风电机组低电压穿越建模及验证方法.docx
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风电机组低电压穿越建模及验证方法
风电机组低电压穿越建模及验证方法
ModelingandValidationMethodofWindTurbineLowVoltageRideThroughCharacteristics
目 次
前言II
1范围1
2规范性引用文件1
3术语和定义1
4符号与单位3
5风电机组模型4
5.1基本要求4
5.2模型结构及接口4
5.3子模块模型5
6模型验证方法与步骤8
6.1验证基本原则8
6.2验证工况8
6.3测试数据要求8
6.4模型验证步骤9
6.5验证结果评价11
附 录 A（规范性附录）故障过程分区方法12
附 录 B（资料性附录）模型验证结果15
附 录 C（资料性附录）风电机组模型验证测试数据格式17
参考文献18
前 言
根据“国家能源局关于下达2010年第一批能源领域行业标准制（修）订计划的通知（国能科技〔2010〕320号）”的安排，编制风电机组低电压穿越建模及验证方法。
本标准根据GB/T1.1-2009《标准化工作导则第1部分：
标准的结构和编写》编制。
本标准的主要内容包括风电机组低电压穿越模型的结构、建模方法，模型验证的方法和步骤。
本标准的附录A为规范性附录，附录B和附录C为资料性附录。
本标准由中国电力企业联合会提出。
本标准由能源行业风电标准化技术委员会归口。
本标准主要起草单位：
中国电力科学研究院。
本标准主要起草人：
风电机组低电压穿越建模及验证方法
1 范围
本标准规定了用于风电场低电压穿越能力仿真评估的风电机组模型的结构、建模方法，模型验证的方法和步骤。
本标准适用于风电机组在完成低电压穿越能力测试后的模型验证。
2 规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。
凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。
凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。
GB/T2900.1电工术语基本术语
GB/T2900.53-2001电工术语风电机组
GB/T19963-2011风电场接入电力系统技术规定
NB/T31014-2011双馈风力发电机变流器制造技术规范
NB/T31015-2011永磁风力发电机变流器制造技术规范
NB/T31017-2011双馈风力发电机组主控制系统技术规范
NB/TXXXX风电机组低电压穿越能力测试规程
3 术语和定义
GB/T2900.53-2001界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
电压跌落voltagedip
工频条件下电压有效值降低至额定电压的0.1~0.9倍之间，持续时间10ms至1min的短时电压变动现象。
电压跌落发生装置voltagedipgenerator
基于阻抗分压原理，在风电机组机端产生电压跌落的试验设备。
稳态区间steady-staterange
风电机组并网运行时，状态变量不发生瞬时突变，保持稳定运行状态的状态区间。
暂态区间transient-staterange
风电机组并网运行时，状态变量发生瞬时突变，由一个稳定状态过渡到另一稳定状态的过渡过程区间。
风电机组变压器windturbinestep-uptransformer
单个风电机组配备的、将风电机组机端电压升压后接入电网的变压器。
基频正序分量positivesequencecomponentofthefundamental
三相系统的基频分量中，三个对称相序分量之一，它存在于对称的和不对称的正弦量三相系统中，由下列复数表达式定义:
………………………………………
（1）
式中:
α是120°运算因子，而
、
和
是有关相量的复数表达式，其中
表示系统电流或电压的相矢量。
基频负序分量negativesequencecomponentofthefundamental
三相系统的基频分量中，三个对称相序分量之一，它仅存在于一个不对称的正弦量三相系统之中，由下列复数表达式定义:
………………………..…………….
