惯性控制型4型风电机组级联多尺度建模方法及其系统暂态机理分析

《CSEE Journal of Power and Energy Systems》：Cascaded Multiscale Modeling Method of Inertia-Controlled Wind Turbine for System Transient Mechanism Analysis

　　

电力系统暂态过程日益依赖于可再生能源（renewable generation, RG）并受其挑战。RG通过其多尺度常规/投切元件形成接入网络的内部电压，作为系统电源并决定系统暂态特性。由于多尺度特征，故障后这些常规/投切元件依序被激活，导致RG内部电压呈现复杂的多尺度动态，进而使系统暂态行为区别于传统系统。因此，RG内部电压的多尺度形成过程对暂态分析至关重要，有待研究。现有RG模型大多基于常规/投切元件的原始连接建立，未采用多尺度视角。为此，研究人员以惯性控制型4型风电机组（inertia-controlled type-4 wind turbine, WT）为例，提出一种用于系统暂态机理分析的级联多尺度建模方法。首先，展示了常规/投切控制的多尺度依序激活，并阐明多尺度特征对内部电压形成的必要性。其次，提出了惯性控制型4型WT的级联多尺度模型，从多尺度视角揭示其内部电压的形成机制，即由并行反馈与串行响应共同形成。最后，基于所提模型，解释了WT之间相互作用进而影响其多尺度物理元件能量累积的过程。仿真验证结果也已包含。

随着可再生能源（renewable generation, RG）渗透率不断提高，电力系统暂态过程日益依赖并受限于RG的响应特性。与同步发电机（synchronous generator, SG）类似，RG通过形成接入网络的内部电压作为系统电源并影响暂态。然而，RG的内部电压并非来源于转子运动，而是由其多尺度常规/投切元件共同形成。故障后，这些元件依照各自时间常数依序激活，使内部电压呈现快速、中速、慢速变化耦合的多尺度动态，导致系统暂态行为显著区别于传统电力系统。现有RG模型多依据元件原始物理连接建立，难以从多尺度视角解释内部电压的形成，制约了系统暂态机理分析。为此，研究人员以惯性控制型4型风电机组（inertia-controlled type-4 wind turbine, WT）为对象，提出了级联多尺度建模方法（cascaded multiscale modeling method）。

研究人员首先通过仿真揭示了正常/投切元件的多尺度依序激活特征：在非严重故障下，交流电流控制（AC current control, ACC）尺度元件在约10 ms内先动作，直流电压控制（DC voltage control, DVC）尺度元件在约100 ms内动作，转子转速控制（rotor speed control, RSC）尺度元件在约1 s内动作；内部电压相应依次出现快速变化、中速变化和慢速变化分量。严重故障下，各尺度内对应的投切元件（如快速锁相环、电流限制、紧急变桨）也会在变量越限后依序投入。该结果表明多尺度特征对内部电压形成至关重要。

其次，研究人员将惯性控制型4型WT的原始结构重组为RSC、DVC和ACC三个多尺度单元，提出了级联多尺度模型。模型中，RSC尺度单元的激励为转子转速参考ω_r^ref、桨距角参考β^ref和无功参考Q^ref，反馈为端电压频率f_t和无功功率Q，响应为注入直流电容的功率P_in和端电压参考V_t^ref；DVC尺度单元的激励为P_in和V_t^ref，反馈为有功功率P和端电压幅值V_t，响应为d/q轴电流参考i_gd^ref/i_gq^ref；ACC尺度单元的激励为i_gd^ref/i_gq^ref，反馈为d/q轴电流i_gd/i_gq，响应为内部电压幅值和频率E_g/ω_g。三个单元通过并行反馈和串行响应连接，揭示了WT内部电压的多尺度形成机制，这与SG由转子运动直接形成内部电压有本质区别。

最后，基于所提模型，研究人员分析了WT间的相互作用。在含两台300 MW聚合WT和一台1000 MW SG的测试系统中开展仿真：改变WT2的直流电压控制器参数PIdc或无功电压系数k_qv，会改变WT2内部电压E_g2/ω_g2；该内部电压经网络传播，改变WT1的反馈量（f_t1/Q₁/P₁/V_t1/i_gd1/i_gq1），进而影响WT1多尺度物理元件的能量累积（如直流电容电压动态V_dc1）。研究还指出，与SG不同，影响WT能量累积的网络变量更为多样，且内部电压对元件状态的影响是经过并行反馈与串行响应的间接路径。

研究人员采用的主要方法包括：按时间常数将WT元件划分为RSC（约1 s）、DVC（约100 ms）、ACC（约10 ms）三个尺度；提出级联重组方法，将原始物理连接下的正常/投切元件重新组装为多尺度单元，并区分各单元的激励、反馈和响应；通过两台聚合WT（WT1、WT2，各300 MW）、一台1000 MW SG及恒阻抗负荷组成的测试系统进行三相短路故障（持续1 s）时域仿真，将所提模型与详细模型对比验证。

研究结果包括以下方面。A. 多尺度特性与依序激活：通过非严重和严重故障仿真，证实了ACC、DVC、RSC尺度元件依序激活，开关元件在越限后附加激活，内部电压出现多尺度动态分量。B. 级联多尺度模型：建立了包含三个尺度单元的级联模型，明确了整体模型的激励、反馈和响应关系，并揭示了内部电压由并行反馈和串行响应形成，开关元件改变各单元的可切换关系。C. 模型验证与WT间相互作用：所提模型仿真结果与详细模型高度一致；参数敏感性仿真表明，WT2的DVC参数变化经由内部电压传递可改变WT1的直流电压动态，验证了相互作用过程。

讨论指出，WT间的相互作用虽然也通过内部电压实现，但由于WT内部电压的形成机制与SG不同，其反馈变量更多且能量累积受影响的方式是间接的。该模型为未来研究多尺度能量累积引起的设备及系统暂态问题提供了基础。研究结论可概括为：第一，WT的正常/投切元件在暂态过程中按多尺度依序激活，多尺度特征对内部电压形成至关重要；第二，惯性控制型4型WT的内部电压是由多尺度单元在并行反馈和串行响应下形成的，而非单一转子运动；第三，WT间相互作用通过内部电压实现，影响WT1多尺度物理元件能量累积的网络变量是f_t/Q/P/V_t/i_gd/i_gq，其作用路径为并行反馈和串行响应。