双馈型风电场详细模型建模方法
2017第四届轨道交通供电系统技术大会
会议由中国电工技术学会主办，将于2017年11月28日在北京铁道大厦召开，研讨电工科技最新研究成果对轨道交通供电领域所带来的革新影响和应用前景，推进协同创新。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
清华大学自动化系、悉尼大学电气与信息工程学院的研究人员马少康、耿华、马进、杨耕，在2017年《电工技术学报》增刊1上撰文，提出一种双馈型风电场详细模型的建模方法。
所建立的模型可体现风场内每一台风机以及集电系统的电磁暂态过程。该建模方法利用元件连接法（CCM）的思路,首先将风机、集电线路及变压器等视为分立元件,并建立各个元件的详细模型。再根据CCM元件连接规则连接各元件,构成风电场的详细模型。
利用该建模方法能够获得系统的非线性微分方程,便于后续利用非线性系统理论进一步对系统展开分析。此外,该模型建立在dq坐标系,稳态时各物理量均为直流,借助线性化工具,可方便地获得风电场在某稳态工作点处的线性化矩阵。通过对比仿真验证了该建模方法的准确性。
风能作为一种新能源，有助于缓解能源危机、改善碳排放问题。风力发电技术在近几十年飞速发展。风电机组可分为定速机组与变速机组两类，其中，双馈型变速风力发电机组为目前主要应用的类型，已在众多风电场投入运行[1,2]。
风电基地一般位于电力网络末端，且距离负荷中心较远，需要进行长距离输电。这使得风电场与电网呈现弱连接特性（风电并网点短路容量低）[3,4]。此外，由于集电系统的影响，风电场内部同样是一个分布式的网络，随着单台风电机组功率等级不断提高、风电场规模的不断扩大，每台风力发电机的功率波动会通过集电系统影响其他机组的端电压。
双馈变速型风力发电机组一般采用矢量控制方式，需要采样机组端电压并进行锁相，根据锁相环输出的端电压角度以及电角速度进行控制。在弱连接时，风电机组输出波动会造成风场并网点以及场内电压波动，而电压波动又会影响锁相环，从而反过来影响风电机组的输出。因此，风电场与电力系统之间[5]、风电场内部各台风机之间[6]会互相影响，产生交互耦合现象，严重时可能会导致切机。
为了研究风场与电网、风场内部风机之间交互对风电场稳定运行的影响，首先需要建立能够反映风电机组和集电系统机电及电磁暂态过程的风电场详细模型。虽然针对风电场详细建模已有较多的成果，但都重点关注风电场并网特性，多采用动态等值模型对风电场进行建模，如单机等效[7, 8]或多机等效方法[9]。
采用等值建模的方法对风电场内的风电机组和集电系统进行了简化和聚合，改变了风电场内部的连接结构，只能近似地对风电场与电网的交互过程进行定性分析，无法准确刻画风场与电网交互的所有动态过程，更无法体现场内的交互。因此，建立风电场详细模型是必要的。
文献[10]对风电场内部进行了详细建模，但该模型并未考虑锁相环估计角度的动态过程。因锁相环对系统的动态特性有较大影响，忽略锁相环动态过程的建模是不准确的。特别是在弱电网情况下，由于电网等效阻抗较大，输出电流在等效阻抗上产生压降从而影响端电压，又因为锁相环是通过追踪端电压而工作的，而输出电流的角度又由锁相环决定，从而导致锁相环与电网之间的交互耦合。弱电网情况下锁相环与线路的复杂耦合情况甚至会引起系统的不稳定[4, 6, 11]。
如果不对锁相环进行建模，这种交互影响便无法体现。因此，对锁相环的建模是必须的。虽然利用现有的商业仿真软件如PSCAD、Simulink等，可以建立风电场详细模型，但是，研究人员无法通过这些软件获得系统的非线性微分方程，因此只能利用仿真软件进行时域曲线模拟，无法采用非线性理论进一步对风电场展开研究[12]。
本文采用元件连接（ComponentsConnection Method，CCM）的思路[13,14]，提出了一种风电场建模的方法。该建模方法将系统内的每一个组成部分，如风电机组、线路等，视作一个元件，先分别建立每个元件的dq轴模型，最后再根据场内网络结构，并遵循CCM的连接规则，将系统内的诸多元件连接成为一个整体。
相比于利用商业仿真软件建立的静止abc轴系模型，本文的建模方法最终可得到系统的非线性方程，可利用如直接法等理论做进一步分析[12]。相比商业软件的abc坐标系模型，本文模型阶数更低。同时，借助线性化工具可方便地获得包含电磁尺度动态过程的线性化矩阵用于小信号分析。
图1 DFIG详细模型框图