（2）
式中:
α是120°运算因子，而
、
和
是有关相量的复数表达式，其中
表示系统电流或电压的相矢量。
平均偏差meandeviation
在电气模型验证中，各个仿真数据与测试数据之差的算术平均值。
平均绝对偏差meanabsolutedeviation
在电气模型验证中，各个仿真数据与测试数据之差的绝对值的算术平均值。
最大偏差maximumdeviation
在电气模型验证中，各个仿真数据与测试数据之差的绝对值的最大值。
加权平均绝对偏差weightedmeanabsolutedeviation
在电气模型验证中，将整个故障过程分成不同时段，对每个时段的平均绝对偏差赋予不同权重后的加权平均值。
4 符号与单位
本标准使用下列符号和单位：
θ
叶片桨距角（°）
θcmd
主控制系统桨距角指令（°）
ωgen
发电机角速度（p.u.）
ωinit
风力机初始角速度（p.u.）
ωWTR
风力机角速度（p.u.）
ωWTRn
风力机额定角速度（rad/s）
ρ
空气密度（kg/m3）
csh
传动链轴系阻尼系数（p.u.）
fWTT
风电机组机端电压频率（Hz）
F1
变流器保护触发标志
F2
风电机组保护触发标志
Hgen
发电机惯性时间常数（p.u.）
HWTR
风力机惯性时间常数（p.u.）
IWTTG
风电机组发电机变流器系统端电流（p.u.）
IWTT
风电机组机端电流（p.u.）
In
风电机组额定电流（A）
IQ
风电机组无功电流（p.u.）
Ir
发电机转子电流（p.u.）
ksh
传动链轴系刚度系数（p.u.）
P
风电机组机端有功功率（p.u.）
Pn
风电机组额定功率（MW）
Paero
风电机组捕获的风功率（p.u.）
Pgen
发电机有功功率（p.u.）
Q
风电机组机端无功功率（p.u.）
Qcmd
风电机组无功功率指令（p.u.）
S1
旁路开关
S2
短路开关
SK’’
电网短路容量
R
风力机叶轮半径（m）
Tcmd
风电机组转矩指令（p.u.）
Tinit
风力机初始转矩（p.u.）
TP
变桨系统等效惯性时间常数（s）
UG
电网电压（kV）
UWTTG
风电机组发电机变流器系统端电压（p.u.）
UWTT
风电机组机端电压（p.u.）
VW
风速（m/s）
ZG
电网等效阻抗（Ω）
Z1
限流电抗器（Ω）
Z2
短路电抗器（Ω）
5 风电机组模型
5.1 基本要求
模型应采用有效值（RMS）模型，仿真步长宜为1-10ms。
风电机组模型应包含风电机组正常运行和故障运行中对并网性能有明显影响的部件，包括机械部件、电气部件、控制、安全及故障保护等模块。
模型应包括机组过/欠压、过/欠频和过流保护特性。
模型仿真平台应从电力系统仿真软件PSD-BPA、电力系统分析综合程序PSASP、DIgSILENT/Po-werfactory中选取。
5.2 模型结构及接口
模型结构
目前主流风电机组主要分为四类，分别是：
1——1型：
普通异步发电机直接并网型风电机组
2——2型：
滑差控制变速风电机组
3——3型：
双馈变速风电机组
4——4型：
全功率变频风电机组
可参考图1风电机组模型基本结构进行建模。
图1 风电机组模型基本结构
对不同类型风电机组，可根据实际结构对模型进行调整，图1中各模块内容依风电机组类型有所不同。
a）1型风电机组
1）发电机变流器系统模块包含发电机模型；
2）控制系统模块可根据风电机组的控制方式及其对并网性能的影响调整或简化；
3）电气设备模块包括并网开关和无功补偿装置；
4）对于通过加装辅助设备实现低电压穿越功能的风电机组，应建立该加装设备仿真模型。
b）2型风电机组
1）发电机变流器系统模块包含发电机模型；
2）控制系统模块应包含滑差控制系统模型；
3）电气设备模块包括并网开关和无功补偿装置；
4）对于通过加装辅助设备实现低电压穿越能力的风电机组，应建立该加装设备仿真模型。
c）3型风电机组
1）发电机变流器系统模块包含发电机和变流器模型；
2）控制系统模块应包含风电机组主要控制系统模型；
3）电气设备模块包括并网开关。
d）4型风电机组
1）发电机变流器系统模块包含发电机和变流器模型；
2）控制系统模块应包含风电机组的主要控制系统模型；
3）电气设备模块包括并网开关；
4）对具有低电压穿越保护电路（如直流斩波电路（chopper））的4型风电机组，发电机、传动链、空气动力模块和变桨系统可简化。
简化模型应能够准确反映发电机、传动链、空气动力模块和变桨系统在低电压穿越暂态过程中对变流器运行及并网特性的影响。
模型接口
风电机组模型接口应至少包括以下变量和参数：
a）输入变量：
5）风电机组机端电压；
6）风电机组运行风速；
7）风电机组接收的风电场控制器指令（如有功功率、无功功率指令）。
b）输出变量：
1）风电机组机端电流；
2）风电机组有功功率；
3）风电机组无功功率。
c）可设置的参数：
1）风电机组运行模式（如电压控制模式、功率因数控制模式、无功功率控制模式）；
2）在模型仿真中需要调整的模型参数；
3）模型额定参数；
4）模型初始化参数；
5）模型验证需要的其它参数。
1注：
根据风电机组模型的实际结构，输出变量可能还包括：
发电机和机械传动系统的参数，如转动惯量、发电机转速或风力机转速、桨距角、控制参数等。
5.3 子模块模型
风力机空气动力模块
风力机空气动力模块模拟风能获取，获得的风功率可由式（3）表示：
…………………………………………..（3）
风能转换效率系数
可根据叶片的气动特性表，由叶尖速比和叶片桨距角查表得到。
可采用如图2所示的模型结构，
参数解释说明见表1。
图2 风力机空气动力模型
表1 风力机空气动力模型参数说明
符号
单位
说明
R
米（m）
风力机叶轮半径
ωWTRn
弧度/秒（rad/s）
风力机额定角速度
Pn
瓦（W）
风电机组额定功率
ρ
千克/立方米（kg/m3）
空气密度
传动链
传动链模型应能准确模拟该部分动态过程对风电机组电气性能的影响。
可采用如图3所示的两质量块模型，参数解释说明见表2。
图3 传动链两质量块模型
表2 传动链模型参数说明
符号
单位
说明
HWTR
p.u.
