PSS/E環(huán)境下的第二代風(fēng)機(jī)模型解析與低電壓穿越功能優(yōu)化增強(qiáng)

朱 航 ，朱 淼 ，黃阮明 ，蔡 旭

（1.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240；2.國網(wǎng)上海市電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，上海 200120）

大規(guī)模可再生能源的發(fā)電與并網(wǎng)，是智能電網(wǎng)乃至能源互聯(lián)網(wǎng)的基本特征之一。隨著我國能源結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)型，低碳環(huán)保理念日益加深，新能源發(fā)電技術(shù)得到了極大的重視[1]。風(fēng)電作為發(fā)展最快的新能源，其裝機(jī)容量與日俱增。因此，對于高比例風(fēng)力發(fā)電接入電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究逐漸成為智能電網(wǎng)領(lǐng)域的關(guān)鍵問題之一。為了提高電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的能力，許多國家提出風(fēng)電機(jī)組需具備低電壓穿越能力 LVRT（low voltage ride-through）[2]，即當(dāng)電網(wǎng)故障或擾動(dòng)引起風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)的電壓跌落時(shí)，在電壓跌落的范圍內(nèi)風(fēng)電機(jī)組能夠不間斷并網(wǎng)運(yùn)行的能力[3]，從而穿越這段低電壓時(shí)間段。為了提高風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力，其仿真研究已逐漸成為風(fēng)力發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)。

當(dāng)前，國際主流電力系統(tǒng)分析軟件包括PSS/E、BPA、PowerWorld和PSLF[4]等。我國電力系統(tǒng)研究普遍采用BPA和PSS/E[5]，二者都具備強(qiáng)大的潮流分析能力，應(yīng)對大規(guī)模可再生能源接入電力系統(tǒng)的時(shí)代潮流，都開始逐步提供計(jì)及新能源接入的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真功能。PSS/E作為先進(jìn)的電力系統(tǒng)仿真軟件能夠精確地進(jìn)行電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真分析，同時(shí)PSS/E含有精確的風(fēng)電機(jī)組動(dòng)態(tài)仿真模型，因此在計(jì)及風(fēng)電接入的大規(guī)模電力系統(tǒng)分析時(shí)經(jīng)常采用PSS/E作為仿真工具[6]。在PSS/E環(huán)境下，為了更加精確地研究風(fēng)電機(jī)組與大電網(wǎng)之間的相互影響，需要對風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越特性進(jìn)行精確仿真，并模擬出風(fēng)機(jī)在低電壓穿越失敗切機(jī)后在條件恢復(fù)的情況下重新并網(wǎng)的情況。

PSS/E中的風(fēng)電并網(wǎng)暫態(tài)模型共有2代，第2代風(fēng)機(jī)模型相比第1代各模塊功能更加獨(dú)立，更具有擴(kuò)展性，并提供了不同工況（低電壓）下的保護(hù)控制，以進(jìn)一步提升模型的實(shí)用性。然而當(dāng)前PSS/E風(fēng)機(jī)模型在研究與實(shí)用上仍集中在第1代模型，缺少對新一代即第2代風(fēng)機(jī)模型的研究與實(shí)證分析，這阻礙了含風(fēng)電滲透電力系統(tǒng)規(guī)劃的進(jìn)一步開展，影響了實(shí)用模型數(shù)據(jù)庫接納風(fēng)電并網(wǎng)模型的進(jìn)程。實(shí)際上，PSS/E兩代模型都滿足低電壓穿越的要求，但是其低電壓穿越能力過于“強(qiáng)大”，即在低壓工況（機(jī)端電壓＜0.9）下運(yùn)行時(shí)無論運(yùn)行多久都不會(huì)切機(jī)，這主要是由于模型沒有考慮實(shí)際風(fēng)機(jī)在低穿狀態(tài)下的承受能力導(dǎo)致的；同時(shí)第2代模型的低壓工況缺少對實(shí)際風(fēng)機(jī)控制中功率保持階段的描述。上述不足無法完整描述實(shí)際風(fēng)機(jī)低電壓穿越過程的輸出特性，極大地影響了在PSS/E環(huán)境下含風(fēng)電滲透電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定分析能力。因此，為能夠完整模擬實(shí)際風(fēng)機(jī)的低電壓穿越情況，需要針對第2代PSS/E風(fēng)機(jī)模型進(jìn)行低電壓穿越保護(hù)模型的自定義。

文獻(xiàn)[5，11]對PSS/E第1代風(fēng)機(jī)模型的工作原理進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析，但是缺乏對PSS/E第2代風(fēng)機(jī)模型的研究；文獻(xiàn)[9]介紹了風(fēng)力發(fā)電統(tǒng)一模型，但并沒有將風(fēng)力發(fā)電統(tǒng)一模型與PSS/E仿真環(huán)境相結(jié)合進(jìn)行討論，也缺乏對模型的仿真分析與實(shí)證應(yīng)用研究。

