（电气工程专业论文）风电场动态等值建模方法研究.pdf

， 一 k 0 c l a s s i f i e di n d e x ：t m 7 3 2 u d c ：6 2 1 d i s s e r t a t i o nf o rt h e r e s e a r c ho nd y n c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： w i n df a r m s a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ： s p e c i a l i t y ： s c h o o l ： d a t eo fd e f e n c e ： s ux u n w e n p r o f y a n gq i x u na n d p r o f m iz e n g q i a n g d o c t o ro f e n g i n e e r i n g p o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n s c h o o lo fe l e c t r i c a la n d e l e c t r o n i c e n g i n e e r i n g j u n e ，2 0 1 0 d e g r e e 。c o n f e r r i n g i n s t i t u t i o n ： n o r t hc h i n ae l e c t r i cp o w e ru n i v e r s i t y 声明尸州 本人郑重声明：此处所提交的博士学位论文风电场动态等值建模方法研究， 是本人在华北电力大学攻读博士学位期间，在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包 含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和 集体，均己在文中以明确方式标明。 签名：逊日期：乏盛生望衄 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不 同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：童隧 e l 期：趔! 生垒旦堕目 导师签名： 日 期： 华北电力人学博十学位论文摘要 中文摘要 随着大型并网风电场容量和数量的增加，其输出功率的波动性和间歇性将给电 力系统的安全稳定运行带来巨大挑战。风电场动态等值建模理论与方法已成为亟待 解决的基础性和应用性研究课题。本文首先给出基于运行数据的风电机组建模方 法；然后针对三种常用风电机组，分别研究风速波动下和故障条件下风电场动态等 值建模方法。论文的主要工作如下： ( 1 ) 提出一种基于运行数据的风电机组建模方法。根据实测运行数据和数理 统计方法得出风电机组的实测功率曲线，建立叶尖速比与风能利用系数的映射关 系，通过查表法建立风力机模型，进而建立基于运行数据的风电机组模型。通过算 例仿真，并与实测数据的比较分析表明，该方法建立的模型具有更高的精确度和工 程应用价值。 ( 2 ) 在分析尾流效应和时滞对风电场输出特性的影响以及风速波动下风电场 常用等值方法适用性的基础上，针对常用等值方法建立的风电场模型出现无功功率 误差的问题，提出了一种变参数电容补偿的单机表征方法。该方法计及了两种机端 无功补偿方式，可适用于风速波动下定速机组风电场的动态等值建模。仿真结果表 明，该等值方法可有效降低等值模型的无功功率误差。 ( 3 ) 在分析电网故障条件下风电场常用等值方法适用性的基础上，提出了一 种适用于故障条件下定速机组风电场动态等值模型的多机表征法。该方法以风电机 组具有相近运行点为机组分群原则，定义了新的机群分类指标，结合聚类算法对风 电机组进行动态分群，并给出了等值模型中各参数的计算方法、风电场集电系统的 化简方法及等值模型的仿真建模过程。与传统等值方法的仿真对比验证了该方法的 有效性。 ( 4 ) 提出了一种电网故障条件下双馈机组风电场的动态等值建模方法。以双 馈机组的桨距角控制动作情况为机组分群原则，通过提取反映桨距角控制动作的特 征向量，作为支持向量机的输入进行双馈机组的动态分群，得出以三台风电机组表 征的风电场等值模型。同时，给出了等值模型中各参数的计算方法。仿真结果表明， 三机表征模型能够准确地反映双馈机组风电场并网点的动态特性。 ( 5 ) 根据直驱永磁同步风电机组中双脉宽调制变换器起到隔断故障的特点， 针对不考虑低电压穿越控制或低电压穿越控制采用超级电容器的情况，将风电场模 型等值成一台风电机组，并给出了等值模型中各参数的获取方法。仿真结果表明， 该方法可适用于风速波动和电网故障条件下的直驱永磁机组风电场动态等值建模。 