200风电场电气仿真模型建模及验证规程V2.docx

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200风电场电气仿真模型建模及验证规程V2

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中华人民共和国能源行业标准

NB/TXXXXX—XXXX

风电场电气仿真模型建模及验证规程

ElectricalSimulationModelsandValidationforWindFarm

“在提交反馈意见时，请将您知道的相关专利连同支持性文件一并附上”

201X-XX-XX发布

XXXX-XX-XX实施

国家能源局发布

目  次

前  言

本标准根据国家能源局下达的国能科技[2011]252号《2011年第二批能源领域行业标准制（修）订计划》标准计划修订。

本标准规定了电力系统稳定分析用风电场电气仿真模型及验证要求，适合在广泛使用的电力系统稳定计算程序中应用。

本标准由提出归口。

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：

风电场电气仿真模型建模及验证规程

1　范围

本标准规定了电力系统稳定分析计算用的风电场电气仿真模型的建模及验证。

本标准适用于接入110（66）kV及以上电压等级电力系统的风电场电气仿真模型建模。

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/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风电场低电压穿越建模及验证方法

3　术语和定义

下列术语和定义适用于本标准。

3.1　

风电场windfarm

由一台或多台风电机组（包括机组单元变压器）、汇集线路、升压变压器、风电场控制及其他辅助设备组成的发电站。

3.2　

风电机组额定功率ratedpower（forwindturbines）

风电机组连续稳定运行在额定工况时输出的有功功率。

3.3　

风电场有功功率activepowerofwindfarm

风电场输入到并网点的有功功率。

3.4　

风电场无功功率reactivepowerofwindfarm

风电场输入到并网点的无功功率。

3.5　

风电场无功电源reactivepowersourceofwindfarm

风电场内的风电机组、汇集线路（充电功率）和并联电容器、并联电抗器、静止无功补偿器、静止无功发生器、同步调相机等无功补偿装置。

3.6　

风电场无功容量reactivepowercapacityofwindfarm

风电场内全部无功电源的无功容量总和，可分为容性无功容量和感性无功容量。

4　总则

本标准中的风电场电气仿真模型建模主要用于稳定性研究、短路计算。

风电场电气仿真模型应根据风电场实际电气结构和参数建模。

风电场电气仿真模型应包含风电场稳态运行和故障过程中对风电场并网性能有明显影响的部件及控制系统，包括风电机组、变压器、无功补偿装置、场内汇集线路和风电场控制系统等模型。

典型风电场组成如图1所示。

图1风电场典型组成

5　风电场电气仿真模型

5.1　风电机组模型

风电机组模型结构

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

风电机组模型结构可参考图2，参数解释说明如表1。

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2风电机组模型结构图

表1　风电机组模型参数

符号

单位

说明

IWTT

p.u.

风电机组机端电流

UWTT

p.u.

