聯網運行風力發電系統的動態建模方法綜述

崔 楊，嚴干貴，李鴻博

(1.東北電力大學電氣工程學院，吉林吉林132012;2.吉林省電力有限公司培訓中心，長春130025)

開發利用可再生能源對改善能源結構、實現可持續發展具有重要的戰略意義，也為解決我國能源與環境問題開辟了新的途徑。風能是目前最具大規模開發利用潛力的可再生能源，風電聯網運行是其大規模開發利用最有效的途徑。

我國風力發電產業發展迅速，正朝單機容量大型化和風電場規模大型化的趨勢發展。我國正在規劃建設8個裝機容量近千萬千瓦的大型風電基地，分布在甘肅酒泉地區、新疆哈密地區、內蒙古中西部、吉林西部、河北、江蘇和山東沿海等地。據國家能源局統計，截至2010年底，我國風電裝機容量已超過3 107萬千瓦，居全球第二，占全國總發電裝機容量的比重超過3.25%，個別區域電網的風電裝機比重已超過20%。此外，我國風電機組已由單機千瓦級向兆瓦級過渡，1.5-2 MW的風機已成為主流，而海上風電則要求更大容量的風機設備。圖1、2分別為風電機組單機容量及中國風電裝機容量的變化趨勢［1］。

圖1 風電機組單機容量變化趨勢

圖2 2000-2010年中國風電裝機容量增長趨勢

電力系統是一個復雜的能量動態系統，其穩定運行需要滿足任一時刻有功、無功的供需平衡、功角穩定、電壓穩定等多種約束條件。眾所周知，風能具有隨機性、不確定性，導致了風電功率具有波動性，不易控制、難以準確預測。隨著并網風電規模的增大，作為一種新型發電系統的風力發電機組、風電場，其動態特性對電力系統運行會帶來怎樣的影響，一直是學術界和工程界研究的熱點。

模型是對實際系統的有限映像，在一定的邊界條件下能夠反映實際系統的某些方面或某些特性［2］。基于模型的系統仿真法一直是分析電力系統各類問題的首選方法，同樣也可以作為分析風電系統相關問題的方法。

本文首先討論了電力系統穩定問題研究中建模的特點，并對聯網運行風電系統建模的特點進行了分析，然后針對主流風電機組及風電場模型的國內外研究現狀進行了綜述，最后探討了風電機組建模研究的主要方向。

1 風電機組模型對電力系統穩定分析的影響

1.1 電力系統穩定分析的建模特點

電力系統穩定問題按其物理特征不同，可分為靜態穩定與動態穩定，靜態穩定問題可分為功角穩定和靜態電壓穩定兩大類;動態穩定問題可分為暫態穩定、小干擾穩定和動態電壓穩定三類。由于各類問題的物理本質不同、影響因素不同，相應的元件模型、分析方法都有較大的不同［3-5］。

電力系統靜態穩定包括:當系統受到小擾動后由同步力矩不足引起的靜態功角穩定(又稱小干擾功角穩定)，及小擾動后不發生電壓崩潰的靜態電壓穩定(又稱小干擾電壓穩定)。靜態穩定主要用以定義系統正常運行和事故后運行方式下靜穩定儲備情況。主要研究方法基于以代數方程描述的元件及網絡數學模型，在潮流計算的分析結果中求得靜穩極限。

電力系統動態穩定包含的三類問題中，暫態穩定(亦稱大干擾動態穩定)指系統受到大擾動后同步阻尼力矩不足時，在系統動態元件和控制裝置的作用下保持穩定的能力;用于研究時間范圍在擾動后第一擺至10秒內的非周期失穩和振蕩失穩過程。小干擾穩定(亦稱小干擾動態穩定)指系統受到小擾動后由于阻尼力矩不足引起的功角穩定問題，用于研究擾動之后10-20秒時間范圍內的轉子增幅振蕩失穩過程。動態電壓穩定(亦稱大干擾電壓穩定)指系統受到大擾動后不發生電壓崩潰的能力，主要分析在考慮負荷動態特性和控制裝置作用下的系統電壓穩定性，根據研究需要其時間范圍可以從幾秒到幾十分鐘。

