摘要：開發有效的風機電磁暫態模型是進行風電并網研究的基礎。然而，風機廠家對其關鍵策略保密使得風機建模十分困難。為了解決此難題，該文對實際直驅風機進行了大量故障穿越測試，利用實測數據解析了風機的故障響應特性，提出了適用于對稱和不對稱電壓跌落的通用故障穿越響應曲線。然后，推導了不同故障階段下有功和無功功率響應的表達式，包括故障期間的穿越控制過程、故障清除后的恢復控制過程及不同過程間的暫態切換。據此設計了一個通用的有功和無功電流參考值發生器，形成了直驅風機故障穿越全過程的通用電磁暫態建模方法。最后，利用實際風機的測試數據驗證了所提方法的有效性。

　　關鍵詞：直驅風機;動態建模;故障穿越;對稱故障;不對稱故障

　　引言

　　不斷增長的能源需求和日益嚴峻的環境問題極大地促進了可再生能源的快速發展[1-3]。直驅風機具有能量轉換效率高、控制方法簡單等優點，在陸上和海上風電場得到越來越廣泛的應用[4-5]。然而，隨著風電滲透率的不斷提高，其對電力系統安全運行的影響日益嚴重[6-7]。

　　為了正確評估大規模風電并網可能對電網產生的影響，需要對實際風機在不同電壓跌落情況下的暫態響應特性進行深入研究和準確建模[8-9]。近年來，國內外學者在開發風機動態模型方面進行了大量的研究[10-11]。這些模型主要分為兩類：均方根(root-mean-square，RMS)模型(又被稱為機電暫態模型)[12-19]和電磁暫態(electromagnetictransient，EMT)模型[20-26]。

　　2007年，國際大電網組織(InternationalCouncilonLargeElectricSystems，CIGRE)發布了一份報告，提出了風機通用動態模型的最初思想[14]。2009年，美國西部電力協調委員會(WesternElectricityCoordinatingCouncil，WECC)提出了風機的第一代通用RMS模型[15]。由于第一代模型存在一些不足[16]，WECC、國際電工協會(InternationalElectrotechnicalCommission，IEC)和國際電氣和電子工程師協會(InstituteofElectricalandElectronicsEngineers，IEEE)建模工作組共同開發了第二代通用模型及其應用指南[17-19]。

　　然而，這些通用模型本質上是正序模型，主要關注風機在對稱故障下的響應特性，無法用于不對稱故障的仿真研究[10]。在電網實際運行中，不對稱故障具有更大的發生幾率且危害更加嚴重[27]。為了詳細地分析風機在不對稱故障下的暫態響應，需要使用具有完整控制策略的EMT模型[28]。

　　風機廠家開發的EMT模型能夠描述風機在對稱和不對稱故障下的動態行為，但由于涉及商業機密，模型多以“黑箱”形式提供，涉及不公開的協議，這影響了模型用戶對風機內部控制策略的認知，阻礙了風電并網研究的后續進展[9-10]。因此，亟需開發適用于對稱和不對稱電壓跌落情況下的通用EMT模型。2018年CIGRE發布了一份技術報告，針對基于逆變器的發電單元的通用EMT建模方法提供了一些有用的見解[11]。文獻[20-21]開發了直驅風機的通用EMT模型，但由于未考慮故障穿越(faultride-through，FRT)控制策略，不能用來分析風機的故障特性。

　　文獻[22-24]在模型中安裝卸荷電路，并設計控制策略使風機在電壓跌落期間向電網提供無功功率，但該模型沒有經過現場數據的驗證，其準確性無法得到保證，嚴重影響仿真結果的可信度。文獻[25]利用FRT測試數據對直驅風機模型進行了驗證，但FRT控制策略過于簡單，無法滿足當前并網標準要求。文獻[26]基于歐洲、北美和南美并網標準要求，在直驅風機模型中實現了兩種FRT策略，并在對稱和不對稱電壓跌落下利用實測數據對模型進行了驗證。但該模型的FRT策略不適用于我國并網標準，同時未提供風機在對稱和不對稱電壓跌落下的詳細建模方法。

　　為克服上述問題，本文提出直驅風機FRT全過程的通用EMT建模方法。為確保模型的通用性，首先對直驅風機在對稱和不對稱電壓跌落下進行了大量的FRT測試，根據測試數據分析風機的故障響應并提取共性特征，提出適用于對稱和不對稱電壓跌落的通用FRT響應曲線。隨后，對不同故障階段下風機的有功和無功功率響應進行解析建模。利用該功率響應推導了FRT全過程有功和無功電流參考值的表達式，據此設計了一個通用的電流參考值發生器，通過動態更新風機模型的電流參考值實現對實際風機FRT暫態特性的模擬。

