2015风电机组电气仿真模型建模导则

风电机组电气仿真模型建模导则II目 次前言 II范围 1规范性引用文件 1术语和定义 1符号、代号和缩略语 2风电机组模型 4基本要求 4模型接口和初始化 4风电机组模型结构 5子模块模型 10模型验证方法与步骤 15验证基本原则 15验证工况 16仿真与测试数据要求 16模型验证步骤 17验证结果评价 19附 录 A（资料性附录）风电机组模型验证用测试数据格式 20附 录 B（规范性附录）故障过程分区方法 21附 录 C（资料性附录）模型验证结果 23参考文献 25编制说明 26PAGEPAGE10风电机组电气仿真模型建模导则范围本标准规定了风电机组电气仿真模型的分类、结构、子模块实现以及模型验证方法与步骤。本标准适用于电力系统稳定计算用风电机组电气仿真模型的建模和验证。规范性引用文件GB/T19963-2011风电场接入电力系统技术规定NB/TXXXX风电机组低电压穿越建模及验证方法NB/TXXXX风电机组低电压穿越能力测试规程3.1风电机组额定功率ratedpowerforwindturbines风电机组连续稳定运行在额定工况时输出的有功功率。3.2电力系统稳定powersystemstability电力系统受到大扰动后，过渡到新的或恢复到原来稳态运行方式的能力。3.3低电压穿越 LowVoltageridethrough3.4电压跌落发生装置voltagedipgenerator在低电压穿越测试中，使测试点产生满足测试要求电压跌落的试验设备。3.5电压跌落幅值depthofvoltagedip电压跌落期间线电压最小值与额定值的比值，以标幺值或百分比表示。3.6稳态区间steady-staterange风电机组并网运行时，机端电压不发生瞬时突变，保持稳定运行的过程区间。3.7暂态区间transient-staterange3.8基波正序分量positivesequencecomponentofthefundamental三相系统的基波分量中，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:X1

1X3L1

XL2

X

………(1)式中：α是120°XL1XL2XL3X电压的相矢量。3.9基波负序分量negativesequencecomponentofthefundamentalX2