以上分析可見，在分析電力系統各類穩定問題時，應根據所研究穩定問題的物理本質以及影響該穩定過程的主要因素，合理地建立元件的數學模型并考慮適當的時間尺度。例如，對于靜態穩定、小干擾穩定的分析中，可采用簡化的代數方程或線性化微分方程的方法;而在暫態穩定或動態電壓穩定的計算分析中，則必須考慮詳細的動態元件、控制系統等的數學模型，如調速器、勵磁系統、電力電子裝置等。

1.2 聯網風電機組模型的多時間尺度特性

研究風電機組特性及其并網特性需要基于建立風電機組的模型，但由于風電機組類型以及風電并網相關問題的多樣化，在分析不同的研究目的時需要考慮不同的邊界條件，根據所研究問題的性質和對計算精度的要求，對風力發電系統各組成部分的動態特性可以采用不同的數學模型。

風力發電機組是個復雜的小型能量動態系統，其主要部件風力機、軸系、發電機及其相應控制系統，依次完成風能-機械能-磁場能-電能的轉化過程，并使整個風電系統保持穩定運行。在描述風電機組詳細動態特性時，應分別建立其各個部件的數學模型。

從能量轉化過程的角度來看，風力機完成風能捕獲后將能量以機械能的形式經由軸系傳給發電機，考慮到風力機整體慣性較大，此動態過程的時間范圍應該由風力機、軸系的轉動方程以及風力機控制系統的時間常數決定，其典型時間尺度是秒級。發電機完成機械能-磁場能-電能的轉化過程，其中機械能-電能過程的時間范圍由轉子運動方程和轉子電氣參數決定，典型時間尺度是秒級;磁場能-電能轉化過程的時間范圍則由定子的電氣參數決定，典型時間尺度是毫秒級;考慮到發電控制系統作用的實現可能涉及到電力電子裝置的動態過程，該過程的時間范圍由其電氣參數以及最大開關頻率決定，典型時間尺度是微秒級。

由此可見，風力發電機組系統能量轉化的動態過程受機組部件物理參數的影響不同，在時間尺度上可劃分為幾個獨立的子過程。若需研究不同子動態過程中風電機組的物理特性，建模時只要考慮影響該過程的主導因素即可，而忽略掉次要的因素，此即風電機組多時間尺度動態建模的思想。該思想表明同一機組的不同模型，只是動態過程中不同時間尺度子過程的不同描述而已，從而為模型之間建立了本質上的聯系。

2 風力機及軸系模型

詳細的風力機-軸系模型應包括空氣動力學模型、風輪-塔架-機艙結構動力學模型以及軸系模型。風力機的能量傳遞過程可簡述為:風作用在風輪上產生氣動扭矩帶動軸系系統，軸系系統再將扭矩傳遞至發電機;在此過程中發電機會產生反作用的扭矩，通過軸系系統又作用在風輪上，最終風輪轉速達到某平衡值，完成風能-機械能的轉換。

目前大型風電機組的風力機都具備可變槳距、可調轉速的控制系統，由于氣動、機械等方面的復雜機理，得到風力機的精確模型非常困難。因此，建立能滿足研究需要的、簡化的風力機模型，是目前風力機建模研究的主要方法。此外針對風力機風能捕獲控制策略的研究大都也還處于實驗室階段。

文獻［6］基于片條理論建立了水平軸風力機氣動性能計算模型，該模型考慮了風剪切、偏航、風輪的結構參數和風力機安裝參數對計算模型的影響，并考慮葉尖損失、輪轂損失、葉柵理論及失速狀態下動量理論的失效對片條理論進行了修正;文獻［7］應用等效集中質量法，建立了同時考慮風力機葉片彎曲柔性以及風力機和發電機之間傳動軸扭轉柔性的風力機3個質量塊等效模型，該模型可用于暫態穩定的分析;文獻［8］研究了普通異步風力發電機組故障時兩質塊軸系模型松弛特性對暫態電壓的影響;文獻［9］在分析了風力機運行特性及最佳風能利用原理的基礎上，在實驗室實現了對風力機的直流電機模擬;文獻［10］采用通用動態尾流理論進行風力機氣動力學的計算分析，考慮了風力機的結構變形對氣動性能、傳動性能產生的影響。并用MATLAB/Simulink進行了風力機系統振動性能耦合仿真分析;文獻［11］用風力機AV尾流數學模型計算了風力機尾流區速度分布和處于尾流區的風力機性能所受到的影響，該模型在一定程度上可以模擬風力機尾流區的速度分布;文獻［12］提出了一種簡化定槳距風力機的MATLAB模型，該模型可用于風電場的建設與規劃仿真;文獻［13］開發了一種新的風力機最大功率追蹤控制方法，該方法利用電磁轉矩對風力機轉速實行完全控制，能夠追蹤步長根據風速的變化而變化，對快速變動的風速有較高的風能捕獲效率;文獻［14］利用辨識實驗測試系統的輸入輸出數據，采用預報誤差法得到水平軸風力機系統的多輸入多輸出隨機模型，對所得到的隨機模型進行了分析與檢驗，討論了辨識模型與機理模型在風力機控制系統設計方面的優缺點;文獻［15］應用人工神經網絡的多層感知器模型結構，采用自適應學習速率的BP學習算法，對風力機系統的功能模型進行辨識，仿真結果與實驗數據對比結果表明該方法具有較高的精度;文獻［16］采用直流電機的輸出特性模擬風力機的最大輸出功率曲線，提供了一種在實驗室條件下模擬風力機運行特性的實用方法，并給出了模擬系統的硬件結構。