本文將分析第2代模型現(xiàn)有低壓工況控制環(huán)節(jié)的工作機(jī)理，并結(jié)合PSS/E強(qiáng)大的自定義建模方法[17]對模型已有功能進(jìn)行補(bǔ)充優(yōu)化，依據(jù)風(fēng)機(jī)實(shí)際低電壓穿越特性，建立面向第2代模型的低電壓穿越保護(hù)補(bǔ)充控制模型，并通過與實(shí)際風(fēng)機(jī)在短路故障下的輸出表現(xiàn)進(jìn)行科學(xué)對比，驗(yàn)證所建立模塊的準(zhǔn)確性與實(shí)用性。

1 PSS/E暫態(tài)仿真分析

本文所涉及的風(fēng)機(jī)模型皆為機(jī)電暫態(tài)模型。在PSS/E暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算中，風(fēng)電并網(wǎng)模型屬于等值模型，是圍繞電力系統(tǒng)的需求基于風(fēng)機(jī)詳細(xì)模型簡化建立的。該模型只考慮風(fēng)機(jī)的機(jī)電暫態(tài)特性，忽略了電磁暫態(tài)過程，并以風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)和功率變化為研究重心，大多用于在仿真步長為10 ms、頻率為50 Hz的電力系統(tǒng)正序暫態(tài)穩(wěn)定分析中，適用于包含風(fēng)電機(jī)組的電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)規(guī)劃研究，具有通用性，但是較難應(yīng)用于精確深入的仿真計(jì)算中。本文將解析PSS/E兩大核心功能：潮流計(jì)算與暫態(tài)穩(wěn)定分析之間的關(guān)系，對PSS/E風(fēng)機(jī)暫態(tài)模型的種類和模型結(jié)構(gòu)作簡要介紹。

1.1 PSS/E潮流計(jì)算與暫態(tài)仿真的關(guān)系

潮流計(jì)算和暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算是PSS/E的兩大核心功能，分別在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)上來解釋風(fēng)電場的運(yùn)行狀態(tài)。其中在對風(fēng)電并網(wǎng)模型進(jìn)行分析和驗(yàn)證時(shí)主要使用暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算。兩大功能之間的聯(lián)系如圖1所示。

PSS/E電網(wǎng)數(shù)據(jù)潮流計(jì)算的結(jié)果為暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算提供初值[11]。所以為了后續(xù)順利展開涉及風(fēng)電滲透的電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定仿真，使得分析更具有合理性，潮流計(jì)算是工作的關(guān)鍵。潮流計(jì)算將為PSS/E暫態(tài)仿真過程提供風(fēng)電機(jī)組初始有功功率、無功功率和機(jī)端電壓的賦值和相角。計(jì)算過程中使用靜態(tài)模型。

機(jī)電暫態(tài)模型是進(jìn)行PSS/E風(fēng)機(jī)暫態(tài)穩(wěn)定分析的關(guān)鍵，暫態(tài)穩(wěn)定分析建立在潮流計(jì)算的基礎(chǔ)上，風(fēng)機(jī)除了在潮流計(jì)算中使用的靜態(tài)模型之外，在暫態(tài)分析中還需建立暫態(tài)模型。在暫態(tài)過程中，靜態(tài)模型作為暫態(tài)模型與電網(wǎng)數(shù)據(jù)交互的接口，每執(zhí)行單位步長暫態(tài)仿真，暫態(tài)模型就將求得的輸出值反饋至靜態(tài)模型，再通過潮流計(jì)算實(shí)時(shí)更新電網(wǎng)潮流狀態(tài)。PSS/E風(fēng)機(jī)暫態(tài)模型的認(rèn)識(shí)與理解是進(jìn)行風(fēng)電并網(wǎng)仿真的重心。

1.2 PSS/E風(fēng)機(jī)暫態(tài)模型分類

在風(fēng)機(jī)建模中，為了使風(fēng)機(jī)模型具有通用性，需要從不同的產(chǎn)品中提取共性特征，在正序穩(wěn)定模型的基礎(chǔ)上構(gòu)建通用化的暫態(tài)模型。模型研究人員根據(jù)國際電工委員會(huì)定義的4種風(fēng)機(jī)類型，分別建立了其等值簡化模型[8，10]，稱為第1代風(fēng)電統(tǒng)一模型，該模型忽略了快速動(dòng)態(tài)特性環(huán)節(jié)的模擬，對描述準(zhǔn)確的共性模塊進(jìn)行了保留。同時(shí)研究人員在第1代模型的基礎(chǔ)上不斷優(yōu)化改進(jìn)，使模型的可擴(kuò)展性和模塊化特性加強(qiáng)、各模塊對風(fēng)機(jī)的物理特性描述更準(zhǔn)確、各功能模塊更具標(biāo)準(zhǔn)性，從而形成第2代風(fēng)電統(tǒng)一模型。PSS/E含有的兩代風(fēng)電模型如圖2所示。本文主要考慮包含電力電子設(shè)備的風(fēng)電機(jī)組即雙饋?zhàn)兯亠L(fēng)電機(jī)組和全功率直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組，并且以第2代風(fēng)電模型為主進(jìn)行分析。

