（电力系统及其自动化专业论文）基于多时间尺度模型的大型风电场直流并网运行特性研究.pdf

东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名导师签名：丝日 期：竺! ! ：! ：二 摘要 摘要 当今的电力系统开始而临数千兆瓦风电的接入，因此研究含有大量风电系统 的运行和控制问题已变得非常重要。现代风力发电技术的发展趋势是采用变速风 力发电机和采用基于电压源型换流器的直流输电并网技术。本文对风电场等值建 模技术和直流输电并网系统运行特性进行了研究。主要研究了风电场建模和直流 输电系统建模，在此基础上研究系统的运行特性，取得以下研究成果： l 、风电系统仿真的空气动力学模型对仿真问题的研究有一定的影响。基于 平均风速加扰动分量的风速模型适用于研究单台风力发电系统的特性，基于功率 谱密度的统计信号风速模型，适用于风电场运行特性的研究。 2 、多刚体轴系的等值对风电场问题的研究有一定的影响。仿真研究表明在 分析含有风电场的电力系统暂态稳定性，采用单刚体模型，因为，风力发电系统 的轴系统没有传统同步发动机的强硬度，采用双刚体模型进行分析会带来显著的 误差。 3 、建立了双馈风力发电机的多尺度等值降阶建模并验证了模型的合理，系 统具有较好的稳定性。采用多尺度降阶模型与详细模型具有较好的拟合性，而转 子转速有一定的误差，但是在工程上是可以接受的。因此，将双馈风力发电机的 变量分成快慢变量以及常规子系统是符合系统的变化响应要求的，可以用简化模 型代替详细模型。 4 、建立了背靠背h v d cl i 曲t 系统的多尺度模型，提出了非线性控制策略。 仿真表明多尺度降阶模型的仿真响应与详细模型的仿真响应具有较好的一致性， 因此，采用多尺度降阶模型对风电场进行仿真研究是可行的方法。 5 、对于大型风电场的动态电力系统分析，给出了采用一台等值发电机模型 集中表示的风电场模型，在该模型中仅考虑电气系统的集中表示。仅仅在研究短 期稳定性考虑机械侧的轴系统、风力机和浆矩控制器的等值。仿真研究表明在风 电场等值模型中仅考虑电气系统的集中表示，对于电力系统和风电场之间相互影 响的动态仿真研究是比较合适的方法，仿真精度是满足要求的，并且大大减少了 仿真计算时间。 关键词：多尺度：风电场；奇异摄动：h v d cl i 曲t ；电压源型换流器 a b s t r a c t a bs t r a c t a st 量l ei n t e g r a t i o no fn l o u s 锄d so fm e g a w a t t so fw i l l dp o w t o c i a 弘m e 叩e m t i o n 锄dc o n 廿d l i s s u e so fm ep o w e rs y s t e mw h i c hc o n t a i l l sl a 唱e 锄o u n t so fw i i l dh a eb e c o m ev e d ，i m p o r t 锄t t h et 铋d e n c ) ro fm o d w i i l dp o w e rg e m t i o nt c c l l i l o l o g ) ，i s 郴i i l gv a r i a b l es p e e dw i i l dt i b i l i e s 锄dd c 廿锄s m i s s i 鲥dt e c 量l i l o l o g ) ，b 邪e d v o l 协g es o u r c ec rt oa c h i e v ea c t i v ep a w e r 锄d 聆a c t i v ep o w 盯c o n t r o l 鸹w e l l 笛n e ) 【i b l ev o l t a g e 丘e q u e n c ) ，c o n t r 0 1 h lt h i sp a p e r t l l e e q u i v a l e n tm o d e l i i l go fw i l l df a m 锄d 吐l eo p 酬n gc h a m c t e r i s t i c so fd c 咖s m i s s i o n 鲥d s y s t e mw e s t i l d i e d t h em a j o r 聆s e a r c hi st h em o d e l i n go fw i i i df a n na n dd c 仃孤s m i s