電力系統仿真模型

下面通過一系列仿真來分析電網故障時雙饋風電系統的動態響應及其對電力系統的動態影響，從而提高雙饋風電系統的故障不脫網運行能力和整個電力系統的穩定性。在仿真分析中，假定雙饋風電場在額定容量下運行，此時對電力系統的影響是最惡劣的。
電力系統仿真模型如圖5所示，是基于丹麥電力傳輸系統運行商Energinet.dk開發的小型電力傳輸系統模型提出的[8]。該模型包含了具有代表性的電力傳輸網絡，適用于對電力傳輸系統和風電場在電網故障時進行動態性能仿真分析。如圖5所示的電力系統仿真模型包括4個傳統的同步發電廠，若干個負載，1個基于傳統感應發電機的常規風電場和1個基于雙饋發電機的近海風電場。其中雙饋風電場由80個2MW的近海風電機組組成，在仿真中，在不影響仿真精度的前提條件下，為降低仿真的復雜性和減少仿真時間，所有的風電機組由1個合成等效風電場模型來代替[9]。仿真是在電力工廠仿真軟件(DIgSILENT PowerFactory)中實現的，該仿真軟件針對風力發電提供了相應的模塊，易于根據需要建立所需的風電控制和保護系統并進行相關的電力系統運行分析[10]。

如圖5所示，假設在雙饋風電場的公共接入點(PCC, Point of Common Connection)發生了持續時間為300ms的三相短路故障，圖6為相應的仿真結果。
在圖6中，虛線為未引入故障運行模式控制策略時雙饋風電系統的仿真結果，實線為引入了本文前述故障運行模式下控制策略的仿真結果。由仿真結果圖6(a)可知，短路故障在風力發電機端引起很顯著的電壓跌落，同時發電機產生的有功功率也明顯降低，如圖6(b)所示。由于故障發生時的瞬態大電流，轉子過流保護裝置在故障發生后立即觸發。電壓跌落也引起雙饋發電機磁通的降低和勵磁的減弱。如圖6(c)所示，無功功率在故障發生時突增到峰值也表明勵磁的驟減。有功功率降低了，電磁轉矩也降低，發電機轉速會增加，但是槳矩角控制可以限制轉速升高在允許范圍內，不會超速，如圖6(d)所示。轉速的波動也可以映射到發電機端電壓的波動。

圖7 機械振蕩阻尼控制器的仿真結果
對比圖6中實線和虛線的仿真結果可知，當風電場具備了前述的控制策略后，一旦發生故障并且轉子過流保護裝置被觸發時，網側變換器的無功功率泵升控制也被激活，可以在故障發生后有效的提高電壓值。有功功率的兩個仿真結果基本近似，但由于電壓值的提高也使有功功率有一定的增加。當轉子過流保護被取消后，電壓的控制又重新由轉子側變換器來負責控制。由于能提供一定的無功功率，因此電壓可以較快的恢復。轉速的波動也顯著減小。
由于機械時間常數遠大于機電時間常數，因此不能相同的時間軸來描述機械過渡過程和機電過渡過程。圖7是機械振蕩阻尼控制器的仿真結果，虛線為無機械振蕩阻尼控制時的仿真結果，實線為有機械振蕩阻尼控制時的仿真結果。可見，無阻尼控制時，在故障發生并清除后約10s時，仍然存在一定的振蕩。有阻尼控制時，機械振蕩明顯減弱，并在2.5s左右就基本結束了；而且機械轉矩只有一次過零。