1.3 PSS/E第2代風(fēng)機(jī)模型結(jié)構(gòu)

第2代風(fēng)機(jī)模型共包括7個(gè)功能子模塊，如表1所示。相比第1代，第2代模塊數(shù)量更多，各模塊功能更具有獨(dú)立性。通過靈活搭配，同樣一套模塊，即可以用于雙饋風(fēng)機(jī)的構(gòu)建也可以用于全功率直驅(qū)風(fēng)機(jī)的構(gòu)建，這樣減少了模型在建立過程中的重復(fù)性工作。模塊具有共用性是因?yàn)閷τ诓⒕W(wǎng)特性，無論雙饋風(fēng)機(jī)還是直驅(qū)風(fēng)機(jī)都是由電力電子變流器及其控制系統(tǒng)決定的，而與風(fēng)機(jī)本身物理特性相關(guān)較小[12-13]。后續(xù)分析將基于PSS/E第2代雙饋風(fēng)機(jī)暫態(tài)模型展開。

表1 PSS/E第2代風(fēng)機(jī)模型各功能模塊Tab.1 Function modules of PSS/E 2nd-generation wind turbine model

圖3為PSS/E第2代雙饋風(fēng)機(jī)等值模型邏輯結(jié)構(gòu)及各功能模塊對應(yīng)的風(fēng)機(jī)物理結(jié)構(gòu)。圖中，場站級控制下發(fā)無功指令Qref到電氣控制模塊，下發(fā)的有功指令Pref經(jīng)過轉(zhuǎn)矩控制模塊計(jì)算處理后到電氣控制模塊；槳矩角控制模塊根據(jù)發(fā)電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速speed等參數(shù)計(jì)算出槳矩角β，傳入到風(fēng)力機(jī)模塊得到機(jī)械功率；傳動(dòng)鏈模塊根據(jù)機(jī)械功率和電磁功率計(jì)算得到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速speed，電氣控制模塊依據(jù)Pref、Qref和speed等值，通過模型內(nèi)部的無功控制和有功控制以及限流環(huán)節(jié)，求出無功電流指令I(lǐng)qcmd和有功電流指令I(lǐng)pcmd，發(fā)電機(jī)/變流器模塊對Iqcmd和Ipcmd進(jìn)行邏輯處理并通過坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)為可控電流源的電流指令I(lǐng)source。

通過模型研究分析，上述7個(gè)功能模塊中，發(fā)電機(jī)/變流器模塊與電氣控制模塊對風(fēng)機(jī)模型的輸出特性影響最大。這2個(gè)模塊中共包含4個(gè)低壓工況控制環(huán)節(jié)，如表2所示，低壓工況指風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓小于0.9 p.u.時(shí)的運(yùn)行工況。這些環(huán)節(jié)是第2代模型相比第1代在風(fēng)機(jī)運(yùn)行描述上的優(yōu)勢之一。

表2 PSS/E第2代風(fēng)機(jī)模型低壓工況控制環(huán)節(jié)Tab.2 Control links in PSS/E 2nd-generation wind turbine model under low-voltage operation condition

動(dòng)態(tài)電流限幅環(huán)節(jié)提供電氣控制模型中有功電流指令和無功電流指令的限幅值，限幅值將隨當(dāng)前機(jī)端電壓、有功電流指令和無功電流指令的實(shí)際大小動(dòng)態(tài)改變；低壓無功電流控制環(huán)節(jié)的作用在于風(fēng)機(jī)處于低壓工況時(shí)對電氣控制模型和轉(zhuǎn)矩控制模型中的一些狀態(tài)環(huán)節(jié)進(jìn)行凍結(jié)，并完全控制低壓工況期間無功電流指令的輸出變化；低壓有功電流動(dòng)態(tài)限幅環(huán)節(jié)會(huì)為有功電流動(dòng)態(tài)設(shè)置限幅值，而該限幅值的設(shè)置與機(jī)端電壓有關(guān)，在風(fēng)機(jī)處于低壓工況下，將控制限幅值隨著機(jī)端電壓的增大而升高；低壓有功電流控制環(huán)節(jié)會(huì)對風(fēng)機(jī)模型處于低壓工況時(shí)注入電網(wǎng)的有功電流乘以小于1的系數(shù)，以減少風(fēng)機(jī)有功輸出。

上述環(huán)節(jié)的目的即模擬實(shí)際風(fēng)機(jī)在低穿過程中降低有功功率并提升無功功率的工況，這將有助于系統(tǒng)故障快速恢復(fù)。通過研究分析，為了使PSS/E能夠準(zhǔn)確模擬實(shí)際風(fēng)機(jī)故障清除后的功率保持階段，低壓無功電流控制環(huán)節(jié)的參數(shù)設(shè)置是功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵所在，而其他環(huán)節(jié)幾乎不起作用，不再贅述。