s i o n s y s t e m ，锄d 也i sb 罄i st os t u d y 廿l eo p e r a t i i l gc h a r a 踊s t i c so ft l l es y s t e m 1 、t h ea e r o d y n 锄i c sm o d e lb 舔e do nw i i l dp o w e rs y s t e ms i i l l u l a t i o nh a sac e r t a i l li r i l p a c to n t t l e s t u d yo f 也ep r o b l e m t h ew i i l ds p e e dm o d e lb 邵e d t t i ea v e r a g ew 砌s p e e dp l u s p e 咖f b a t i o nc o m p o n e mi sa p p l i c a b l e t os t i l d y 廿l ec h 锄c t e r i s t i c so fas i n 舀ew i l l dp o w e r g 朗e r a t i s ) ，s t e i l l w h i l e l em o d e l b 舔e d 伽t h es t a t i s t i c a ls i 印a lo fp o w 盯s p e c 舰ld e n s 时i ss u i t f 研t l l e 他s e a r c ho f n l eo p e m t i i l gc h a m 曲e r i s t i c so f w i r l df 砌 2 、1 1 1 er e s e 砌la b o u tm ei l p a c to f t h ee q u i v a l e n to f m u n i - b o d ys h a f t 叽廿l ew i i l df - a n l l s i m u l a t i o ns t i l d i e sh 孙，es h o w nm a tas m g l em 私sm o d e li s 咖s i e n ts t a b l e ，b u tt w o - m 嬲sm o d e li s u n s t a b l e t i l e r e f o 他，l l s i i l gt h es i n g l em 蕊sm o d e lt 0 锄a l y s i s 也e 们n s i ts t a b i l i 锣o ft l l ep o w 钉 s y s t e mc o n t a 洫saw i n d 胁b e c 剐略et l l es h a f t 够s t e mo fn l ew i i l dp o w e rg e r a t i o ns y s t e mi s w e a k e r 吐l 锄t i l en 谢i t i o n a ls y n 蜘协i o n ，瑚i n g 铆。哪弱sm o d e lt o 龃a l y s i sw i l l 啪l g s i 盟i f i c a n te r r o l 3 、m u l t i - s c a l er i d u c e d - o r d e rm o d e l i n go fd o u b l e - f e dw i n dg e n e n l t o r s 、 ，a se s t a b l i s h e d ，a n d w d f i e dm a t l em o d e li sr e 勰叽a b l e ，a n dn l es y s t e mh 弱ag o o ds t a b i l i 哆c 咖p a 聆dw i n ld e t a i l e d m o d e l ，u s i i l gd e t a i l e dm o d e l 翘dm u l t i - s c a l er e l 王u c e 如r d e rm o d e li sf i 仕e r 锄dm em t o rs p e e dh 勰 ac e r t a i l lm a 略i i lo fe n d r h o w e v e r ，也ee r r o ri s c e 叫b l eb y 也ep r o j e c ls o ，i ti si nl i i l ew i 廿ln l e m q