风力机惯性时间常数
Hgen
p.u.
发电机惯性时间常数
ksh
p.u.
传动链轴系刚度系数
csh
p.u.
传动链轴系阻尼系数
ωinit
p.u.
风力机初始角速度
Tinit
p.u.
风力机初始转矩
变桨系统
变桨系统模型可等效为一阶惯性环节，模型如图4所示，参数解释说明见表3。
图4 变桨系统等效模型
表3 变桨系统模型参数说明
符号
单位
说明
θcmd
度（°）
主控制系统桨距角指令
θ
度（°）
叶片桨距角
TP
秒（s）
变桨系统等效惯性时间常数
发电机变流器系统
1型、2型和3型风电机组中的发电机模型可采用仿真软件中的标准发电机模型，模型应包括转子磁链暂态特性，并根据风电机组低电压穿越特性和建模需求选择考虑定子磁链暂态特性。
4型风电机组的发电机模型可采用仿真软件中的标准发电机模型，对具有低电压穿越保护电路（如直流斩波电路（chopper））的4型风电机组，发电机模型可简化。
变流器包括3型和4型风电机组的机侧变流器和网侧变流器。
变流器若加装低电压穿越保护电路（如撬棒（crowbar）和直流斩波电路（chopper）），模型应准确模拟其动态特性。
变流器控制系统应根据实际控制策略准确建模，其中变流器器件的过流和过压能力应在模型中体现。
控制系统
应根据实际控制策略准确建模。
主要包括最大功率跟踪、恒功率运行控制、有功功率调节、无功功率调节、桨距控制以及与低电压穿越相关的控制模块。
保护模块
风电机组的过/欠压保护、过/欠频保护应准确建模，其它与低电压穿越过程相关的超速保护等宜在模型中体现。
可专门建立保护模块，或包含于其它电气部件模型中。
风电机组变压器
变压器模型可采用仿真软件中的标准模型，应考虑以下参数的影响：
5——原边线圈电阻；
6——原边线圈漏抗；
7——副边线圈电阻；
8——副边线圈漏抗；
9——额定频率下的互抗；
10——线圈匝比；
11——变压器分接头设置。
6 模型验证方法与步骤
6.1 验证基本原则
模型验证考核量包括有功功率、无功功率和无功电流。
宜采用风电机组变压器低压侧数据开展模型验证。
基频正序分量的验证应满足本标准要求，对于不对称故障情况下的基频负序分量的验证可参考本标准。
6.2 验证工况
依据NB/TXXXX《风电机组低电压穿越测试规程》中的测试类别，分别在以下功率范围、故障类型和电压跌落规格的工况下验证。
功率范围
依照风电机组低电压穿越实际测试的功率范围，模型验证应分别在以下两种有功功率输出状态下进行。
a）大功率输出状态，P>0.9Pn；
b）小功率输出状态，0.1Pn≤P≤0.3Pn。
故障类型
对三相对称故障和两相不对称故障工况进行模型验证。
电压跌落规格
模型验证的电压跌落规格包括风电机组变压器高压侧线电压残压值为额定电压的0.75±0.05、0.50±0.05、0.35±0.05、0.20±0.05四种。
6.3 测试数据要求
测试数据
模型验证采用的测试数据应满足NB/TXXXX《风电机组低电压穿越测试规程》的要求。
图5 风电机组低电压穿越测试与验证示意图
2注：
图5中MP代表测量点。
a）模型验证测试数据应包含：
1）图5中风电机组变压器低压侧MP3点的电压和电流；
2）测试期间风速。
3注：
其它附加测试数据，用于针对实际测试情况合理验证及调整，包括但不限于风电机组变压器高压侧电压和电流、发电机或风力机转速、桨距角。
b）仿真建模需要的数据：
8）电网模型参数，包括：
电网电压UG、电网短路容量SK’’、电网等效阻抗ZG；
9）电压跌落设备参数，包括：
限流电抗Z1的电阻和电抗、短路阻抗Z2的电阻和电抗。
测试信息
模型验证中需要的低电压穿越测试信息应按照附录C的格式提供。
6.4 模型验证步骤
模型仿真
依据实际测试情况，设置模型为6.2节规定的验证工况，进行模型仿真，得到风电机组变压器低压侧（或高压侧）电压、电流和功率仿真结果。
数据处理
依据NB/TXXXX《风电机组低电压穿越测试规程》附录C的方法，计算测试与仿真数据的线电压、有功功率、无功功率和无功电流的基频正序分量。
