá)到很理想的程度，在對(duì)比中會(huì)存在不合理數(shù)據(jù)或個(gè)別曲線無(wú)法有效對(duì)應(yīng)的情況，但能夠達(dá)到絕大多數(shù)曲線有效對(duì)應(yīng);

圖15 不同工況下的有功、無(wú)功功率對(duì)比曲線Fig.15 Comparison between active and reactive power under different conditions

(4)本文主要針對(duì)雙饋風(fēng)電模型中影響比較大的參數(shù)擬合進(jìn)行了說(shuō)明，具體控制系統(tǒng)中的參數(shù)擬合部分可以采用傳統(tǒng)的方法進(jìn)行處理，但依賴于測(cè)試的精細(xì)化程度。

5 結(jié)論

(1)雙饋類型風(fēng)電模型具有比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，不但包括風(fēng)能轉(zhuǎn)換、軸系、發(fā)電機(jī)等物理設(shè)備模型，還包括槳距角控制、變頻器控制以及保護(hù)模型，包含的參數(shù)也比較多。

(2)對(duì)于機(jī)電暫態(tài)仿真，主要關(guān)注電網(wǎng)故障后風(fēng)電輸出的有功、無(wú)功特性，模型的不同部分對(duì)輸出特性影響程度不同，正常方式下的有功、無(wú)功控制方式及低電壓穿越時(shí)的有功、無(wú)功控制方式和參數(shù)具有較大影響，需要重點(diǎn)考慮。

(3)雙饋風(fēng)電模型參數(shù)根據(jù)其影響程度可以采用不同的處理方法，物理設(shè)備本身的固有參數(shù)從廠家直接獲取，正常狀態(tài)控制系統(tǒng)參數(shù)采用典型參數(shù)，而影響比較大的正常狀態(tài)控制方式及低電壓穿越狀態(tài)控制方式和參數(shù)采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合的方法。

(4)實(shí)踐證明，采用多種工況下的低電壓穿越實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可以有效確定雙饋風(fēng)電的主要參數(shù)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組有功、無(wú)功輸出特性在多種工況下的有效模擬。

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