风电机组机端电压

Vw

m/s

风速

a）1型风电机组

1型风电机组的主要电气、机械部件的连接方式如图3所示。

1）1型风电机组还可以分为故障期间具有变桨控制能力的1型风电机组和故障期间不具备变桨控制能力的1型风电机组两种类型。

2）电气设备包括：

异步发电机、无功补偿装置、并网开关、变压器等。

3）控制系统模型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。

4）对在风电机组外加装设备以实现低电压穿越功能的风电机组，应根据实际情况建立该加装设备仿真模型。

图中：

WTR——风力机风轮；

AG——异步发电机；

VC——可变电容器组；

TR——箱变；

GB——齿轮箱；

FC——固定电容器组；

CB——断路器；

WTT——风电机组端口。

图31型风电机组接线方式

b）2型风电机组

2型风电机组的主要电气、机械部件的接线方式可参考图4。

1）电气设备包括：

异步发电机、无功补偿装置、并网开关、变压器等。

2）控制系统模型应包含滑差控制系统模型。

3）对在风电机组外加装设备以实现低电压穿越功能的风电机组，应根据实际情况建立该加装设备仿真模型。

图中：

WTR——风力机风轮；

WRAG——绕线式异步发电机；

FC——固定电容器组；

CB——断路器；

WTT——风电机组端口。

GB——齿轮箱；

VRR——可变转子电阻；

VC——可变电容器组；

TR——箱变；

图42型风机接线方式

c）3型风电机组

3型风电机组的主要电气、机械部件的接线方式可参考图5。

1）电气设备包括：

异步发电机、变流器、并网开关、变压器等。

2）控制系统模型应包含风电机组主要控制系统模型。

图中：

WTR——风力机风轮；

WRAG——绕线式异步发电机；

LSC——网侧变流器；

CH——chopper电路；

L——电抗器；

TR——箱变；

GB——齿轮箱；

GSC——机侧变流器；

Crowbar——Crowbar电路；

C——直流电容；

CB——断路器；

WTT——风电机组端口。

图53型风机接线方式

d）4型风电机组

4型风电机组的主要电气、机械部件的接线方式可参考图6。

1）电气设备包括：

同步/异步发电机、变流器、并网开关、变压器等。

2）控制系统模型应包含风电机组主要控制系统模型。

图中：

WTR——风力机风轮；

SG/AG—同步/异步发电机；

LSC——网侧变流器；

CH——chopper电路；

CB——断路器；

GB——齿轮箱；

GSC——机侧变流器；

C——直流电容；

L——电抗器；

TR——箱变；

WTT——风电机组端口。

图64型风机接线方式

风电机组子模块模型

5.1.1.1　空气动力学模型

风力机空气动力模型用于模拟风电机组获取的风功率。

应用于稳定性研究时一般可假设风速恒定，但在特别情况下当风速对于系统输出功率有显著影响时，应当考虑风速的变化。

5.1.1.2　传动链模型

传动链模型应能准确反应其动态特性，推荐采用两质量模块，模型基本结构可参考NB/TXXXX《风电机组低电压穿越建模及验证方法》。

5.1.1.3　控制系统

主要包括最大功率追踪、变桨控制、有功/无功功率控制及动态无功控制以及坐标变换等。

5.1.1.4　保护模型

风电机组的过/欠压、过/欠频、低/超速保护等须能正确反映风电机组保护特性，应根据实际风电机组保护控制准确建模。

5.2　风电场汇集系统模型

升压变压器模型

风电场的升压变压器模型可采用双绕组或三绕组变压器，应包含以下参数：

——原边额定电压

——副边额定电压

——短路电压

——铜耗

——空载电流

——铁耗

——原副边接线形式

——变压器分接头位置

电力传输线模型

电力传输线模型可选择Π形等值电路或T形等值电路模型，应包含以下参数：

——额定电压

——额定电流

——线路类型

——单位长度电阻值

——单位长度电抗值

——单位长度电容值

——单位长度电导值

——线路长度

5.3　无功补偿装置模型

固定投切无功补偿装置模型

固定投切无功补偿装置建模可参考图7，参数解释说明见表2。

图7固定投切无功补偿模型

表2　固定投切无功补偿装置参数说明

符号

单位

说明

Cinit

p.u.

投切电容容量

Linit

p.u.

投切电感容量

ωn

p.u.

电力系统额定频率

连续可调无功补偿装置模型

连续可调无功补偿装置模型应能准确反映其动态响应特性。

连续可调无功补偿装置建模可参考图8，参数解释说明见表3。

图8连续可调无功补偿装置模型

表3　连续可调无功补偿装置参数说明

符号

单位

说明

ωn

p.u.

电力系统额定频率

Xcomp

p.u.

连续可调的容性或感性无功补偿容量

5.4　风电场控制系统模型

风电场无功功率控制

5.4.1.1　风电场无功控制策略

风电场无功控制的主要目的是为维持并网点的电压稳定。

风电场的无功控制过程可分为两层实现，即风电场无功需求整定和风电场无功功率分配。

通过检测风电场的输出功率以及控制点电压，实时计算风电场无功功率输出参考值。

风电场要充分利用风电机组的无功容量及其调节能力，将风电场无功功率需求参考值按一定原则分配到场内每台风电机组，从而改变控制点电压以实现整个风电场的无功电压闭环控制，具体模型可参考图9并结合实际风电场无功控制策略建模；当风电机组无功容量无法满足系统无功调节需求时，剩余无功调节量可通过风电场无功补偿装置实现。