1X3L1

2XX

XL3

………..…………….(2)式中：α是120°XL1XL2XL3X电压的相矢量。符号、代号和缩略语下列符号适用于本标准：β 叶片桨距角βcmd 主控制系统桨距角指令ωgen 发电机角速度ωref 风力机初始角速度ωWTR 风力机角速度ωWTRn 风力机额定角速度UWTTG 风电机组发电机变流器系统端电压UWTT 风电机组机端电压VW 风速稳态运行有功功率参考值QWTref 稳态运行无功功率参考值VWTref 稳态运行电压参考值ρ 空气密度csh 传动链轴系阻尼系数cp 风能转换效率系数fWTT 风电机组机端电压频率F1 变流器保护触发标志F2 风电机组保护触发标HWTR 风力机惯性时间常数Hgen 发电机惯性时间常数IWTTG 风电机组发电机变流器系统端电流IWTT 风电机组机端电流In 风电机组额定电流IQ 风电机组无功电流Ir 发电机转子电流ksh 传动链轴系刚度系数风电机组机端有功功率Pn 风电机组额定功率Paero 风电机组捕获的风功率Pgen 发电机有功功率风电机组机端无功功Qcmd 风电机组无功功率指R 风力机叶轮半径Tcmd 风电机组转矩指令Tinit 风力机初始转矩TP 变桨系统等效惯性时间常数UG 模型验证用等效电网电压S1 旁路开关S2 短路开关Sk 电压跌落发生装置电网侧接入点短路容量Ψ 电压跌落发生装置电网侧接入点阻抗角Z1 限流阻抗Z2 短路阻抗F1_IQ 无功电流稳态区间平均偏差F2_IQ 无功电流暂态区间平均偏差F3_IQ 无功电流稳态区间平均绝对偏F4_IQ 无功电流暂态区间平均绝对偏F5_IQ 无功电流稳态区间最大偏差FAIQ 无功电流A时段平均绝对偏差FBIQ 无功电流B时段平均绝对偏差FCIQ 无功电流C时段平均绝对偏差FG_IQ 无功电流加权平均绝对偏差F1_P 有功功率稳态区间平均偏差F2_P 有功功率暂态区间平均偏差F3_P 有功功率稳态区间平均绝对偏F4_P 有功功率暂态区间平均绝对偏F5_P 有功功率稳态区间最大偏差FAP 有功功率A时段平均绝对偏差FBP 有功功率B时段平均绝对偏差FCP 有功功率C时段平均绝对偏差FG_P 有功功率加权平均绝对偏差F1_Q 无功功率稳态区间平均偏差F2_Q 无功功率暂态区间平均偏差F3_Q 无功功率稳态区间平均绝对偏F4_Q 无功功率暂态区间平均绝对偏F5_Q 无功功率稳态区间最大偏差FAQ 无功功率A时段平均绝对偏差FBQ 无功功率B时段平均绝对偏差FCQ 无功功率C时段平均绝对偏差FG_Q 无功功率加权平均绝对偏差FU 电压稳态区间平均绝对偏差风电机组模型基本要求风电机组电气仿真模型为机电暂态模型，应能反映故障下基频正序响应特性，仿真步长宜为1-10ms，适用于电力系统稳定分析。风电机组模型应包含对风电机组正常运行和故障运行下的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。模型接口和初始化模型接口风电机组模型与电网模型的接口如图1所示，分为潮流计算和动态仿真两个环节进行说明。潮流计算环节，风电机组模型作为PQ节点或PV节点，电网模型将潮流计算结果提供给风电机组模型。动态仿真环节，风电机组模型采用机端电压作为输入，输出机端电流提供给电网模型。风电机组模型可接受来自风电场控制器的指令设定值，包括有功功率参考值、无功功率参考值或电压参考值。图1风电机组模型和电网模型接口风电机组模型初始化初始化用来提供动态仿真的稳态工作点和初始值。风电机组模型根据无功电压控制策略的不同，可设置为PQ节点或PV节点提供给电网模型；电网模型通过潮流计算进行初始化，并将潮流结果提供给风电机组模型。电网模型提供给风电机组模型的潮流结果包括风电机组机端电压和相角、有功和无功功率；当风电机组输出无功功率超出无功上下限约束时，自动转为PQ节点；完成潮流计算，确定风电机组机端电压和相角、有功和无功功率；风电机组模型根据潮流结果确定运行工作点；风电机组进行控制模块的初始化。