关键词：风电场；风电机组；动态等值；运行数据；风速波动；故障 华北电力大学博十学位论文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h ec a p a c i t ya n dn u m b e ro fl a r g e - s c a l ew i n df a r m s i n t e g r a t i o n ，t h ef l u c t u a t i o n sa n di n t e r m i t t e n to fw i n dp o w e ro u t p u tw i l lc h a l l e n g ep o w e r s y s t e ms e c u r i t ya n ds t a b i l i t yg r e a t l y t h e o r y a n dm e t h o df o rd y n a m i ce q u i v a l e n t m o d e l i n go fw i n df a r m sh a sb e c o m ea nu r g e n tb a s i ca n da p p l i e d r e s e a r c hp r o je c t f i r s t l y , t h i sp a p e rp r o p o s e st h em e t h o df o rt h ew i n dg e n e r a t i o ns y s t e mm o d e l i n gb a s e d o n o p e r a t i n gd a t a ，a n dt h e n f o rt h r e ec o m m o nw i n dg e n e r a t i o ns y s t e m s ，t h ed y n a m i c e q u i v a l e n tm o d e l i n gw i n df a r m su n d e rw i n ds p e e df l u c t u a t i o n s a n df a u l t sa r es t u d i e d r e s p e c t i v e l y t h em a i nc o n t r i b u t i o n so f t h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) am e t h o df o rt h ew i n dg e n e r a t i o ns y s t e mm o d e l i n gi sp r e s e n t e db a s e d o n o p e r a t i n gd a t a a c c o r d i n g t om e a s u r e do p e r a t i n gd a t aa n ds t a t i s t i c a lm e t h o d s ，t h e m e a s u r e dp o w e rc u r v eo fw i n dt u r b i n ei so b t a i n e da n du s e dt o s e tu pt h em a p p i n g r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt i p s p e e dr a t i oa n dw i n dp o w e rc o e f f i c i e n t t h r o u g hu s i n gl o o k 。u p t a b l et oe s t a b l i s hw i n dt u r b i n em o d e l ，t h ew i n dg e n e r a t i o ns y s t e mi so b t a i n e d c o m p a r e d w i t ht h em e a s u r e dd a t a ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h em o d e lb a s e do np r o p o s e d m e t h o dh a s h i g h e ra c c u r a c ya n de n g i n e e r i n gv a l u e ( 2 ) b a s e do nt h ea n a l y s i so fi m p a c t so fw a k ee f f e c ta n dt i m ed e l a yo no u t p u t c h a r a c t e r i s t i c so fw i n df a r ma n da p p l i c a b i l i t yo f w i n df a r mc o m m o ne q u i v a l e n tm e t h o d s u n d e rw i n ds p e e df l u c t u a t i o n s ，as i n g l em a c h i n er e p r e s e n t a t i o nm e t h o du s i n gv a r i a b l e p a r a m e t e r so fc a p a c i t a n c ec o m p e n s a t i o ni sp r e s e n t e df o rt w ok i n d so fr e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o n a ti t st e r m i n a l s ，t oa v o i dt h er e a c t i v ep o w e re r r o r s f r o mc o m m