2 第2代風(fēng)機(jī)模型電氣控制模塊及其低壓無功電流控制環(huán)節(jié)工作機(jī)理分析

低壓無功電流控制環(huán)節(jié)屬于電氣控制模塊無功功率控制邏輯通道上的重要組成部分，為了更準(zhǔn)確地地描述該環(huán)節(jié)的作用，需要結(jié)合模塊整體進(jìn)行分析。

如圖4為PSS/E第2代風(fēng)機(jī)模型電氣控制邏輯REEC_A。無功控制邏輯包括2種控制方式：恒定功率因數(shù)控制和恒定無功控制。功率因數(shù)PF和無功參考值Qref由潮流計(jì)算得出。與WT3E1的無功控制邏輯同理，Qcmd經(jīng)過限幅邏輯后與風(fēng)機(jī)無功出力Qelec比較做差，差值通過PI環(huán)節(jié)得到電壓內(nèi)環(huán)指令值Vt_ord。Vt_ord經(jīng)過限幅邏輯后與風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓Vt_filt做差，差值通過PI環(huán)節(jié)得到指令值Iqcmd’。但無功電流指令值Iqcmd并不等于Iqcmd’，與第1代雙饋風(fēng)機(jī)電氣控制模塊不同的是REEC_A包括低壓狀態(tài)控制環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)輸出Iqinj，用于對無功電流指令值進(jìn)行補(bǔ)償，即無功電流指令值Iqcmd=Iqcmd’+Iqinj。

Voltage_dip用于判斷當(dāng)前風(fēng)機(jī)是否處于低電壓（或高電壓）運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)機(jī)端電壓Vt小于最小電壓設(shè)定值Vdip或者大于最大電壓設(shè)定值Vup時(shí)，Voltage_dip=1；當(dāng)機(jī)端電壓Vt大于Vdip并且小于Vup時(shí)，即風(fēng)機(jī)處于正常運(yùn)行狀態(tài)，Voltage_dip=0。Iqinj包括3種狀態(tài)，這3種狀態(tài)與Voltage_dip的取值息息相關(guān)。圖5描述了REEC_A低壓工況下Iqinj狀態(tài)改變過程。

當(dāng) Voltage_dip=0時(shí)為狀態(tài) 0，Iqinj=0。 當(dāng) Voltage_dip變?yōu)?時(shí)（即風(fēng)機(jī)從正常運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)為低壓運(yùn)行狀態(tài)），狀態(tài)由0轉(zhuǎn)為1，開啟風(fēng)機(jī)低壓工作狀態(tài)下無功電流控制環(huán)節(jié)，Iqinj=Iqv。Iqv通過電壓參考值與風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓的差值乘以系數(shù)Kqv得到，在風(fēng)機(jī)處于低壓狀態(tài)時(shí)提供更多無功電流，達(dá)到支撐機(jī)端電壓的效果。當(dāng)Voltage_dip從1變?yōu)?時(shí)（即風(fēng)機(jī)從低壓運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)為正常運(yùn)行狀態(tài)），若狀態(tài)保持時(shí)間 Thld＜0，將繼續(xù)維持狀態(tài) 1（即 Iqinj=Iqv）|Thld|時(shí)間后轉(zhuǎn)為狀態(tài)0；若Thld＞0，狀態(tài)1將變?yōu)闋顟B(tài)2，此時(shí)Iqinj=Iqfrz，Iqfrz為恒定值， 狀態(tài)2維持時(shí)間Thld后轉(zhuǎn)為狀態(tài)0。上述即為風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓從跌落到恢復(fù)過程中補(bǔ)償無功電流Iqinj的狀態(tài)變化過程，Iqinj在風(fēng)機(jī)處于低壓狀態(tài)時(shí)輸出額外的無功功率，以維持機(jī)端電壓使其不至于過低，Thld的存在使風(fēng)機(jī)電壓開始恢復(fù)后繼續(xù)輸出較高無功以加快機(jī)端電壓恢復(fù)速度。Iqinj對無功電流指令的補(bǔ)充很好地模擬了風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行中的低壓保護(hù)環(huán)節(jié)。

根據(jù)前述分析可知，無功控制通道輸出的無功電流指令I(lǐng)qcmd=Iqcmd’+Iqinj，在風(fēng)機(jī)低壓運(yùn)行時(shí)，圖4中無功外環(huán)PI環(huán)節(jié)s2和電壓內(nèi)環(huán)PI環(huán)節(jié)s3的狀態(tài)將會(huì)凍結(jié)，即Iqcmd’將會(huì)維持其在風(fēng)機(jī)正常狀態(tài)下的值，低壓工況下無功電流的調(diào)節(jié)完全由Iqinj負(fù)責(zé)。無功控制這種按工況“分段合作”的方式使風(fēng)機(jī)在低壓時(shí)能夠在無功輸出上快速做出反應(yīng)，并在電壓恢復(fù)時(shí)使無功輸出迅速達(dá)到正常值。該環(huán)節(jié)是實(shí)現(xiàn)低穿過程故障清除后無功功率保持階段的關(guān)鍵參數(shù)。