图9风电场无功补偿控制

5.4.1.2　无功需求整定

风电场无功需求整定值推荐根据控制点电压通过PI调节方法计算获取，如图10所示，其中限幅环节应同时考虑风电场最大无功输出约束与风电场功率因数约束。

图中：

——控制点参考电压；

——控制点测量电压；

——惯性时间常数。

——PI调节参数；

——无功需求整定值；

图10无功需求整定环节

5.4.1.3　风电机组无功功率分配

风电机组无功分配推荐采用无功容量比例分配方法，具体实现为：

设第i台风电机组的无功容量为Qi，则求取第i台风电机组输出无功功率的初始分配因子为：

式中：

QW——风电场的总无功功率。

利用上述功率分配因子，求取无功功率调整量Q在第i台风电机组的分配量：

对各风电机组的调节余量进行校验，若满足调节条件，则方案通过；若有风电机组无功调节余量不足，则需修正方案，具体方法如下：

设调节余量不足的风电机组集合为LACK，其数量为n，其中，该集合中各风电机组的无功功率调整量为：

式中：

QjN——第j风电机组的最大输出无功功率。

修正后的LACK集合风电机组的无功功率补偿量分配系数为：

，

其它风电机组的无功功率补偿量分配系数为：

，

经修正后的各风电机组无功功率补偿量为：

如此反复可确定调节余量匮乏和充裕的风电机组无功功率调整量的分配系数或分配量。

5.4.1.4　风电场无功控制系统建模

风电场无功控制系统模型通常应包含风电场无功需求整定模块和无功功率分配模块，但具体建模时应考虑风电场实际无功控制系统的情况。

风电场有功功率控制

5.4.1.5　风电场有功控制策略

风电场有功功率控制系统应能自动执行调度部门远方发送的有功功率控制指令，并根据指令控制其有功输出，确保风电场最大输出功率及功率变化率不超过调度指令。

风电场有功功率输出值的确定，须按实际风电场有功控制模式确定。

5.4.1.6　风电场有功需求整定

当风电场当前最大可发有功功率小于系统调度指令时，场内各风电机组按照最大功率追踪方式运行；当风电场当前最大可发有功功率大于系统调度指令时，则需要调节风电机组输出有功功率至调度指令值。

5.4.1.7　风电机组有功功率分配

风电场应具备有功功率调节能力，风电机组有功分配方法推荐使用固定比例分配算法或变比例分配算法实现。

a）固定比例分配算法

根据风电场内风电机组的额定容量，按照额定容量大的机组分配有功多的原则进行指令分配，分配方法为：

式中：

——第i台风电机组有功指令；

Pei——第i台风电机组的额定容量；

Pe——风电场总额定容量；

——风电场待分配有功指令。

b）变比例分配算法

根据实时风速预测风电机组最大输出功率，按照最大输出功率大的机组分配有功多的原则进行指令分配，分配方法为：

式中：

——第i台风电机组有功指令；

——第i台风电机组预测最大输出功率；

——风电场内各风电机组最大输出功率之和；

——风电场待分配有功指令。

5.4.1.8　风电场有功控制系统建模

风电场有功控制系统模型通常应包含风电场有功需求整定模块和有功功率分配模块，但具体建模时应考虑风电场实际有功控制系统的情况。

5.5　风电场等值模型

可根据实际风电场风电机组装机容量进行风电场详细建模或者等值建模。

若采用风电场等值建模，应能正确反映风电场的暂态运行特性。

对风电场内同一馈线上的同机型风电机组可用一台风电机组等值，等值后风电机组容量是该馈线上所有风电机组容量之和；对于同一馈线上的不同机型风电机组，宜按照机型分别等值。

对于同机型、机端电压和风速等外部条件相近的多台风电机组等值时，可使用容量倍乘法或者容量加权等值方法，同时，被等值风电机组间的传输线路应进行等值，等值后的线路损耗应与实际线路损耗相同。