o n e q u i v a l e n tm o d e l i n gm e t h o d s t h i s m e t h o di ss u i t a b l ef o rt h ed y n a m i ce q u i v a l e n t m o d e l i n go fw i n df a r mc o n t a i n i n gf i x e d s p e e d w i n dt u r b i n e su n d e rw i n ds p e e d f l u c t u a t i o n s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ee q u i v a l e n tm e t h o dc a ne f f e c t i v e l y r e d u c er e a c t i v ep o w e re r r o ro ft h ee q u i v a l e n tm o d e l ( 3 ) b a s e do nt h ea p p l i c a b i l i t yo fw i n df a r mc o m m o ne q u i v a l e n tm e t h o d su n d e r f a u l t s ，am u l t i m a c h i n er e p r e s e n t a t i o nm e t h o df o rd y n a m i ce q u i v a l e n tm o d e lo fw i n d f a r m sw i t hf i x e d s p e e dw i n dt u r b i n e si sp r e s e n t e d u s i n gt h ew i n dt u r b i n es i m i l a r o p e r a t i n gp o i n ta st h eg r o u p i n gr u l eo f w i n dt u r b i n e s ，t h ep r o p o s e dm e t h o dd e f i n e st h e n e wc l u s t e rc l a s s i f i c a t i o ni n d e x t h e nt h ew i n dt u r b i n e sa r ed y n a m i c a l l yg r o u p e db y c l u s t e r i n ga l g o r i t h m ，a n dt h ep a r a m e t e r sc a l c u l a t i n gm e t h o d s ，w i n d f a r mc o l l e c t o r s y s t e ms i m p l i f i c a t i o na n ds i m u l a t i o nm o d e l i n gp r o c e s so fe q u i v a l e n tm o d e la r ep r o v i d e d c o m p a r e d w i t ht h et r a d i t i o n a lm e t h o d s ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h e i ； llj 华北电力大学博十学位论文摘要 m u l t i - m a c h i n er e p r e s e n t a t i o nm e t h o di se f f e c t i v e ( 4 ) ad y n a m i ce q u i v a l e n tm o d e l i n go fw i n df a r m sw i t hd o u b l y f e di n d u c t i o n g e n e r a t o rw i n dt u r b i n e su n d e rf a u l t si sp r o p o s e d t h i sm e t h o du s e st h ed o u b l yf e d i n d u c t i o ng e n e r a t o rp i t c hc o n t r o la c t i o na st h eg r o u p i n gr u l eo fw i n dt u r b i n e s b y e x t r a c t i n ge i g e n v e c t o r st h a tr e f l e c tp i t c hc o n t r o la c t i o n ，t h e ya r eu s e da si n p u to fs u p p o r t v e c t o rm a c h i n e ( s v m ) t h e nt h ew i n dt u r b i n e sa r ed y n a m i c a l l yg r o u p e d t h u saw i n d f a r mm o d e lr e p r e s e n t e db yt h r e ee q u i v a l e n tw i n dt u r b i n e si