與第1代相比，REEC_A有功控制通道主要有3點(diǎn)不同：①不包含有功-轉(zhuǎn)速曲線；②可以選擇是否計(jì)及風(fēng)機(jī)有功輸出振蕩；③有功功率指令Pord低壓工況時(shí)狀態(tài)凍結(jié)。對于第①點(diǎn)，REEC_A既可用于雙饋風(fēng)機(jī)也可用于永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)，為了兼容直驅(qū)風(fēng)機(jī)第2代風(fēng)機(jī)模型，將轉(zhuǎn)矩控制單獨(dú)建立了轉(zhuǎn)矩控制模塊WTGTRQ_A，所以雙饋風(fēng)機(jī)的有功控制需要搭配REEC_A和WTGTRQ_A一起使用；對于第②點(diǎn)，若模擬風(fēng)機(jī)有功輸出振蕩，則有功參考值Pref需乘以發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ωg后求得Pord；對于第③點(diǎn)，與無功控制類似，在低壓工況時(shí)將會(huì)對一階慣性環(huán)節(jié)s5的狀態(tài)進(jìn)行凍結(jié)，使Pord保持在正常工作時(shí)的取值，待狀態(tài)恢復(fù)后，有功輸出可以迅速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

對于REEC_A有功控制通道，本文的研究內(nèi)容主要關(guān)注其一階慣性環(huán)節(jié)s5中的限幅值Pmax和Pmin，該限幅值是實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)切機(jī)后再并網(wǎng)功率漸進(jìn)爬升和低壓穿越過程故障清除后有功功率保持階段的關(guān)鍵參數(shù)。

3 低電壓穿越功能補(bǔ)充模型實(shí)現(xiàn)

針對PSS/E第2代風(fēng)機(jī)模型低壓穿越過程工況描述上的缺陷，結(jié)合第2節(jié)的電氣控制模塊原理解析，并結(jié)合風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況構(gòu)建針對風(fēng)機(jī)低穿狀態(tài)描述的補(bǔ)充模型。該模型將對風(fēng)機(jī)的機(jī)端電壓、功率輸出和在線狀態(tài)進(jìn)行輔助控制，以使風(fēng)機(jī)模型能夠模擬風(fēng)機(jī)低電壓穿越能力“最弱”情況下的風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況以及模擬電壓跌落故障消除后功率保持階段。補(bǔ)充模型將使第2代風(fēng)機(jī)模型對實(shí)際風(fēng)機(jī)低穿下運(yùn)行狀態(tài)的描述趨于完整。

PSS/E暫態(tài)模型自定義建模流程如圖6所示。首先，用戶基于Fortran語言建立描述模型功能的數(shù)學(xué)模型[7]，根據(jù)數(shù)學(xué)模型編寫程序并編譯生成包含模型信息的動(dòng)態(tài)庫文件（*.dll），PSS/E在動(dòng)態(tài)仿真過程中調(diào)用*.dll文件，即可在仿真過程中應(yīng)用所建立模型。

3.1 模擬風(fēng)機(jī)低壓穿越能力最弱工況實(shí)現(xiàn)原理

PSS/E提供了自定義建模的功能[14-15]，本文建立的風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越模塊包括2部分：低電壓穿越和風(fēng)機(jī)再并網(wǎng)。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越失敗后切機(jī)、并網(wǎng)點(diǎn)電壓穩(wěn)定后需要重新并網(wǎng)的情況下，風(fēng)機(jī)再并網(wǎng)部分才會(huì)起作用。應(yīng)用該模型的風(fēng)機(jī)為PSS/E第2代風(fēng)機(jī)模型。

本模型在PSS/E自定義模型中屬于其他雜項(xiàng)類模型（miscellaneous“other” type models），IC=512，IT=0，模型的主要參數(shù)有：常量 GAP、X1（最低電壓點(diǎn)持續(xù)時(shí)間）、X2（低電壓持續(xù)時(shí)間）、H1（低電壓穿越期間最低電壓）、H2（低電壓穿越期間最高電壓）、GFT、TFT、VV和整數(shù)型常量BUSNUM。

1）低電壓穿越定義

我國風(fēng)電場的低電壓穿越要求如圖7所示。當(dāng)風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)處電壓在圖7中電壓輪廓線以上時(shí)，要求風(fēng)電場保持并網(wǎng)狀態(tài)不間斷運(yùn)行；當(dāng)此電壓在輪廓線以下，則允許風(fēng)電機(jī)組從電網(wǎng)切機(jī)[16]。

我國規(guī)定風(fēng)電場低電壓穿越要求如下：風(fēng)電機(jī)組在并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌至20%額定電壓時(shí)，仍然具有保持并網(wǎng)運(yùn)行625 ms的低電壓穿越能力；風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓在發(fā)生跌落后3 s內(nèi)恢復(fù)到額定電壓的90%，這段時(shí)間風(fēng)電場的風(fēng)電機(jī)組保持并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。