u i r e m e n to f 也e 陀s p o 璐et 0c h a n g et 1 1 e i r i a b l e so f l ed ( m b l e f e dw i i l dg e n e r a t o ri n t of 弧t 锄d s l o wv a r i a b l e s 舔w e u 雏c v t i o n a ls u b s y s 觚，锄ds 确p l i f i e dm o d e lc 锄b eu s e di i l s t e a do f e x a c tm o d e l 4 、m u l t i - s c a l em o d e l 锄dc o r l t r o ls t r z 她g yo f ab a c kt 0b a c kh v d cl i g h ts y s t 唧w e r e 伪t a b i i s h e d t h e 他姐l t ss h o wm a tm er e s p o 璐e so fm em u l t i s c a l e 阳d u c e 如r d e rm o d e l 锄d d e t a i l e dm o d e lh a v eag o o dc o n f o 册i 够t h e r e f o 鸭i ti saf e 舔i b l ea p p r o a c ht oh a v es i i n u l a t i r s e a l r c hf o rw i i l df - 蛳v i am u l t i s c a l et c c i u c e d - 一o r d e rm o d e l 5 、aw i i l df - 锄m o d c lw h i c hi sc e 咖l i z e d 懿p r e s s e db yae q i l i v a l 明tg e m t i m o d e lw 私 g i v e nt oh a v et l l ed y n a i i l i cp o w 盯s y s t e m 觚a l y s i so fi a 毽e s c a l ew i i l df 锄，锄dc e n n ，a l i d e x p r e s s i 蚰o ft 1 1 ee l e c t r i c a ls y s t e mi sc o n s i d e i i e d l yi i lt i l i sm o d e l t h es t i l d i e sh a v es h o w n 吐l a l o n l yc o 璐i d 凹t h ec e n t r a l i z e de x p 咒s s i o no fn l ee l e 硎c a is y s t e mr a t l l e r 廿l 孤m e c h 觚i c a ls y s t e 】mi i i t l l ee q u i v a i e n tm o d e lo f w 访d 伽mi st l l em o s t c u m t em e t l l o dt 0s t u d y 也ed y n 锄i cs i l u l a t i o f 廿l ci r l t e m c t i b e t 、e 锄p o w 盯s ) r s t e m 锄dw i i l d 伽1 n t h es i n l u l a t i 锄c u m c yo ft l l e s em o d e l s m e e t sm e r e q u i r e m e n t ，锄ds i i i l u l a t i o nt i i i l ei s 他d u c e dg r e a t l y k e y w o r d s ：m u l t - s c a l e ；w i i i d 细m ；s i l l g i l l 缸p e 咖r b a t i ；h ) cl i g h t ；v o l t a g es 伽r c ec o n v c r t 盯 n 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i l 第一章绪论l 1 1 课题的背景与意义1 1 2 风电场降阶建模问题研究2 1 2 1 风速模型3 1 2 2 多刚体轴系等值建模4 1 2 3 桨矩角控制4 1 2 4 风力发电机( w t g s ) 模型5 1 2 5 风电场中的风力发电机( w 1 g s ) 模型。