so b t a i n e d a tt h es a m et i m e ， t h ep a r a m e t e r sc a l c u l a t i n gm e t h o d so fe q u i v a l e n tm o d e la r ep r o v i d e d t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dt h r e e - m a c h i n ee q u i v a l e n tm o d e lc a nm o r ea c c u r a t e l y d e s c r i b et h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ew i n df a r ma tt h e g r i di n t e g r a t i o np o i n t ( 5 ) a c c o r d i n gt o t h ef a u l ti s o l a t i o no fd o u b l e p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( p w m ) c o n v e r t e r sf o r d i r e c t l y d r i v e nw i n dt u r b i n ew i t h p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u s g e n e r a t o r ( p m s g ) ，w h e nt h el o wv o l t a g er i d e - t h r o u g h ( l v r t ) c o n t r o li sn e g l e c t e d ，o r w h e nt h eo v e r - d i m e n s i o n e dc a p a c i t o ri st a k e na st h el v r tc o n t r o l ，t h ew i n df a r mw i t h p m s gc a nb ee q u i v a l e n ti n t oaw i n dt u r b i n eg e n e r a t o r , a n dt h ep a r a m e t e r sc a l c u l a t i n g m e t h o d so fe q u i v a l e n tm o d e la r e p r o v i d e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h i sm e t h o d i ss u i t a b l ef o rt h ed y n a m i ce q u i v a l e n tm o d e l i n go f w i n df a r mc o n t a i n i n gd i r e c t l yd r i v e n w i n dt u r b i n ew i t hp m s gu n d e rw i n ds p e e df l u c t u a t i o n sa n df a u l t s k e yw o r d s ：w i n df a r m ；w i n dg e n e r a t i o ns y s t e m ；d y n a m i ce q u i v a l e n c e ；o p e r a t i n gd a t a ； w i n ds p e e df l u c t u a t i o n s ；f a u l t 华北电力人学博士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 课题的研究背景1 1 2 课题的研究现状一3 1 2 1 风电机组建模一3 1 2 2 风电场动态等值建模方法6 1 3 本文的主要工作9 第二章基于运行数据的风电机组建模方法1 l 2 1 引言1l 2 2 基于运行数据风电机组建模方法的主要思想：1 l 2 3 基于运行数据的实测功率曲线求取方法“ 2 3 1 标准功率曲线一1 1 2 3 2 实测功率曲线的求取方法一1 2 2 4 利用实测功率曲线搭建风电机组模型1 4 2 4 1 风力机建模基础理论1 4 2 4 2 利用功率曲线搭建定速风电机组模型1 6 2 4 3 利用功率曲线搭建变速风电机组模型1 7 2 5 基于运行数据风电机组建模方法的应用1 8 2 5 1 静态特性比较18 2 5 2 暂态特性比较1 9 2 5 3 与实测数据的比较2 0 2 6 小结2 4 第三章风速波动下定速机组风电场的动态等值建模方法2 5 3 1 引言2 5 3 2 定速风电机组模型2 5 3 3 计及机端无功补偿的定速风电机组仿真模型建立一2 7 3 3 1 按固定电容器补偿一2 7 3 3 2 按分组投切电容器补偿2 7 华北电力大学博+ 学位论文目录 3 4 尾流效应和时滞对定速机组风电场输出特性的影响3 0 3 4 1 尾流效应和时滞的数学模型3 0 3 4 2 风电场输出特性分析3 l 3 5 风速波动下常用等值方法的适用性分析一3 3 3 5 1 风电场常用等值方法一3 3 3 5 2 适用性分析一3 4 3 6 一种变参数电容补偿的单机表征方法3 5 3 6 1 按固定电容器补偿3 5 3 6 2 按分组投切电容器补偿3 7 3 7 算例分析一3 8 3 8 小结4 0 第四章故障条件下定速机组风电场模型的多机表征方法4 2 4 1 引。