容量加权等值法模型为：

设风电场有N台风电机组，其容量加权系数δi：

式中：

Si——风电场第i台风电机组的容量。

风电场容量加权单机等值方法的电气参数下标采用agg表示，等值模型表示为：

式中：

Sagg——风电场等值视在功率；

Pmagg——风电场等值机械功率；

Peagg——风电场等值电气功率；

Xi——风电场内第i台风力发电机某一电气参数；

Xagg——风电场风力发电机组对应的电气参数；

Ai——风电场内第i台风力机扫风面积；

Cpi——风电场内第i台风力机风能利用系数；

Vwi——风电场内第i台风力机风速。

5.6　风电场短路计算模型

风电场短路电流计算为风电场并网点发生三相短路故障时风电场输出的最大电流，主要用于电气设备的选型、导线的选择、继电保护参数的整定和校验。

风电场短路电流计算时，首先应对整个风电场的组件进行合理的等值成为可供计算的电路模型，推荐应用短路容量法计算风电场的等值电流。

风电场内各组件的短路容量计算分别为：

a）风电机组的短路容量

式中：

——风电机组的额定电压（kV）；

——风电机组额定电流（kA）；

——风电机组等效短路阻抗的模值（Ω）。

b）升压变压器的短路容量

式中：

——变压器短路阻抗百分数；

——变压器额定容量（MVA）。

c）电力传输线的短路容量

式中：

——短路处额定电压（kV）；

——线路阻抗的模值（Ω）。

以S1、S2分别表示两个组件的短路容量，S1,2表示总的短路容量，则

组件串联时：

组件并联时：

风电场三相短路电流等于风电场并网点短路容量与并网点额定电压的比值：

6　风电场电气仿真模型验证

6.1　验证基本原则

a）应保证风电场电气仿真模型建模测试用数据的充分性和准确性。

b）宜采用风电场并网点采样数据作为风电场建模测试用数据。

c）根据实际电气结构和参数建立的风电场电气仿真模型中，除功率控制系统外，在风电场稳态运行和故障过程中对风电场并网性能有明显影响部件的模型验证参考NB/TXXXX《风电机组低电压穿越建模及验证方法》等相关标准。

功率控制系统需通过测试验证。

6.2　验证内容

风电场有功控制

分别设置不同的风电机组有功功率参考值用于验证风电场有功响应特性，观测并网点有功功率输出曲线。

有功功率设置值变化曲线可参考图11，以0.2pu的步长将有功功率的设置值从1.0pu变化至0.2pu，每个功率设置值保持至少2分钟。

图11有功功率设置值

风电场无功控制

风电场无功容量涉及到感性无功最大值和容性无功最大值，分别设置不同的风电机组无功功率参考值用于验证风电场无功响应特性。

无功功率设置值变化曲线可参考图12，观测并网点无功功率输出曲线，此时，有功功率的设置值为0.5pu。

图12无功功率设置值

6.3　验证结果评价

数据处理

为保证测试数据与仿真数据对比的有效性，所有数据应采用相同的格式（如基波正序分量）。

偏差计算

通过计算仿真数据与测试数据之间偏差，考核风电场电气仿真模型的准确性。

测试与仿真偏差计算主要的电气量包括：

并网点电压UPCC、有功功率P、无功功率Q。

用XS和XM分别表示以上电气量的仿真数据和测试数据的标幺值，仿真和测试第一个和最后一个数据序号分别表示为KS_Start、KM_Start和KS_End、KM_End表示。

a）平均偏差

测试数据与仿真数据平均值的偏差F1。

b）最大误差

测试数据与仿真数据的偏差的最大值F2。

结果评价

根据6.2节各验证内容下风电场电气仿真模型仿真数据和验证数据，得到模型仿真数据与实测数据的平均偏差和最大偏差，各电气量误差允许值可参考表4。

表4　最大允许误差

电气参数

F1max

F2max

并网点电压UPCC/UN

0.1

0.2

有功功率ΔP/PN

0.1

0.2

无功功率ΔQ/QN

0.1

0.2

7　风电场电气仿真模型报告主要内容

7.1　概况

风电场基本情况，包括风电机组生产厂家和型号、风电场结构、主要组成及并网方式等。

7.2　所提供的风电场风电机组、无功补偿装置、变压器等模型接线方式和参数

包括与数学模型相关的设定值、限幅环节和各限值。

7.3　仿真分析系统各模型及参数

包括风电机组模型及其控制模型、控制参数，变压器模型及无功补偿装置模型等。

7.4　风电场电气仿真模型验证结果

根据6.2节各验证内容下风电场电气仿真模型仿真数据和验证数据，得到模型仿真数据与实测数据的平均偏差和最大偏差。

7.5　结论和建议

主要包括：

a）风电场电气仿真模型进行了何种验证，结果是否符合要求。

b）存在的问题和处理意见等。

参 考 文 献

[1]IEC61400-21:

2008Measurementandassessmentofpowerqualitycharacteristicsofgridconnectedwindturbines.

[2]FGWTG4,DemandsonModellingandValidatingSimulationModelsoftheElectricalCharacteristicsofPowerGeneratingUnitsandSystems,Revision5.

[3]GEEnergy,ModelingofGEWindTurbine-GeneratorsforGridStudies,Revision3.3.