5 1 3 大型风电场并网技术研究7 1 3 1 并网方式的比较7 1 3 2 基于v s c 技术的h v d c 输电系统( h v d cl i g h t ) 8 1 3 3 背靠背h ) cl i 曲t 数学模型和控制策略研究。9 1 4 多时间尺度建模技术1 0 1 5 博士论文主要研究内容和章节安排。1 2 1 5 1 主要研究内容1 2 1 5 2 论文章节安排1 2 第二章多时间尺度建模及稳定性分析1 4 2 1 引言1 4 2 2 精确的奇异摄动系统1 4 2 3 线性系统的双时间尺度分解1 7 2 4 非精确模型的时间尺度分解2 3 2 5 本章小结2 8 第三章风力机建模2 9 3 1 引言2 9 3 2 空气动力学模型2 9 3 3 风速数学模型3 3 3 3 1 风速统计模型【1 州n o 】3 3 3 3 2 风速复合模型【1 0 9 】3 5 3 3 3 卡曼( k a i m a l ) 脉动风速谱模型1 1 2 1 。3 6 3 4 多质量风电系统机械传动模型3 7 3 4 1 三质量系统3 8 3 4 2 双质量系统4 0 3 4 3 单质量系统4 2 3 5 多质量风电系统仿真比较4 3 3 5 1 主动火速型风力发电机仿真4 4 3 5 - 2 变速变频型风力发电机仿真4 5 3 6 本章小结。4 8 第四章双馈感应发电机多尺度建模4 9 4 1 引言4 9 4 2 基于d q 分解的d f i g 模型5 0 i 目录 4 2 1 双馈风力发电机的八阶模型5 0 4 2 2 双馈风力发电机的五阶模型5 l 4 2 3 双馈风力发电机的三阶模型5 2 ， 4 3 双馈风力发电机多时间尺度降阶模型5 3 4 3 1 快变量存在的条件5 3 4 3 2 稳定性条件5 5 4 4 基于d q 系统的d f i g 多尺度模型5 7 4 4 1d f i g 多尺度模型5 7 4 4 2 仿真分析6 l 4 5 本章小节“ 第五章h v d cl i g h t 多尺度建模与控制6 6 5 1 概述。6 6 5 2 背靠背四象限v s c 的建模6 6 5 2 1 三相静止a b c 坐标下的数学模型6 7 5 2 2 两相同步旋转d q 坐标下的数学模型6 8 5 3 基于多时间尺度，d cl i g h t 的奇异摄动模型7 0 5 3 1 问题的提出7 0 5 3 2h v d cl i 曲t 连续时间等效模型7 0 5 4 基于多尺度模型的控制器结构设计7 3 5 4 1 快动态和慢动态7 3 5 4 2 控制器综合设计 7 3 5 4 3 电网互联时的控制策略7 4 5 5 大型风电系统并网时的控制策略7 7 5 5 1 整流侧直流电压控制器7 7 5 5 2 逆变侧交流电压控制裂1 3 1 l 7 7 5 6 仿真结果与分析。7 8 5 6 1 电网互联时的仿真j 7 8 5 6 2 背靠背h v d cl i g l l t 系统仿真。8 0 5 6 3 基于多时间尺度模型的 d cl i 曲t 仿真8 2 5 7 本章小结。8 5 第六章直流并网风电场运行特性研究8 6 6 1 引言8 6 6 2 风电场等值模型。8 6 6 2 1 定速风力发电机风电场的综合模型8 6 6 2 2 变速风力发电机风电场的综合模型8 7 6 2 3 风力发电机励磁系统控制8 8 6 3 单台等值模型的风电场仿真9 4 6 4 分组等值模型的风电场仿真9 8 6 5 故障仿真分析9 9 6 6 仿真分析10 0 6 7 本章小结1 0 2 第七章结论与展望1 0 3 7 1 结论1 0 3 7 2 展望i0 4 目录 参考文献1 0 7 致 射11 5 攻读博士学位期间发表的学术论戈l l6 第一章绪论 1 1 课题的背景与意义 第一章绪论 在过去的2 0 多年里，风力发电在技术水平、性能价格比以及装机容量等方面都取 得了长足的进步【2 3 】。据世界风能协会的统计【，截至到2 0 0 9 年底止，全世界风电装机 容量已达到1 5 7 9g w ，其中2 0 0 9 年新装机容量为3 7 5g w ，比上一年度增长3 1 。预 计在下一个5 年内，年新增安装容量将继续保持1 5 的速度增长。中国在2 0 0 9 年己实 现装机容量2 5 1g w ，占世界风电装机容量的1 5 9 ，位居亚洲第一，世界第三。 