　　直驅風機的EMT模型由風力機、永磁同步發電機和全功率變流器組成。直驅風機的控制主要由全功率變流器來實現，在全功率變流器中由于直流電容將機側變流器(machine-sideconverter，MSC)和網側變流器(grid-sideconverter，GSC)解耦，電網側故障對MSC的影響較小[25]，因此故障期間MSC保持正常運行時的控制策略。為模擬實際風機FRT全過程的暫態行為，關鍵在于對GSC進行有效的建模。本節首先介紹GSC的模型，然后在GSC中實現FRT控制策略。其它部分的模型(風力機模型、傳動系統模型、永磁同步發電機模型和MSC及其控制系統模型)可參考文獻[33]。根據直驅風機的運行原理可知，其有功和無功功率響應特性的調節分別是通過GSC電流控制器的有功和無功電流參考值的調節來實現。

　　因此，本節推導直驅風機在故障穿越全過程的有功和無功電流參考值的表達式，并據此設計一個通用的電流參考值發生器，利用GSC動態調節風機模型的電流參考值，實現對實際直驅風機FRT暫態響應的模擬。值得說明的是，由于風機真實的控制策略無法獲知，且風機廠家眾多，不同廠家的控制策略也不盡相同，本文設計的控制策略并不代表任何風機廠家的實際控制策略也不局限于任一廠家的風機。所設計的電流參考值發生器允許通過修改參數靈活地模擬不同風機的FRT響應特性，從而使所建立的模型對不同廠家的風機具有通用性。 電壓跌落后風機輸出的無功功率增加，有功功率快速降低。

　　電壓升高后，有功功率開始增加，無功功率在經過了短時的暫態后開始降低。電壓恢復至正常范圍后，有功功率經過270ms的延時后以1MW/s的速率恢復至故障前的輸出。無功功率保持在0MVar左右，540ms后斜率恢復至故障前的輸出。在算例2中，故障期間風機提供無功支撐同時降低有功功率。在故障清除后，風機快速恢復至故障前的有功功率。在繼續提供了540ms無功支撐后，無功功率直接恢復至故障前的輸出。

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　　本文提出了直驅風機FRT全過程的通用EMT建模方法。基于實際直驅風機大量的現場FRT測試數據，提出了適用于對稱和不對稱電壓跌落情況下的通用FRT響應曲線。通過合適地參數化，該通用曲線可以靈活地表征不同廠家的風機在對稱和不對稱電壓跌落下的暫態行為。在模型中設計了一個通用的有功和無功電流參考值發生器，通過動態更新模型的電流參考值實現對實際風機FRT暫態響應的模擬。通過與實際FRT測試結果對比，驗證了所提建模方法對不同故障類型、不同風況的適用性。

　　參考文獻：

　　[1]舒印彪，張智剛，郭劍波，等.新能源消納關鍵因素分析及解決措施研究[J].中國電機工程學報，2017，37(1)：1-8.ShuYinbiao，ZhangZhigang，GuoJianbo，etal.Studyonkeyfactorsandsolutionofrenewableenergyaccommodation[J].ProceedingsoftheCSEE，2017，37(1)：1-8(inChinese).

　　[2]文云峰，楊偉峰，汪榮華，等.構建100%可再生能源電力系統述評與展望[J].中國電機工程學報，2020，40(6)：1843-1855.WenYunfeng，YangWeifeng，WangRonghua，etal.Reviewandprospectoftoward100%renewableenergypowersystems[J].ProceedingsoftheCSEE， 2020，40(6)：1843-1855(inChinese).

　　[3]姜海洋，杜爾順，金晨，等.高比例清潔能源并網的跨國互聯電力系統多時間尺度儲能容量優化規劃[J].中國電機工程學報，2021，41(6)：2101-2114.JiangHaiyang，DuErshun，JinChen，etal.Optimalplanningofmulti-timescaleenergystoragecapacityofcross-nationalinterconnectedpowersystemwithhighproportionofcleanenergy[J].ProceedingsoftheCSEE，2021，41(6)：2101-2114(inChinese).

　　[4]孟永慶，王健，李磊，等.考慮風機轉速限制及卸荷電路優化的永磁同步電機新型低電壓穿越協調控制策略[J].中國電機工程學報，2015，35(24)：6283-6292.

　　作者：齊金玲，李衛星*，晁璞璞，李志民