图2风电机组模型和电网模型的初始化风电机组模型初始化时，风电机组模型参数包括：物理参数，如发电机转动惯量、空气动力学系数等；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；控制器参数，如控制器限幅等。（如有功功率指令、无功功率指令）等。风电机组模型结构风电机组通用模型结构风电机组可分为四类进行建模。——1型：定速风电机组——2型：滑差控制变速风电机组——3型：双馈变速风电机组——4型：全功率变频风电机组31。不同类型风电机组，可根据实际风电机组结构对模型进行调整。图3风电机组模型结构图1型风电机组1411型风电机组可以分为故障期间具有变桨控制能力和不具备变桨控制能力两种型式。1型风电机组图中：WTR——风力机风轮； GB——齿轮箱；AG——异步发电机； FC——固定电容器组；VC——可变电容器组； CB——断路器；TR——箱变； WTT——风电机组端口。图41型风电机组接线方式5所示，VWTref5.4。图51型风电机组模型结构2型风电机组622图中：WTR——风力机风轮； GB——齿轮箱；WRAG——绕线式异步发电机； VRR——可变转子电阻；FC——固定电容器组； VC——可变电容器组；CB——断路器； TR——箱变；WTT——风电机组端口。图62型风机接线方式72型风电机组通常配置了桨距角控制系统，因此控制系统包含了可变转子电阻控制和桨距角控制。空气动力学模型、5.4。图72型风电机组模型结构3型风电机组83Crowbarchopper3图中：WTR——风力机风轮； GB——齿轮箱；WRAG——绕线式异步发电机； GSC——机侧变流器；LSC——网侧变流器； Crowbar——Crowbar电路；CH——chopper电路； C——直流电容；L——电抗器； CB——断路器；TR——箱变； WTT——风电机组端口。图83型风机接线方式9所示。3型风电机组模型结构中发电机变流器系统包含发电机模型和5.4。图93型风电机组模型结构4型风电机组10所示，电气设备包括发电机、变流器、44型风电机组还包括与直流电chopper4型风电机组低电压穿越。仿真模型包含箱变模型。图中：WTR——风力机风轮； GB——齿轮箱；SG/AG—同步/异步发电机； GSC——机侧变流器；LSC——网侧变流器； C——直流电容；CH——chopper电路； L——电抗器；CB——断路器； TR——箱变；WTT——风电机组端口。图104型风机接线方式4114chopper保护电路防止直流电容过chopper45.4。图114型风电机组模型结构子模块模型空气动力学模型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：P CR2V3 （3）aero2p w风能转换效率系数cp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。空气动力学模型可采用如图12所示的模型结构。图12空气动力学模型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13所示的两质量块模型。图13传动链两质量块模型发电机和变流器系统4种类型风电机组的发电机变流器系统采用不同的仿真模型。1214所示，可在标准异步发电机模型的转子绕组上增加可变电阻进LR、u、idqdqsr分别代表定子和转子变量，Lm为同步转速。图142型风电机组发电机模型315Crowbar电的电压源，网侧变流器模型可被模拟为理想的电流源。图中，发电机模型中的L、R、u、、i分别dqdqsr分别代表定子和转子变量，Lm为同步转速。图153型风电机组发电机和变流器系统模型4chopper416所示，发电机和变流器系统可模拟为理想的电流源。图164型风电机组发电机和变流器系统模型控制系统2控制系统包含桨距角控制和可变转子电阻控制。桨距角控制如图17所示。18