当今的电力系统开始面临数千兆瓦风电的接入，因此研究含有大量风电系统的电力 系统运行和控制问题已变得非常重要【8 】。目前对风电系统的研究已经从电能质量发展到 暂态稳定、事故后自动恢复、调频调压、直接调度等。尤其是美加东部大停科5 1 、瑞典 一丹麦互联系统网以及意大利电网【7 肄事故，提醒我们关注在电力市场环境下全系统范 围内的紧急控制与调度，以及与之相应的独立发电厂的反应能力对维持系统的稳定性， 对现代风力发电场我们也应该关注其稳定控制和参与电网调度的问题，研究这些问题的 基础是要建立合适的风电场动态模型。欧盟为保持其在风力发电领域的世界领先水平， 专门制定了中长期研究计划，并设有专项赞助基金【9 ，1 0 1 ，支持风电场动态模型研究和系 统运行控制研究。在风力发电机组和风电场的动态模型、风电预报等都已取得实用成果， 并在欧洲一些国家电网中实际投入应用【l l 】。由此可见，自主研发风力发电场实用模型 进而开展相应的并网运行与控制研究，是我国大力发展并网风电的重要前提条件【1 2 1 【1 5 0 1 5 4 】 o 由于现代风力发电技术的迅速发展，电网公司对风电场的运行特性提出了不同的要 求，现列举如下： 1 、无功功率控制：系统功率因数在较大范围内变化时，应该允许风电场连续运行。 对系统功率因数变化的要求取决于不同的电网，采用电压控制策略来实施对无功功率的 控制，因此要求风力发电机的机端电压要可调节。 2 、有功功率控制：对风电场的有功功率输出需要施加一定的控制，最大上升速率 对风力发电机有一定的影响。在可调的时间间隔内，应该有能力使得功率从0 到p m a 】【 或者从p m a x 到0 变化。 3 、频率运行范围：风力发电机的运行不应该受电网频率变化的影响。对于给定的 l 东南大学博= i ，学位论文 电网频率变化范围，电力公司应该允许风力发电机运行一定的时间。频率变化越大，风 力发电的解列应越快。 4 、连续电压运行：当电压水平在某一个限值内变化时，希望风力发电机不应解列， ， 允许运行的时间取决于电网的电压水平。 5 、高电压穿越：如果电网电压超过额定电压，应该允许风力发电机运行一定的时 间。 6 、低电压穿越：一旦电压降低到某个限值，在龟许解列之前，应该允许风力发电 机运行一定时间。这一要求是为了保障正常切除故障以后，不会造成功率损失。如果发 电机快速解列，将会使得问题变得更加复杂，一旦电压恢复，将会造成功率损失。另外， 有些电力公司要求风力发电机在系统发生故障时能为系统提供支持。 为了满足上述要求，风力发电技术的发展趋势是采用变速风力发电机，即双馈发电 机、永磁同步发电机；采用基于电压源型换流器的直流输电并网技术，可以实现对有功 功率和无功功率的控制，灵活的电压频率控制，为风电场参与整个电网的集中调度与控 制提供了基础 4 】。 自上个世纪九十年代以来，人们已经对并网发电的风机和风场的建模问题进行了大 量研究工作，并且已经取得了初步成剁7 1 1 【2 2 】。图1 1 是基于背靠背直流并网系统的的风 电场系统图。 背靠背直流输电系统 图1 1 基于背靠背的风电场直流并网系统 对该系统的仿真研究主要分成两部分，即风电场等值建模技术的研究和系统运行特 性的研究。如果缺少合适的模型，将妨碍大型风电场接入系统的仿真研究，难以正确评 价风力发电场对电力系统运行的影响，因此，建模研究是基础。系统模型主要包括风电 场建模、直流输电系统建模和电力系统建模。在本课题中主要研究风电场多尺度等值建 模和直流输电系统多尺度建模问题，在此基础上研究直流并网的风电系统运行特性。 1 2 风电场降阶建模问题研究 在大型电力系统中，现代风电场是由十几台到几十台风力发电机组成，图2 是一个 风电场的拓扑图，将图1 2 风电场等效为图1 1 中用一台风力发电机表示。如果采用详 2 第一章绪论 细建模，对电力系统的影响可以视为将多台小额定容量的发电机、升压变压器以及大量 的短线路等模型加入到电力系统模型中，不仅增加电力系统模型的规模，而且还会带来 许多严重问题如模型的有效性、数据的修正等，同时也将增加潮流计算的时间，尤其是 增加时域仿真的时间。因此，大型风电系统降阶建模问题已成为当今研究的热点之一。 风电场建模研究的基础是单个风力发电机系统的建模，包括风速，风力机，传动装 置和风力发电机等，如图1 3 所示。相对应的风电系统建模分别为风速模型，风力机模 型，传动装置模型和风力发电机模型等各个环节。 图1 2 风电场拓扑结构图 街 星一b 咭。 “耐 一i 出目7 电气艇陆 ih 鬓i q 。