PSS/E第2代風(fēng)機(jī)模型在設(shè)計(jì)時(shí)沒有考慮風(fēng)機(jī)在低壓穿越狀態(tài)下的承受能力，即風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓無論跌落現(xiàn)象多嚴(yán)重，都能繼續(xù)保持并網(wǎng)狀態(tài)并不斷輸出有功，而這與風(fēng)機(jī)實(shí)際工況不符。因此需要對風(fēng)機(jī)模型的低壓穿越能力加以限制，以模擬風(fēng)機(jī)處于最差低壓穿越能力下對電網(wǎng)運(yùn)行的影響。低壓穿越能力“最弱”表現(xiàn)為當(dāng)風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓觸及輪廓線時(shí)風(fēng)機(jī)就立刻切機(jī)，在滿足低壓穿越要求的前提下最大程度地實(shí)現(xiàn)對風(fēng)機(jī)的保護(hù)。

2）低電壓穿越部分的實(shí)現(xiàn)

X1、X2和 H1、H2如圖7中所示， 當(dāng)風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)電壓小于GAP，風(fēng)電機(jī)組進(jìn)入低電壓穿越，仿真實(shí)驗(yàn)中GAP設(shè)為0.9。設(shè)風(fēng)機(jī)于t1時(shí)刻進(jìn)入低電壓穿越，當(dāng)前仿真時(shí)間為t，則低電壓穿越過程分為2段：

（1）當(dāng) t1≤t＜t1+X1時(shí)，如果并網(wǎng)點(diǎn)電壓低于 H1，則風(fēng)機(jī)切機(jī)。仿真中X1設(shè)為0.625，H1設(shè)為0.2。

（2）當(dāng) t1+X1≤t≤t1+X2時(shí)，如果并網(wǎng)點(diǎn)電壓低于Hx，則風(fēng)機(jī)切機(jī)。其中

仿真中X2設(shè)為3，H2設(shè)為3。切機(jī)采用接口與函數(shù) CALL GENTRP（BUSNUM，IM）。BUSNUM 為風(fēng)機(jī)所接母線編號(hào)，IM為風(fēng)機(jī)編號(hào)。

3）風(fēng)機(jī)再并網(wǎng)部分的實(shí)現(xiàn)

風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越失敗后，風(fēng)機(jī)被切除，當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓恢復(fù)到GFT以上并維持一定時(shí)間TFT后，風(fēng)電機(jī)組重新并網(wǎng)。重新并網(wǎng)時(shí)要求風(fēng)機(jī)有功輸出Pelec從0遞進(jìn)增長至額定功率Prate，遞進(jìn)增長速度為每仿真 10 個(gè)單位步長，Pelec（p.u.）增長VV。在本文仿真實(shí)驗(yàn)中，仿真單位步長為0.01 s，GFT設(shè)為0.95，TFT設(shè)為3，VV設(shè)為0.01。TFT與VV的值可根據(jù)工程實(shí)際自行定義。

風(fēng)機(jī)采用第2代風(fēng)機(jī)模型，有功輸出Pelec的遞進(jìn)增長控制如下：并網(wǎng)時(shí)設(shè)REECAU1模型中一階慣性環(huán)節(jié)s5的限幅值Pmax=Pmin=0，之后每仿真10個(gè)單位步長Pmax和Pmin就遞增VV，直到Pmax=Pmin=Pelec為止。最后將Pmax和Pmin改回并網(wǎng)前的數(shù)值。

3.2 模擬電壓跌落故障消除后功率保持階段的實(shí)現(xiàn)原理

實(shí)際風(fēng)機(jī)在低電壓穿越期間，當(dāng)故障清除后，會(huì)有有功功率和無功功率保持階段，該階段將維持風(fēng)機(jī)故障情況下功率輸出，以加快系統(tǒng)恢復(fù)，如圖8所示，1 s時(shí)發(fā)生故障，2 s時(shí)故障清除，Thold為保持時(shí)間，在實(shí)際控制中，Thold和保持階段的功率都可以設(shè)置。

根據(jù)第2節(jié)的分析可知，低電壓無功電流控制環(huán)節(jié)在低電壓穿越期間可以接管無功控制，并通過設(shè)置參數(shù)Thld和Iqfrz以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)恢復(fù)后的無功保持。為了禁止正常工況環(huán)節(jié)（圖4中s2和s3環(huán)節(jié)）參與低壓穿越下的無功控制，需設(shè)置s2和s3環(huán)節(jié)PI系數(shù)均為0，即

這樣就實(shí)現(xiàn)了低電壓工況和正常工況下的“分段控制”，使得不同工況下進(jìn)行切換時(shí)風(fēng)機(jī)無功輸出能夠快速反應(yīng)，即故障期間與功率保持階段 Thld，有