故障过程分区
以实际测试数据为依据，对故障过程进行分区，分区方法见附录A，即：
e）根据测试电压数据，将测试与仿真的数据序列分为A（故障前）、B（故障期间）、C（故障后）三个时段；
f）根据有功功率和无功电流的响应特性，将B、C时段分为暂态区间和稳态区间，其中B时段分为B1（暂态）和B2（稳态）区间，C时段分为C1（暂态）、C2（稳态）（若考虑限流电抗器的影响，还包括C3（限流电抗器引起的暂态）和C4（稳态））区间。
偏差计算
通过计算测试数据与仿真数据之间的偏差，考核模型的准确程度。
测试与仿真偏差计算的电气量是：
12——有功功率P；
13——无功功率Q；
14——无功电流IQ。
用XS和XM分别表示以上电气量的仿真数据和测试数据基频正序分量的标幺值。
KStart和KEnd分别表示计算偏差时第一个和最后一个仿真、测试数据的序号。
计算仿真数据与测试数据的偏差，包括平均偏差、平均绝对偏差、最大偏差以及加权平均绝对偏差。
其中，各时段暂态区间计算平均偏差和平均绝对偏差，稳态区间计算平均偏差、平均绝对偏差和最大偏差。
偏差计算方法如下：
b）稳态区间的平均偏差
在稳态区间内，计算测试数据与仿真数据基频正序分量差值的算术平均，并取其绝对值，用F1表示。
………….…………..…………（4）
c）暂态区间的平均偏差
在暂态区间内，计算测试数据与仿真数据基频正序分量差值的算术平均，并取其绝对值，用F2表示。
……………….………………..（5）
d）稳态区间的平均绝对偏差
在稳态区间内，计算测试数据与仿真数据基频正序分量差值的绝对值的算术平均，用F3表示。
……….……………………….（6）
e）暂态区间的平均绝对偏差
在暂态区间内，计算测试数据与仿真数据基频正序分量差值的绝对值的算术平均，用F4表示。
…………….…………………（7）
f）稳态区间的最大偏差
在稳态区间内，计算测试数据与仿真数据基频正序分量差值的绝对值的最大值，用F5表示。
………….………………（8）
g）加权平均绝对偏差
分别计算有功功率、无功功率、无功电流在A、B、C时段的平均绝对偏差，以FAP、FBP、FCP、FAQ、FBQ、FCQ、FAIQ、FBIQ、FCIQ表示。
以B时段有功功率的平均绝对偏差FBP计算为例，KStart和KEnd分别表示B时段数据序列第一个和最后一个数据的序号。
计算如下：
……………………………………（9）
将各时段的平均绝对偏差进行加权平均，得到整个过程的加权平均绝对偏差。
三个区间的权值分别是：
15——A（故障前）：
10%
16——B（故障期间）：
60%
17——C（故障后）：
30%
以有功功率为例计算加权平均绝对偏差如下：
……………………………（10）
每个验证工况按照附录B表B.1的格式记录验证结果。
全部工况验证完成后，按照附录B表B.2的格式记录验证结果。
6.5 验证结果评价
所有工况稳态和暂态区间的平均偏差、平均绝对偏差，稳态区间的最大偏差以及加权平均绝对偏差应不大于表4中的偏差最大允许值。
表4 偏差最大允许值
电气参数
F1max
F2max
F3max
F4max
F5max
FGmax
有功功率，
ΔP/Pn
0.07
0.20
0.10
0.25
0.15
0.15
无功功率，
ΔQ/Pn
0.05
0.20
0.07
0.25
0.10
0.15
无功电流，ΔI/In
0.07
0.20
0.10
0.30
0.15
0.15
其中，
F1max——稳态区间平均偏差最大允许值；
F2max——暂态区间平均偏差最大允许值；
F3max——稳态区间平均绝对偏差最大允许值；
F4max——暂态区间平均绝对偏差最大允许值；
F5max——稳态区间最大偏差最大允许值；
FGmax——加权平均绝对偏差最大允许值。
附 录 A
（规范性附录）
故障过程分区方法
A.1 总则