言4 2 4 2 故障条件下风电场常用等值方法的适用性分析4 2 4 3 多机表征的主要思想4 5 4 4 机群分类指标4 5 4 5 风电场动态等值模型的多机表征一4 9 4 6 算例分析5 0 4 7 小结5 5 第五章双馈机组风电场的动态等值建模方法5 9 5 1 引言5 9 5 2 双馈风电机组模型及其工作原理一5 9 5 3 支持向量机基础理论6 2 5 4 基于s v m 和桨距角动作情况的动态等值建模方法6 3 5 4 1 双馈风电机组的分群原则6 3 5 4 2 反映桨距角动作的s v m 特征向量提取一6 4 5 4 3 双馈机组风电场的动态等值模型6 5 5 5 算例分析一6 7 5 6 小结7 0 第六章直驱永磁机组风电场的动态等值建模方法7 l 6 1 引言7 1 华北电力大学博十学位论文目录 6 2 直驱永磁同步风电机组模型及其工作原理7 l 6 3 直驱永磁机组风电场的动态等值建模方法7 4 6 4 算例分析一7 6 6 5 小结71 第七章结论与展望8 0 参考文献8 0 致谢9 0 个人简历、在学期间参加的科研工作及学术论文发表9 1 一 ， 华北电力大学博十学位论文 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 风力发电作为目前可再生能源丌发利用中技术最成熟、最具规模开发和商业化 发展前景的发电方式之一，由于其在有效减轻环境污染、缓解能源匮乏，对能源结 构的调整、解决偏远地区居民用电等方面的突出作用，越来越受到世界各国的重视 并得到了广泛的开发和利用。 1 9 9 0 年以来，风力发电技术同趋成熟，世界风力发电得到了前所未有的飞速发 展，全球累计装机平均每年增长超过2 0 ，其增长速度超过了任何一种电力能源的 增长。2 0 0 8 年底全球累计风电装机容量1 2 1 1 8 8 m w ，相比2 0 0 7 年增加了2 7 2 6 1 m w ， 增长率高达2 9 。图1 1 给出了2 0 0 7 、2 0 0 8 年底全球新增风电装机比例前十名国家。 根据全球风能协会( g l o b a lw i n de n e r g yc o u n c i l ，g w e c ) 公布的统计资料，到2 0 0 9 年 底，世界风电新增装机容量3 7 5 万兆瓦，容量累计已达1 5 7 9 万兆瓦，2 0 0 9 年全球 风能发电增长3 1 。 美国i i i 二i 二二一2 5 1 7 0 德国1 - _ _ _ _ _ _ _ i _ _ _ 一蠢3 西班牙 1 5 摇4 0 中国f 5 9 12 i 1 2 2 l o 印度i 一锡船 意大利i i _ _ i 3 7 2 7 6 3 6 法国一叠 英国_ 忍8 丹麦i 釜j 磊 葡萄牙i i i 孑。2 1 3 8 0 6 l口2 0 0 7 _ 2 0 0 8 图1 12 0 0 7 年和2 0 0 8 年底全球新增风电装机比例前十名国家 。 我国风力发电起步较晚，1 9 8 6 年在山东容城建立了第一个并网风电场。其后的 十几年时间里，我国政府一直在努力促进风力发电的发展，先后颁布了多项激励风 力发电发展的政策法规，其中，2 0 0 6 年1 月l 同可再生能源法以及2 0 1 0 年4 月1 日可再生能源法( 修正案) 的正式实施为风力发电的发展提供了新的推动力 和保障。近年来，随着数字化通信技术、新能源技术的快速发展，智能电网已成为 未来电网的发展方向【卜3 1 。国家电网公司在2 0 0 9 年上半年公布的我国智能电网发展 计划中，明确地指出了风力发电的发展目标。这些都有力地促使我国风力发电一直 保持快速的发展势头，至2 0 0 9 年底我国风电装机容量已超过2 5 0 0 万千瓦。图1 2 第一章绪论 为我国近十年风力发电装机容量发展柱状图。根据我国政府制定的可再生能 目标，力争用十多年时间在甘肃、内蒙古、河北等地形成几个上千万千瓦级 基地，争取实现2 0 2 0 年风电装机规模1 5 亿千瓦左右。 2 2 5 0 0 2 0 0 0 0 1 7 5 0 0 1 2 5 0 0 1100007500500025000 l 一 曩 i 一 - s 咖 。 _ 1 嚣 一量l 嚣 圜i 球 圈i f 圜囊l 圜圈1 豳l 二 i圜 圜i 圜i ； 一j i 一l - l l - 啊t l _ 一豳l u l _ j 图1 2近十年我国风力发电装机容量柱状图 随着我国风力发电的快速发展、上百兆瓦及以上大型风电场的出现以及风电接 入系统电压等级的提高，风力发电对电力系统的影响已不容忽视。国家电网公司 风电场接入电网技术规定( 试行) 中规定，风电场应及时提供风电机组、风电场汇 集系统的模型和参数，作为风电场接入系统规划设计与电力系统分析计算的基础。 但是，目前国内尚没有风电场能够向电网调度部门提供风电场集总模型。与传统电 厂相比，大型风电场由几百台甚至上千台风电机组组成，在电力系统的分析计算中 若对每台风电机组及其控制系统进行详细建模，将极大增加仿真模型的复杂度，导 致计算时间长、资源利用率低。因此，有必要对风电场的等值建模方法进行深入的 研究【4 1 。 