其他階段則有

上述設(shè)置中，圖5環(huán)節(jié)s3的輸出恒定等于正常運(yùn)行工況下Iqcmd的大小，PI調(diào)節(jié)失效，即低電壓工況和維持時(shí)間Thld階段由低壓無功環(huán)節(jié)負(fù)責(zé)無功電流控制，該階段結(jié)束后由于低壓控制環(huán)節(jié)失效以及s3環(huán)節(jié)輸出恒定，使得Iqcmd立即恢復(fù)至正常工況下數(shù)值。

低壓穿越結(jié)束后有功保持通過動(dòng)態(tài)設(shè)置圖5中s5環(huán)節(jié)限幅值Pmax來實(shí)現(xiàn)，即故障恢復(fù)后Pmax設(shè)為功率保持值，維持時(shí)間結(jié)束后Pmax再恢復(fù)之前的大小。Pmax的動(dòng)態(tài)設(shè)置需要自行建模，其實(shí)現(xiàn)原理較為簡單：通過讀取Voltage_dip的取值判斷故障是否清楚，即當(dāng)Voltage_dip由0轉(zhuǎn)為1時(shí)，Pmax開始等于維持值，并持續(xù)Thld時(shí)間，Thld結(jié)束后Pmax恢復(fù)原值。

4 仿真分析

4.1 低穿能力最弱工況仿真驗(yàn)證

本文采用上海電網(wǎng)作為實(shí)際算例系統(tǒng)，進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越模塊仿真，驗(yàn)證所建立模塊的正確性。將所建風(fēng)電機(jī)組接入上海電網(wǎng)，其仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖9所示。

所建立的風(fēng)電機(jī)組采用PSS/E第2代風(fēng)機(jī)模型對風(fēng)電場進(jìn)行等值模擬，風(fēng)電機(jī)組額定功率100 MW，功率因數(shù)0.95，母線4與母線5之間采用雙回線路。為了使風(fēng)機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)電壓降低，仿真中在母線4和母線5之間的線路L1上設(shè)置三相短路故障以實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)的電壓跌落，通過改變短路阻抗數(shù)值來改變風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓Vt，使Vt分別等于0.42 p.u.、0.51 p.u.、0.60 p.u.、0.71 p.u.和 0.82p.u.， 觀 察風(fēng)機(jī)的切機(jī)時(shí)間以及故障清除后風(fēng)電機(jī)組的機(jī)端電壓、有功輸出和無功輸出的恢復(fù)情況。

以L1發(fā)生三相短路故障后Vt=0.6為例進(jìn)行說明。如圖10所示為2種不同仿真過程下同一風(fēng)機(jī)模型的機(jī)端電壓變化過程，該風(fēng)機(jī)模型搭配了低電壓穿越自定義模塊。V1的仿真過程為：在1.0 s時(shí)故障，4.0 s時(shí)故障清除；V2的仿真過程為：1.0 s時(shí)故障，2.9 s時(shí)故障消除。V2工況下由于故障及時(shí)清除，使得機(jī)端電壓在即將觸及輪廓線之時(shí)立刻抬升，避免了被切機(jī)。而V1由于故障時(shí)間較長，機(jī)端電壓在沒恢復(fù)到正常狀態(tài)之前就觸及到了輪廓線，導(dǎo)致其在3.0 s時(shí)切機(jī)。切機(jī)后V2依然變化，這是因?yàn)閳D中電壓曲線實(shí)際為風(fēng)機(jī)所接節(jié)點(diǎn)母線的電壓，切機(jī)后該節(jié)點(diǎn)電壓由系統(tǒng)支撐，所以在4.0 s時(shí)V2迅速提升。后續(xù)仿真中的電壓曲線也都是相同情況。

由圖10可知，由于曲線V1的故障時(shí)間較長，風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越失敗后切機(jī)，根據(jù)式（1）可知，理論上仿真時(shí)間t=3 s時(shí)切機(jī)，曲線V1與仿真結(jié)果符合。曲線V2由于故障時(shí)間較短低電壓穿越成功，沒有出現(xiàn)切機(jī)誤觸發(fā)的現(xiàn)象，證明了模塊的準(zhǔn)確性。

仿真條件與上述分析相同，圖11所示為發(fā)生故障后機(jī)端電壓Vt分別下降到0.42 p.u.、0.51 p.u.、0.60 p.u.、0.71 p.u.和 0.82 p.u.時(shí)的變化曲線對比，圖中分別對應(yīng) V1、V2、V3、V4和 V5。 由圖 11 可見，各情況下切機(jī)時(shí)間點(diǎn)都處于低電壓穿越曲線輪廓上，風(fēng)機(jī)再并網(wǎng)的時(shí)間點(diǎn)符合第3節(jié)中的描述，且再并網(wǎng)后風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓Vt能夠恢復(fù)到故障前的狀態(tài)。