图17桨距角控制模型图18可变转子电阻控制模型3控制系统包含桨距角控制、机侧变流器控制和网侧变流器控制。桨距角控制桨距角控制如图17所示。对于低电压穿越期间具有快速变桨功能的风电机组，应在桨距角控制模型中增加快速变桨功能的模拟。机侧变流器控制机侧变流器控制模型如图19所示，根据控制状态判断，机侧变流器控制包括稳定运行控制模块、故障穿越运行控制模块两部分。图19机侧变流器控制模型2021所示。2021故障穿越运行控制状态通过检测风电机组机端电压并根据低电压穿越曲线判断。故障穿越运行控制下，变流器电流输出切换到故障穿越运行控制模块的输出。故障穿越运行状态下，有功电流和无功电流应保证满足公式（4）的关系：i2i2I'2

………………(4)d q maxmaxImax

为变流器暂态过程中允许输出的最大电流。网侧变流器控制22所示，有功电流分量用于控制直流电容电压恒定，无功电流分量0图22网侧变流器控制模型4chopper423所示。图234型风电机组有功控制模块4型风电机组无功控制模型分为稳定运行状态和故障穿越运行状态两部分，典型控制模块与3型风电机组机侧变流器的无功控制模型相同。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保护如超速保护3Crowbar3型风电4Chopper保护电路时，如果需要准确模拟直流电容电压的动态，则Chopper保护电路的动作特性需要模拟。电气设备电气设备模型是指与风电机组机端连接的电气设备，一般包括并网开关和箱式变压器，对于1型和2——原边线圈电阻；——原边线圈漏抗；——副边线圈电阻；——副边线圈漏抗；——线圈匝比；——变压器联结组别；——变压器分接头位置。模型验证方法与步骤验证基本原则模型验证的主要内容为电网电压扰动工况下的模型仿真与测试数据的对比。模型验证考核量包括电压、有功功率、无功功率和无功电流。模型验证选取风电机组箱式变压器低压侧（或高压侧）数据开展模型验证。基波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波负序分量的验证可参考本标准。验证工况依据Q/GDWXXXX《风电机组低电压穿越测试规范》中规定的测试类别，分别在以下功率范围、故障类型和电压跌落幅值的工况下验证。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。大功率输出状态，P>0.9Pn；小功率输出状态，0.1Pn≤P≤0.3Pn。故障类型模型验证的工况包括三相对称故障和两相不对称故障。电压跌落Q/GDWXXXX《风电机组低电压穿越测试规范》中规0.75±0.05、0.50±0.05、0.35±0.05、0.20±0.05四种。其他工况除6.2.1、6.2.2和6.2.3条中规定的验证工况外，为验证风电机组模型保护模块等仿真功能，可由模型验证方与模型提交方协商确定其他验证工况。仿真与测试数据要求测试数据模型验证应采用该型风电机组按照Q/GDWXXXX《风电机组低电压穿越测试规范》进行低电压穿越测试时的测试数据。风电机组低电压穿越测试与模型验证的结构图如图24所示。24风电机组低电压穿越测试与验证示意图用于模型验证的测试数据应包括测量点1的电压和电流、测试期间风速。测量点2和测量点3的电压和电流以及发电机转速、风力机转速、桨距角等测试数据可根据模型验证的需求选取。仿真数据用于仿真建模的数据包括：UG、电压跌落发生装置电网侧接入点短路容量Sk及阻抗角ΨX/R；Z1Z2的电阻和电抗值，以及S1S2的动作时序。测试信息模型验证中需要的低电压穿越测试信息按照附录A的格式提供。模型验证步骤模型仿真模型验证前校核并调整电网参数，包括电压、等效阻抗、短路容量。6.2数据处理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B，即：A（故障前）、B（故障期间）、C（故障后）三个时段；BCB时段分B1（暂态）B2（稳态）区间，CC1（暂态）、C2（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：U；P；Q；IQ。XSXM分别表示以上电气量的仿真数据和测试数据基波正序分量的标幺值。KStartKEnd表示计算偏差时第一个和最后一个仿真、测试数据的序号。计算有功功率、无功功率和无功电流仿真数据与测试数据的偏差，包括平均偏差、平均绝对偏差、偏差计算方法如下：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波正序分量差值的算术平均，并取其绝对值，用F1表示。K

(XM(i)XS(i))1FiK（5）1KEndKStart1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波正序分量差值的算术平均，并取其绝对值，用F2表示。K

(XM(i)XS(i))2FiK（）2KEndKStart1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波正序分量差值的绝对值的算术平均，用F3表示。K

(XM(i)XS(i))3FiK7）3KEndKStart1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波正序分量差值的绝对值的算术平均，用F4表示。K

(XM(i)XS(i))4FiK（）4KEndKStart1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波正序分量差值的绝对值的最大值，用F5表示。maxi=K...K XM(i)XS(i)（9）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。BFBPKEndB一个数据的序号。计算如下：K

(PM(i)PS(i))F iK10）BP K K 1End Start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：A（故障前）： 10%B（故障期间）： 60%C（故障后）： 30%以有功功率为例计算加权平均绝对偏差如下：_P（11）每个验证工况按照附录C表C.1C表C.2的格式记录验证结果，表中电压跌落幅值根据实际开展模型验证工况选择的电压跌落幅值填写。验证结果评价偏差计算结果应满足以下条件：0.05。1中的偏差最大允许值。表1 偏差最大允许值电气参数F1maxF2maxF3maxF4maxF5maxFGmax有功功率，ΔP/Pn0.070.200.100.250.150.15无功功率，ΔQ/Pn0.050.200.070.250.100.15无功电流，ΔI/In0.070.200.100.300.150.15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（资料性附录）风电机组模型验证用测试数据格式1.风电机组详细信息风电机组制造商风电机组型号额定功率Pn（kW）额定电压Un（V）风电机组测试地点其它设备（测试附加设备）型号2.测量点3电网信息额定电压Un（V）短路容量Sk（MVA）阻抗角/阻抗比Ψ（°）/X/R3.测试信息测试序号12345678910111213141516测试文件号故障类型（对称/不对称）跌落持续时间t(ms)电压跌落幅值U/UnZ1阻抗（限流阻抗）RL（Ω）XL（Ω）Z2阻抗(短路阻抗)RK（Ω）XK（Ω）附 录 B（规范性附录）总则、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——故障前；B——故障期间；C——故障后。B.1所示。图B.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：1sA时段开始；0.9Un20msA时段结束，B时段开始；20msB时段结束，C时段开始；1sC时段结束。暂态和稳态区间判定A时段A时段均为稳态区间，如图B.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B.1中B1