当风电场模型的应用目的不同、风电机组的类型不同以及等值模型要求的精度 不同时，相应的风电场模型等值方法也不同。根据应用目的不同可以把风电场等值 建模问题分为两类，一类是应用于风电场规划设计阶段，如用于电缆、变压器以及 保护设备选择的风电场短路电流计算【5 j 、利用功率曲线计算风电场的风能输出以及 潮流计算【6 】等，用于风电场规划设计的风电场模型较为简单，不需要建立风电机组 的详细控制模型；另一类是应用于风电场并网问题的研究，对该问题的研究需要建 立风电机组及其控制的详细模型，其风电场等值建模也较为复杂。 国家电网公司于2 0 0 9 年2 月颁布了风电场接入电网技术规定( 修订版) 【7 1 。技术 规定中明确了风电场接入电网的技术要求，对风电场有功功率、风电场电压范围以 及风电场低压穿越做了详细规定，具体是：风电场具有有功功率调节能力，并能 2 华北电力人学博士学位论文 根据电网调度部门指令控制其有功功率输出。为实现对风电场有功功率的控制，风 电场需安装有功功率控制系统，能够接受并自动执行调度部门远方发出的有功出力 控制信号，确保风电场最大输出功率及功率变化率不超过电网调度部门给定值； 当风电场并网点电压偏差在10 + 1o 之间时，风电场内的风电机组应能正常运 行；风电场并网点电压在给定电压轮廓线及以上区域内时，场内风电机组必须保 持不问断运行，并网点电压在给定电压轮廓线以下时，场内风电机组运行从电网切 出。从上述风电场接入电网的技术要求可以看出，为研究风电场是否达到并网要求， 需要对风速波动下和故障条件下风电场并网点的动态特性进行研究。因此本文研究 风速波动下和故障条件下风电场的动态等值建模方法具有重要的学术意义和应用 价值。 1 2 课题的研究现状 1 2 1 风电机组建模 1 2 1 1 风电机组的分类 风电场建模的核心问题是风电机组的建模。按照采用的发电机类型，国内风电 场常用的风电机组大体可分为以下三种机型【8 9 】 ( 1 ) 基于普通异步发电机的定速风电机组( f i x e d s p e e dw i n dt u r b i n e ，f s w t ) ， 采用笼型发电机、三叶片风力机，风力机低速轴与高速轴之间采用齿轮箱耦合，发 电机侧安装电容器组进行无功补偿。这种风电机组结构简单、造价低，2 0 0 6 年前国 内多数风电场由该机型组成。但由于其发电机本身不存在控制功能，只能在很小的 转差范围内运行，因此不能有效利用风能。由该机型组成的风电场本文简称定速机 组风电场。 ( 2 ) 基于双馈感应电机( d o u b l yf e di n d u c t i o ng e n e r a t o r ，d f i g ) 的变速风电机 组。发电机定子直接馈入电网，转子通过变频器将部分功率馈入电网，因此称之为 双馈风电机组。此类变速风电机组采用变频器控制技术，能够提高风电机组的风能 转换效率，并实现最大风能捕获、输出有功功率以及无功功率的解耦控制。由该机 型组成的风电场本文简称双馈机组风电场。 ( 3 ) 基于多极永磁同步发电机( p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sg e n e r a t o r ，p m s g ) 的变速风电机组。此类风电机组的风力机直接与发电机相连，不需要齿轮箱升速， 发电机输出电压的频率随转速变化，因此称之为直驱永磁同步风电机组。此类变速风 电机组采用全功率变频器与电网相联，在电网侧得到频率恒定的电压。由于变频器 的解耦控制，使得基于同步发电机的变速风电机组与电网完全解耦，其特性完全取 决于变频器的控制系统以及控制策略。由该机型组成的风电场本文简称直驱永磁机 3 第一章绪论 组风电场。 1 2 1 2 三种常用风电机组建模 风力发电进入电力系统以来，风电机组的模型问题特别是暂态模型一直是研究 热点，国内外学者对风电机组建模和模型的验证做过很多工作。对于定速风电机组 的建模研究，文献 1 0 1 2 研究了潮流计算中异步发电机模型，指出不能简单地把基 于异步发电机组的风电场处理为p q 或p v 节点，而是需要在潮流计算中计及有功 功率、无功功率与异步发电机的滑差和机端电压的关系。文献【l3 研究了定速风电 机组并网对电网电压稳定性的影响，指出定速风电机组在发出有功的同时需要吸收 无功功率，当电网发生故障时整个风电场的无功功率需求较大，导致了地区电网的 电压稳定性降低。文献 1 4 研究了定速机组风电场的无功补偿策略，指出当电网发 生大扰动时，只采用固定电容器或是分组投切电容器补偿不能提供足够的无功功 率，而采用静止无功补偿器( s t a t i cv a tc o m p e n s a t i o n ，s v c ) 可动态调节无功出力，能 极大的提高风电机组的故障穿越能力。文献 1 5 1 7 指出了s v c 或静止同步补偿器 ( s t a t i cc o m p e n s a t o r , s t a t c o m ) 能提高定速风电机组及其风电场的暂态特性。文献 1 8 通过比较定速风电机组的降阶模型和详细模型，指出考虑异步发电机转子电磁 暂态过程的三阶模型和两质量块轴系模型能准确反映风电机组的暂态特性。文献 1 9 】 中在分析并网笼型异步发电机暂态稳定性机理的基础上，分别建立了考虑定子电磁 暂态的详细模型和忽略定子电磁暂态的简化模型，以及1 个和2 个等效质量块的风力 机轴系模型。