以L1發(fā)生三相短路故障后Vt=0.6 p.u.為例進(jìn)行分析說明風(fēng)機(jī)有功輸出變化。風(fēng)機(jī)低電壓穿越失敗再并網(wǎng)過程機(jī)端電壓和有功輸出變化如圖12所示，圖中曲線P為風(fēng)電機(jī)組有功輸出Pelec，仿真過程與上述分析母線1電壓一樣，在仿真到1.0 s時(shí)對L1設(shè)置三相短路故障，有功輸出下降，在3.0 s時(shí)風(fēng)機(jī)切機(jī)，有功輸出下降至0；在4.0 s時(shí)故障清除，7.1 s時(shí)風(fēng)機(jī)重新并網(wǎng)，有功輸出Pelec開始逐漸上升，直至額定功率為止，從而徹底完成風(fēng)機(jī)重新并網(wǎng)，有功輸出上升速率為每0.1 s上升0.01（p.u.）。有功輸出的仿真結(jié)果與第3節(jié)中所述相同。

上述仿真分析驗(yàn)證了補(bǔ)充模型在風(fēng)機(jī)低壓穿越能力“最差”情況下對切機(jī)時(shí)間點(diǎn)的精確把握，并能夠模擬實(shí)際風(fēng)機(jī)再并網(wǎng)后的功率爬升過程。

4.2 基于實(shí)際風(fēng)機(jī)電壓跌落故障下的功率維持工況仿真對比驗(yàn)證

將PSS/E第2代風(fēng)機(jī)模型與實(shí)際風(fēng)機(jī)在短路故障下的輸出特性進(jìn)行對比分析，其中風(fēng)機(jī)實(shí)際故障曲線由中國電科院新能源所提供。故障工況如下：研究對象為1.5 MW雙饋風(fēng)機(jī)，在送出線路出現(xiàn)三相短路故障，該故障持續(xù)時(shí)間1 705 ms，導(dǎo)致雙饋風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓降低至0.75 p.u.。在PSS/E下模擬相同的工況，得到輸出對比曲線如圖13所示。

實(shí)際風(fēng)機(jī)故障曲線包括風(fēng)機(jī)有功輸出、無功輸出以及機(jī)端電壓曲線，圖13中分別為實(shí)際故障曲線、電科院工作人員使用仿真軟件EPRI得到的曲線和PSS/E仿真曲線。

依據(jù)第3節(jié)中低電壓穿越狀態(tài)下的無功控制分析，設(shè)置正常工況下無功控制通道的PI環(huán)節(jié)系數(shù)為0，開啟低電壓無功電流控制環(huán)節(jié)，并設(shè)置故障消除后的功率保持時(shí)間Thld=0.495 0 s和無功電流保持值Iqfrz以使無功輸出維持在0左右。

應(yīng)用第3節(jié)提到的Pmax動(dòng)態(tài)設(shè)置自定義模型，以實(shí)現(xiàn)有功輸出在故障清除后的功率保持。該模型可以獲取電壓跌落和故障清除時(shí)刻，在發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障清除后，設(shè)置保持時(shí)間為0.495 0 s，并在保持階段將圖4中Pmax動(dòng)態(tài)設(shè)為0.68 p.u.。

通過圖13的對比可知，PSS/E第2代雙饋風(fēng)機(jī)模型仿真輸出曲線比較符合實(shí)際風(fēng)機(jī)輸出情況，其中對于故障清除后保持階段的模擬與實(shí)際情況相符合，這驗(yàn)證了低電壓無功電流控制環(huán)節(jié)的必要性，也證明了第3節(jié)提出的Pmax動(dòng)態(tài)設(shè)置自定義模型的合理性。

通過上述實(shí)際算理仿真分析可知，仿真結(jié)果符合低電壓穿越與風(fēng)機(jī)切機(jī)后再并網(wǎng)的要求，對于故障清除后也能很好地模擬實(shí)際風(fēng)機(jī)的功率維持階段，證明了所建立的低電壓穿越特性補(bǔ)充模型的準(zhǔn)確性。由此可看出，該低電壓穿越模塊對于計(jì)及風(fēng)電隨機(jī)波動(dòng)性的實(shí)際系統(tǒng)算例的仿真模擬具有一定的實(shí)際工程應(yīng)用意義。

5 結(jié)語

本文對PSS/E第2代風(fēng)機(jī)模型的工作機(jī)理進(jìn)行了深入探究，建立了面向第2代風(fēng)機(jī)模型的風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越特性功能補(bǔ)充模型，通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性與實(shí)用性。該工作填補(bǔ)了基于PSS/E第2代風(fēng)機(jī)模型進(jìn)行功能擴(kuò)展上的研究空白，豐富了PSS/E暫態(tài)模型庫，賦予該軟件平臺(tái)進(jìn)行大規(guī)?？稍偕茉床⒕W(wǎng)發(fā)電動(dòng)態(tài)分析的核心功能。

該工作有助于電力系統(tǒng)研究人員更好地應(yīng)用PSS/E進(jìn)行圍繞第2代風(fēng)機(jī)模型的仿真研究，更快速、高效地建立自定義模型以及進(jìn)行高比例風(fēng)力發(fā)電接入電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究，將對電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)及運(yùn)行控制各環(huán)節(jié)提供實(shí)際參考指導(dǎo)意義。