一一涵一r l l 臌锻 风力机模型 1 2 1 风速模型 图1 3 风力机模型结构图 目前常用的风速模型一般是两种：一种是将风速分解为基本风，阵风，谐波分量和 背景噪声等4 种分量；一种是将风速分解为平均风速分量和湍流分量。前者相对比较容 易建立，但通常只能模拟简单的情形。后者则能够更好地区分风速中的慢速变化分量和 快速变化分量部分，更好反映出一定时间尺度内风速变化的统计规律和相关特性。文献 8 9 】将风速信号表示为平均风速加扰动分量。文献 9 0 】扰动模型是基于采用功率谱密度 的统计信号，目前在风速信号中广泛使用的功率谱密度是k a i m a l 谱。文献【9 1 】【9 2 】指出 对于系统分析，一般采用丹麦r i s o e 实验室定义的等值风速方法。这种方法的基本思想 3 藩，一7 * 东南大学博士学位论文 是采用一个等值风速信号来表示完整的扰动风速域。目前，这种方法是比较精确而有效 的方法。 1 2 2 多刚体轴系等值建模 文献 2 3 - 2 5 】给出了基于多刚体轴系的风力发电机稳定性分析。文献 2 6 】用两种类型 的风力机轴系模型进行了仿真分析，并考虑了无功功率控制对风力发电机稳定性的影 响。由于在配电网中风力发电机系统被视为唯一的发电机，其机械刚性要比电气刚性低， 采用基于双刚体轴系模型进行系统的稳定性分析会产生较大的误差【2 7 1 。由于异步电机和 同步电机一样具有稳定性问题【2 8 1 ，风力机和发电机的惯性常数对暂态稳定性都有影响。 文献【2 9 3 3 】将风力机和发电机模拟为具有集中惯性常数的单刚体轴系模型，研究在故 障条件下风力发电机的暂态稳定性问题。研究表明多刚体轴系的等值建模对不同的风电 问题研究有着重要的影响。就定速风机而言，人们一致认为在模型中应该考虑柔性轴的 影响，对于采用轴联结的风机和发电机，必须分别建模。对变速风机仍然存在分歧。文 献【3 6 】在双馈风力发电机( d f i g ) 模型中忽略了柔性轴的影响，而文献【3 7 】中强调了适 当表示柔性轴模型的重要性。文献 3 8 】就风的影响和系统扰动的影响进行了比较研究， 发现在系统扰动情况下，需要分别建模，因为快速风力发电机( 、 g ) 控制可以有效地 补偿风的影响。文献【7 2 】给出了不同的组合方法，同时对定速和变速w t g 的稳态研究 和暂态研究做了比较。对于定速、t g ，可以使用风机和发电机分别建模的w t g 模型， 发电机惯量采用集中表示。 1 2 3 桨矩角控制 2 0 世纪9 0 年代开始，变桨距风力发电机组开始进入风力发电市场。变桨矩风机可 以通过调节桨叶的迎风角度，在风速高于额定值时保证风机的出力水平维持在额定值附 近，从而提高了风机的效率。变桨矩控制一般采用比例积分( p i ) 控制器，在机械转矩 大于参考值时增加桨矩角；反之减小桨矩角。如图1 4 是通用的桨矩控制模型。 图1 4 比例积分型桨矩控制系统 桨矩控制就是通过调节桨矩角，将发电机转速限制在最大的允许值。图1 4 所给出 4 第一章绪论 的控制模型可以用于电力系统动态分析。日前的摔制方法是：当风速变化时通过调节发 电机电磁力矩或风力机浆矩角使叶尖速比保持最佳值，实现风能的最大捕获。控制方法 基于线性化模型实现最佳叶尖速比的跟踪，利用风速测量值进行反馈控制，或功率反馈 控制。但在随机扰动大、不确定因素多、严重非线性的风电系统，传统的控制方法会产 生较大误差。因此近些年国内外都开展了这方面的研究。一些新的控制理论开始应用于 风电机组控制系统。如采用模糊逻辑控制、神经网络智能控制等。使风机控制向更加智 能方向发展。 1 2 4 风力发电机( w t g s ) 模型 目前，德国的研究人员正在联合本国的风机制造商合作研究一种标准的w t g s 模 型，采用的电机是双馈风力发电机( d f i g ) ，已经给出了被工业界可以接受的模型定义 【3 4 】【3 5 】 o 文献【3 9 - 4 2 】给出了忽略d f i g 定子磁链动态行为的三阶模型，该模型给出了修正平 均值，但是忽略了d f i g 系统的某些主要的动态行为。为了保持d f i g 系统的动态行为， 必须选择不同的建模方法。由于d f i g 系统的主要特点是磁链动态行为的自然频率接近 于电网频率，因此d f i g 的动态行为受两个弱特征根的影响，降低d f i g 模型的阶数， 采用二阶模型描述磁链动态行为是很自然的方法。这是经典控制理论稳定性分析中常用 的降阶d f i g 模型的方法【4 3 】【4 4 1 。 