并针对上述4 种不同组合的风力发电机组模型，利用m a t l a b s i m u l i n k 对定子3 相短路故障情况下的机组暂态行为进行了仿真比较。文献 2 0 】应用等效集 中质量法，建立了风力机3 个质量块模型，通过与风力机传统1 个、2 个质量块等 效模型的机组暂态稳定性比较，指出3 个质量块模型的等效模型对准确分析风电机 组暂态稳定性是必要和有效的。文献 2 l 】对包含6 个质量块的多种j x l 电机组轴系模 型进行暂态稳定性的比较。文献 2 2 】分析了机端装有小型s v c 的定速风电机组组成 的风电场对电网的影响，通过与电容器组补偿型定速风电机组模型的仿真比较表 明，s v c 补偿型定速风电机组具有快速调节无功功率的能力。文献 2 3 介绍了种 风速在切入风附近的风电机组仿真模型。文献 2 4 】给出了定速风电机组各部分的时 域仿真模型，并给出其参数的详细推导过程。 对于双馈风电机组的建模研究，文献【2 5 简单分析了变速风力发电机组的模型 和各国风电联网导则。文献 2 6 2 8 研究了d f i g 的简化模型，其中，变频器模型采 用了受控电压源形式，通过控制转子电流调整风电机组有功和无功。文献 2 9 】比较 了d f i g 的5 阶与忽略定子暂态后的3 阶模型，并讨论了d f i g 的电压控制能力及 其在系统故障情况下的特性。文献 3 0 】分析了d f i g 的详细模型和简化模型，并通 过仿真与试验的方法验证了d f i g 在电压骤降情况下的动态响应。文献 3 1 , 3 2 研究 4 华北电力人学博+ 学位论文 了d f i g 的小信号模型，并分析了d f i g 的动态模式，通过分析状态矩阵的极点和 相应的参与因子，对d f i g 线性模型的动态模式进行了识别，从而推导出了降阶模 型，并与详细模型进行了比较。文献 3 3 】研究了适用于暂态分析的d f i g 模型，该 模型考虑到发电机电流控制比机组的机电暂态快得多，对电力系统的暂态稳定影响 不大，所以提出采用一组可由迭代法求解的代数方程表示的d f i g 模型。文献 3 4 】 给出了定速风电机组与双馈风电机组的协调控制。文献 3 5 】建立了双馈异步风电机 组的动态模型，给出了其风电场的无功控制策略。文献 3 6 】给出了风力发电三相脉 宽调带0 ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，p w m ) 变换器的各部分建模及其控制策略和控制器 的设计。文献 3 7 4 2 研究了不平衡条件下双馈风电机组的各种控制策略。还有很多 文献对双馈风电机组的有功功率和无功功率的解耦控制【4 3 5 0 1 、最大风能追踪控制 【5 1 1 、低电压穿越控制【5 2 】以及其他各种应用的控制【5 3 蜘】进行研究。 对于直驱永磁同步风电机组的建模研究，文献【5 7 】针对全功率整流的风电机组 提出了将风电机组发出的有功功率看作控制输入量，将风电机组看作可调功率滤波 器的思想。在分析中，风电机组模型被分成了快速和慢速两个时间尺度的子模型。 文献 5 8 采用等效集中质量法和动力学方程建立了包括机械传动系统动态的轴系模 型，并与发电机动态方程一起组成了8 阶模型。文献 5 9 】在p s c a d e m t d c 软件中 对直驱永磁风电机组进行了建模，并给出了有功功率和无功功率的解耦控制策略。 文献 6 0 ，6 1 】分析了直驱永磁风电机组通过不可控整流和可控逆变联网时，通过逆变 器控制实现功率解耦。文献 6 2 】给出了直驱永磁同步风电机组变换器的协调控制。 文献 6 3 ，6 4 给出了直驱永磁同步风电机组的最大风能跟踪控制策略，并进行了实验 验证。文献 6 5 6 9 对直驱永磁同步风电机组的低电压穿越控制策略进行了研究。 1 2 1 3 风电机组建模存在的问题 2 0 0 9 年1 1 月国家电网公司颁布的风电并网运行控制技术规定中对风电并网分 析模型及方法有如下要求： ( 1 ) 风电并网分析工作中应采用风电机组的详细模型，模型的参数应由风电 场提供实测参数。对没有实测参数的风电机组暂时可以采用同类机型的典型模型和 参数，风电机组模型和参数确定后应重新校核； ( 2 ) 仿真计算中对单个风电场可根据计算目的采用详细或等值模型，风电场 等值模型能反映风电场动态特性。 从规定中可以看出，工程上需要能准确反映实际风电场并网点动态特性的风电 机组建模方法。而采用经典风电机组模型及其参数得到的风电场模型难以满足要 求。为了验证风电机组建模的正确性，可通过仿真分析与现场试验相结合的方法。 文献 7 0 ，7 1 】给出了三种验证风电机组的非并网试验方法。另一种验证方法是风电机 5 第一章绪论 组的联网验证【7 2 。引。文献 7 6 】中，通过对双馈感应风电机组组成的风电场进行短路 试验，并在p s c a d e m t d c 仿真平台上进行了仿真重现。实测结果与仿真结果相吻 合，从而验证了所建模型的有效性。上述仿真验证一般针对故障条件下风电机组的 动态特性进行验证，很少有文献对风速波动下风电机组的动态特性进行验证。 1 2 2 风电场动态等值建模方法 随着风力发电的快速发展，很多学者开始研究风电场动态等值建模的理论和方 法，该研究必将推动和丰富电力系统动态等值的理论和方法。传统电力系统动态等 值是指保留研究系统不变，而对外部系统在保证其对研究系统的动态响应不畸变的 条件下进行简化的过程。现代的动态等值方法根据适用范围的不同，分为以下三种 方澍7 7 删： ( 1 ) 同调等值法； ( 2 ) 基于线性