在进行偏差计算前，根据测试数据对故障前后及故障期间进行分区，以实现对各区段分别计算仿真数据与测试数据的偏差。
A.2 A、B、C时段判定
以测试电压数据为依据，将测试与仿真的数据序列分为三个时段：
a）A——故障前；
b）B——故障期间；
c）C——故障后。
各时段针对有功功率、无功功率和无功电流测试数据在电压跌落过程中的特性，分为暂态和稳态区间，如图A.1所示。
图A.1 验证过程分区
判定A、B、C时段的开始和结束时刻方法如下：
d）电压跌落前1s为A时段开始；
e）电压跌落至0.9Un时刻为A时段结束，B时段开始；
f）故障清除的开始时刻为B时段结束，C时段开始；
g）故障清除后，风电机组有功功率开始稳定输出后的1s为C时段结束。
A.3 暂态和稳态区间判定
A时段
A时段均为稳态区间，如图A.1中的A1区间。
B时段
B时段分为暂态区间和稳态区间。
电压瞬时跌落阶段为暂态区间，跌落后的稳定运行阶段为稳态区间。
图A.1中B1为暂态区间，B2为稳态区间。
按照有功功率和无功电流的特性，B1和B2区间分别判定。
B1_a表示有功功率的暂态区间，B2_a表示有功功率的稳态区间。
B1_r表示无功功率和无功电流的暂态区间，B2_r表示无功功率和无功电流的稳态区间。
C时段
C时段分为暂态区间和稳态区间。
电压瞬时恢复阶段为暂态区间，恢复后的稳定运行阶段为稳态区间。
C时段内，如果限流电抗器退出引起风电机组有功功率和无功电流波动小于7%，则将C时段分为C1暂态区间和C2稳态区间。
按照有功功率和无功电流的特性，C1和C2区间分别判定。
同B时段，有功功率、无功功率和无功电流各区间分别为C1_a，C2_a，C1_r，C2_r。
如果限流电抗器退出引起风电机组有功功率或无功电流波动大于7%，则将C时段分为C1、C2、C3、C4区间。
其中C3为限流电抗器退出引起的暂态区间，C4为稳态区间。
有功功率、无功功率和无功电流各区间分别为C1_a，C2_a，C3_a，C4_a，C1_r，C2_r，C3_r，C4_r。
B、C时段暂态和稳态区间判定方法
根据有功功率和无功电流的响应特性，划分B、C时段的暂态区间和稳态区间。
暂态开始时刻即为上一稳态结束时刻，暂态结束时刻即为下一稳态开始时刻。
暂态区间判定如表A.1。
表A.1 暂态区间判定
时刻
B时段
C时段
开始
B时段的开始时刻为B1_a和B1_r区间的开始。
1、C时段的开始时刻为C1_a和C1_r区间的开始。
2、限流电抗器退出时刻为C3_a和C3_r区间的开始。
（续）
时刻
B时段
C时段
结束
一般以电压跌落后100ms为B1_a和B1_r区间的结束。
如果暂态过程不能在上述时间结束，则分别以有功功率、无功电流的波动首次进入该区间内其平均值的±10%范围内的时刻为B1_a和B1_r区间的结束。
1、一般以故障清除后的500ms为有功功率暂态区间C1_a的结束时刻；故障清除后的100ms为无功电流暂态区间C1_r的结束。
2、一般以限流电抗器退出后250ms为暂态区间C3_a和C3_r的结束。
如果暂态过程不能在上述时间内结束，则分别以有功功率和无功电流的波动首次进入该区间内其平均值的±10%范围内的时刻为C3_a和C3_r的结束。
4注：
无功功率暂态、稳态区间与无功电流相同。
附 录 B
（资料性附录）
模型验证结果
表B.1模型验证工作表
时段
区间
区间平均偏差
区间平均绝对偏差
时段平均绝对偏差
权值
加权平均绝对偏差
稳态区间最大偏差
区间名
描述
F1_IQ/F2_IQ
F1_P/F2_P
F1_Q/F2_Q
F3_IQ/
F4_IQ
F3_P/F4_P
F4_Q/F4_Q
FAIQ/
FBIQ/
FCIQ
FAP/FBP/FCP
FAQ/
FBQ/
FCQ
FG_IQ
FG_P
FG_Q
F5_IQ
F5_P
F5_Q
A
A1
稳态
0.1
B
B1
暂态
0.6
B2
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