3 發電機模型

目前主流風力發電機組有多種類型，按照風力機運行狀態可分為定速型、變速型兩種，根據風力機功率調節策略的不同，又分為定槳距控制、變槳距控制和主動失速控制三種;發電機類型有普通籠型異步發電機、雙饋感應式發電機以及永磁同步發電機等，分別涉及恒速恒頻、變速恒頻和變速變頻等不同的發電控制技術。

國外如丹麥奧爾堡大學、丹麥技術大學;英國曼徹斯特大學;瑞典查爾姆斯技術大學;德國杜伊斯堡大學等都對風電機組的模型進行過深入的研究［17，18］。并且，國外已在多個商業化的電力系統分析軟件中開發出了不同類型的風電機組模型，如加拿大Manitoba高壓直流研究中心開發的PSCAD/EMTDC電磁暫態仿真程序，西門子PTI公司開發的電力系統仿真程序PSS/E，德國DIgSILENT/Power Factory電力系統分析軟件，以及美國通用公司開發的PSLF電力系統分析程序等等［19-21］。

目前國內部分科研機構及高校對風電機組建模問題以及在電力系統分析軟件中的實現也進行了大量研究。如清華大學、中國電力科學研究院、沈陽工業大學、河海大學、東北電力大學、華北電力大學等等，都對風電機組的建模及控制策略開展了深入的研究［22-24］。同時國內多家發電公司或電網電力公司開展了多項研究，如龍源風電公司、大唐發電集團、吉林省電力公司、江蘇省電力公司、甘肅省電力公司以及黑龍江省電力公司等等，在風電并網的相關問題研究領域取得了一些卓有成效的成果［25，26］。但以上研究所用到的風電機組模型一般都是在科研性軟件中實現的，且大都未經過模型試驗驗證;同時，國內成熟的商業化電力系統分析軟件中還未能完成風電模型的商業化集成。

3.1 基于籠型異步發電機的恒速恒頻風電機組建模

基于普通籠型異步發電機的恒速恒頻風電機組，根據其風力機功率調節策略的不同，又分為定槳距控制、變槳距控制和主動失速控制三種。恒速恒頻風電機組具有結構簡單、運行方便等特點，但由于沒有發電控制系統，該類型風電機組的風能利用效率較低，對系統無功需求較大，極大地影響電網的電壓水平。目前基于籠型異步發電機的風電機組建模主要以研究該風電系統的軟并網控制以及并網后對系統穩定性分析為主。