文献 4 9 】对变速w t g 组合模型进行研究并得出以下结论：电力电子变换器及其控 制器应随发电机组合；发电机惯量、空气动力学特性和桨距控制器应分别建模。如果仅 仅研究故障条件下的暂态响应，应主要考虑故障时间，而风速和机械速度可以忽略。在 这些条件下，使用一台组合发电机模型表示整个风场，所得到的结论是可信的。 1 2 5 风电场中的风力发电机( w t g s ) 模型 大型风电场一般由几十台风机组成，如果仅研究风电场自身的特性，需要对每台风 机进行建模，详细分析整个风电场的特性。如果研究整个风电场对输电系统的影响和风 电场与其他发电厂的相互影响，采用风电系统的详细模型将会消耗较多的计算时间，在 这种情况下可以采用等值模型。文献【4 5 - 4 7 】研究了风电机群模型等值问题，与详细模拟 每一台发电机相比较，计算精度较高，适于大规模电力系统分析。 可以用不同的方法将d f i g 构成的风电场进行集中表示，例如等值为一台风机，分 5 东南大学博士学位论文 组表剥9 5 1 或混合表示澍9 6 】【9 刀表示，如图1 5 所示。 v 团宁锢宁羽 v p 团f 镯v 户田 圈蒙翥等 口发电机+ 控镀 + 口 ( a ) 单元表示( t ) 分组表示 ( c ) 混合爱不 图1 5 风电场集中表示示意图 采用一台等值表示，风电场中的所有风机用一台表示( 图1 5 a ) ，等值风机的输出 功率等于所有风机额度功率的总和。分组表示法( 图1 5 b ) ，将风电场中风机分成若干 组，每一组具有相同的输入风速，而等值风机的功率是该组中每台风机额定值的总和。 每一组的台数取决于风机间的最大风速的差别和仿真精度的要求，一般而言，具有风机 的输入风速高于额定风速，可以将这些风机分成一组。由于风电场中的风速模型受风电 场的结构和风向的影响，文献【9 5 】给出了用相关函数矩阵来定义风力机分组个数和每组 中风力机的数量。并假定在研究的时间范围内，保持分组个数不变。混合表示法是用一 台等值表示和分组表示法相结合( 图1 5 c ) ，这种方法根据运行条件的相似性，将空气 动力学模型、传动模型、浆矩控制器和最大功率跟踪( m p t ) 模型分组表示。相比之下， 电气模型可以用一个等值单元表示。 文献【3 6 】比较了定速和变速w r g 等值模型。对于定速w t g ，在风机机械功率计算 点对风机进行建模，将风场机械功率相加并使用一个组合发电机模型，如图1 6 ( a ) 所示。 对于变速w t g ，采用组合发电机模型是不合适的，因为在不同风速条件下每台风机的 运行条件是不同的。因此，将风场的电功率相加如图1 6 ( b ) 所示是有条件的组合建模。 ( a ) 定速风电场等值模型 6 第一章绪论 ( b ) 变速风电场等值模型 图1 6 风电场等值模型 1 3 大型风电场并网技术研究 大型风电场的规模在4 0 0 m w 到1 0 0 0 m w 之间，并网输电的距离大约在5 0 k m 到 3 0 0 i 洲。目前的并网输电技术主要有三种：高压交流并网技术( h v a c ) ；相控换相换流 器的高压直流并网技术( h v d cl c c ) ：基于电压源型变流器的高压直流并网技术 舔 ( h v d cl i 曲t ) 。 风电场 1 3 1 并网方式的比较 图1 7 风电场和输电系统布置图脚】 c 图1 8 给出了交直流并网系统的比较【7 2 】。选择何种并网方式取决于系统的输电距离、 安装容量、是否对现有电网进行改造等因素，要根据各个风电场的特点进行详细分析才 能确定风电场接入大电网的方案。 目前世界上多数风资源的开发均位于电网比较薄弱的地区，因此，摆在我们面前的 主要问题是如何设计输电和配电系统将风电场的电能传输给用户，而不是如何收集电能 问题。因此，要求电网要不仅能够收集分散的风电场的电能，同时要承担可在风电场电 能输出的不可预测性这一自然属性可能对电网和设备造成的不稳定性。h v d c “曲t 输 电技术可以减缓这种潜在的扰动，例如闪变等，同时将直流输电的经济功率范围扩大为 垄查奎兰堡主兰竺笙茎 ： 几十m w ，使得其特别适合于小规模发电和输电系统，例如海上风电场接入陆地电网就 是其应用之一。h v d cl i 曲t 直流输电系统具有设计小巧轻便；安装和调试时间短；运 行和维修费用低；电压、有功功率和无功功率的高级控制等优点使得其得以广泛应用。 例如连接海上采油平台、海上陆地风电场并网、岛屿供电和城市供电等。另一个突出的 特点是可以实现“黑起动( b l a c ks t 矾) ”。