文獻［27］建立了異步風力發電系統動態穩定數學模型，以及在一定程度上反映風電場實際風速變化的風速時空模型，該模型可以分析異步風力發電機組接入系統的動態穩定性，還可以計算風電場接入的穿透功率極限;文獻［28-30］建立了以暫態電勢為變量的風力發電機組的數學模型，并運用MATLAB/SIMULINK對數學模型進行了仿真;文獻［31］建立了包括風速、風輪機、異步電機在內的變槳距恒速恒頻風電系統數學模型，并分析了該風力發電系統在風速擾動或輸電線路發生三相金屬性接地短路故障時的動態過程;文獻［32］提出了一種將系統頻率偏差信號引入槳距角控制系統的改進槳距角控制方案，并在電力系統分析軟件DIgSILENT/Power Factory中建立基于普通異步發電機的風電機組和電力系統模型，對基于異步風電機組的電力系統小干擾穩定性及阻尼特性的分析結果都表明，改進的槳距角控制環節能夠改善系統阻尼，且對系統功率振蕩具有很好的阻尼和抑制作用;文獻［33］建立了軟并網最優控制數學模型，將自適應評價控制應用于軟并網控制系統的設計，仿真結果表明這種軟并網控制系統能夠將軟并網沖擊電流限定在電機額定電流以內，滿足軟并網控制系統的性能要求;文獻［34］提出了籠型異步發電機和靜態無功發生器SVG構成獨立運行的風力發電系統，通過實驗裝置驗證，由SVG代替電容器提供發電機勵磁能夠避免依靠并聯電容器提供無功功率的缺點;文獻［35］提出了一種異步風力發電系統研究和實驗平臺的設計方案，該方案采用帶有前饋解耦的間接磁場定向矢量控制來模擬風力機轉矩特性。

3.2 基于雙饋感應式發電機的變速恒頻風電機組建模

采用變速恒頻技術的雙饋感應式風電機組是目前大型風電場的主流機型，由于采用了變槳距風力機控制，以及基于四象限變流器實現的變速恒頻發電控制，使得該類型機組具有運行風速寬，風能利用率高，發電控制靈活等優點，因而成為目前各大型風電場廣泛采用的一種機型。但由于需要采用變速齒輪箱才能達到較高的運行速度，因齒輪箱帶來的風能轉換、故障維護等方面一些突出的問題也不容忽視。

針對雙饋感應風電機組建模的研究較多，主要包括不同精度的數學模型建立及不同控制策略的研究，還包括基于不同仿真平臺和物理實驗平臺的雙饋風電系統的研究。

在雙饋感應風電機組數學模型研究方面，文獻［36］在定子旋轉磁場坐標下建立了由轉子勵磁電壓雙軸分量及發電機輸入的機械轉矩為控制變量的雙饋發電機簡化3階動態模型，MATLAB仿真詳細比較了DFIG精確模型和簡化模型在發電機運行狀態發生改變后的各個物理量的響應特性，該模型能夠用于風力發電中變速恒頻風電機組建模及并網運行的研究;文獻［37］給出了雙饋機組的8階、5階和3階模型，并在MATLAB軟件上實現了3種模型建模。其中8階模型包括完整的傳動系統模型、定子模型和轉子模型;5階模型包括定子、轉子模型和簡化的傳動系統模型忽略定子的暫態過程后;3階模型包括轉子模型和簡化的傳動系統模型。仿真結果表明8階模型具有最精確完整的響應，但仿真時間最長;3階模型采用最大程度的近似，但仿真時間最短;5階模型適合大多數既要求較快仿真速度又要求較高精度的研究;文獻［38］同時考慮風力發電機組的機械和電氣動態特性，針對基于雙饋感應發電機的變速風力發電機組軸系的特點，用等效集中質量法和動力學方程建立了其包含機械傳動鏈動態的軸系模型，與發電機動態方程組成8階微分方程組。該模型可用于風力發電系統控制系統的設計，以及分析機組在各種運行工況下的動態行為。

在雙饋感應風電機組控制策略研究方面，文獻［39］建立了變速恒頻風力發電系統的矢量控制數學模型，分析了風力發電機運行時的動態性能，結果表明實行矢量控制后發電機和原動機之間可以完全解耦，發電機定子電壓的頻率、相位與風速的大小無關;文獻［40］提出了一種基于定子磁場定向轉子電流開環控制策略，并利用Matlab仿真分析了定子電壓頻率、幅值及相位的控制規律;文獻［41］討論了雙饋發電機交流勵磁變速恒頻的發電原理、對變流器的要求，以及為實現最大風能捕獲追蹤和發電機有功、無功解耦控制的定子磁場定向矢量控制策略;文獻［42］以DFIG的精確數學模型為依據，針對傳統的兩種矢量控制方式的不足，提出了改進的拉制方案，使DFIG后電網電壓驟降情況下有效控制轉子電流，保護轉子勵磁變頻器，提高變速恒頻風電系統在電網故障下的不間斷運行能力。