h v d c “曲t 系统需要给其辅助系统提供电源， 而h v a c 系统不需要辅助电源系统。因此，研究h ) cl i 曲t 风电场直流并网系统的运 行特性有着重要的理论意义和应用价值。 。 投 资 ( a ) 投资比较 ( b ) 输电容量与输电距离关系 图1 8 交直流并网比较 l - 3 2 基于v s c 技术的h v d c 输电系统( h v d c “曲t ) 基于v s c 技术的h v d c 输电系统自1 9 9 9 年第一次商业运行后，已经引起人们的日 益关注，该项技术被a b b 注册为“h v d cl i 曲t ”，西门子注册为“h v d cp l u s ”。使用 h v d c “g h t 技术的风电场输电系统结构图如图1 9 所示。 图1 9 风电场h v l ) cv s c 输电系统结构图 h v d cv s c 技术的主要优点是： 1 ) 在每个换流站都可以实现有功功率和无功功率的独立控制。在海上的换流站可以 发出无功功率提供给风机系统，同时可以控制输电系统中的有功功率注入。在岸上的换 流站，改变无功功率和有功功率实现对交流系统的电压和频率的控制。换句话说，系统 8 第一章绪论 可以在p q 平面实现四相限运行。 2 ) 由于可以实现有功功率和无功功率的独立控制，冈此，可以接入弱联交流系统， 由手风的变化和输出功率的变化，风电场对电力系统会带来某些问题，实现有功功率和 无功功率的独立控制，这些问题就得以解决。 3 ) 快速可逆的潮流控制，实现电网频率的调节，同时阻尼功率振荡； 4 ) 非同步运行方式，风电场不受电网扰动的影响； 5 ) 可以运行在s t a t c o m 方式，发出或消耗无功功率，而不吸收或发出有功功率。 如果出于稳定性考虑，利用这一特点可以将输电线路的某一端的电压控制在所希望的水 平。 6 ) 对风电场侧施加频率和电压控制获得最大功率跟踪； 7 ) 采用对于大范围的功率因数从感性到容性，实施无功功率控制进行电压调节。 8 ) 采用无功功率注入的动态调节，提高动态电压稳定性，改善电压闪变； 9 ) 黑启动； l o ) 对p c c 点注入的无功功率和有功功率的快速动态控制，改善电力系统的稳定性： 使用h v d cl i 曲t 输电系统将感应发电机接入电网，将不再需要从电网吸收无功功 率，仅仅输出有功功率。另外，如果使用h v d c “曲t 输电系统将感应发电机接入电网， 风电场的频率可以发生变化，因此，可以控制风电场的电网频率和风轮机的转速，优化 风能的利用。使用p w m 控制技术的v s c 可以在p q 平面实现四相限运行，换流器可 以以任意频率工作在整流或逆变状态。同时可以吸收电网无功功率，也可以为电网提供 无功功率，因此，电压源型直流输电系统适合使用感应发电机的风电场并网。 正常运行状态，对v s c 施加频率和电压控制。频率控制使得换流器产生有功功率以 平衡风轮机发出的有功功率。电压控制使得换流器产生无功功率为风力发电机机提供足 够的无功功率。直流电压的控制用于平衡来自风电场的有功功率。当风电场接入弱配电 系统，当发生三相故障时，由于发电机励磁需要无功功率，因此，有可能发生电压崩溃。 在风电场和交流系统之间接入直流环节，风电场与交流系统隔离，因此，当交流系统发 生故障时，风电场不会出现严重问题。 1 3 - 3 背靠背h v d cl i 曲t 数学模型和控制策略研究 文献【8 7 】对基于电压源型换流器的h v d c “曲t 的数学模型和控制策略进行了研 究，建立了h v d cl i 曲t 输电系统两端换流站的4 个被控变量的稳态数学模型。文献【1 4 l 】- 9 东南大学博士学位论文 【1 4 7 】对h v d cl i 曲t 的连续时间建模与控制进行了研究。 自a w g r e e n 等提出了基于坐标变换的p w m 整流器连续、离散动态数学模型之后， 各国学者以不同的方法从各方面对p w m 整流器动态模型进行了深入细致的研究。 ， r ，u 、s b d e w 锄等较为系统地建立了p w m 整流器的时域模型，并将时域模型分解成 高频和低频模型，并且给出了相应的时域解。c h u nt r i m 和d o n gy h u 等利用局部电路 的d q 坐标变换建立了p w m 整流器基于变压器的低频等效模型电路，并给出了稳态和 动态特性分析。在此基础上，h e n g c h u nm a o 等又建立了一种新颖的降级小信号模型， 从而简化了p w m 整流器的数学模型。 在基于