文獻［43］分析了雙饋感應風電機組當系統電壓小幅跌落時的動態過程，仿真研究了基于IGBT的低電壓穿越控制系統，該裝置能快速的將發電機定子與電網解列。文獻［44］在DIgSILENT/Power Factory中建立了具有暫態電壓支持能力的變速風電機組轉子側變頻器控制模型及用于故障后穩定控制的槳距角控制模型，提出了改善基于雙饋感應發電機的并網風電場暫態電壓穩定性的措施以實現風電場的低電壓穿越功能。文獻［45］應用電機矢量控制原理與比例-積分調節器串聯校正等方法，建立基于PSCAD/EMTDC的雙饋感應發電機變速風電機組動態模型，該模型為研究基于雙饋感應發電機的變速風電機組的工作特性提供了新的手段。

3.3 基于永磁同步發電機的變速變頻風電機組建模

變速變頻技術主要應用于永磁同步發電機的風電機組類型，通過全功率變流器轉換為工頻輸出功率接入電網，因此，廣義的講也屬于變速恒頻技術的范疇。由于采用了多極同步發電機，該類型機組多是直驅型，即省去了變速齒輪箱及其帶來的運行及維護問題。但該機型對永磁材料的勵磁性能穩定性要求高，且需要較大容量的變流器(一般要選發電機額定功率的120%以上)，成本較高。隨著電力電子技術和永磁材料制造技術的發展，具有風速適應范圍寬、控制簡單、有功和無功功率調節靈活等優點的直驅永磁同步風力發電機組具有較為廣闊的發展前景。

文獻［46］構建了永磁直驅風電系統的仿真模型，實現網側變換器輸出有功和無功功率的解耦控制，增加了卸荷負載以提高其應對電壓跌落等故障的穿越能力，使機組可以安全運行在不同功率因數下，同時能在電網電壓故障期間對系統提供一定的無功支持。文獻［47］從結構和設計特點以及控制技術和制造成本等方面介紹了直驅永磁同步風力發電機組的研究現狀和發展趨勢。文獻［48］建立了包括風力機模型、傳動系統模型和發電機模型的D-PMSG數學模型，提出了風力機槳距角和發電機轉速的控制策略。

文獻［49］研究了大型直驅式永磁風力發電機控制的工作原理，及其并網后對電力系統故障電流的貢獻、對電網諧波的影響、對電壓閃變的影響以及對電網頻率穩定性的貢獻。文獻［50］提出背靠背全功率變流器的永磁直驅風電系統運行在STATCOM模式時，可以有效提高機組低電壓穿越能力。文獻［51］設計了由不可控AC/DC整流器和可控DC/AC逆變器組成的實驗室控制系統硬件平臺，通過控制逆變器的輸出電壓或電流實時跟蹤給定值，來控制永磁發電機電磁轉矩，實現最大風能的獲取和無功功率可調。

文獻［52］采用雙脈寬調制變換器作為直驅永磁同步發電機的并網電路，根據風力機和發電機的運行特性提出了一種基于最佳功率給定的發電機最大風能跟蹤控制策略。文獻［53］研究了永磁同步電機直接轉矩控制理論，明確了零電壓矢量在控制過程中的作用，并通過實驗論證了基于定子磁鏈觀測的永磁同步電機調速系統的實用性。文獻［54］首先建立了詳細的配備全功率變流器的2 MW永磁直驅風力發電機組的數學模型，并研究了該機組的低電壓穿越控制策略，該策略的重點在于直流電容電壓的調整以及驅動力矩最小化的實現。文獻［55］在PSS/E中建立了多極永磁同步風電機組的仿真模型，模型包括風力機軸系、永磁電機、變流器及其控制系統等部分，該模型能夠研究短期電壓穩定性以及該類風電機組的低電壓穿越能力。

4 風電場模型

風電場模型通常用于含風電的電力系統的規劃、調度和優化控制，而用于風電場與電網暫態過程分析的研究，主要是基于風電機組的動態模型。風電場模型主要描述風電場輸出功率與風速的關系，由于風電場內風電機組眾多，且受各機組排列位置、尾流效應等因素的影響，想要建立精確的風電場模型是非常困難的。

通常各種研究關注的焦點往往是風電場整體的輸出特性，因此目前針對風電場輸出功率特性的研究，大部分是將風電場的整體特性作簡化處理，而忽略風電場內部機組之間復雜的影響。研究方法包括:對不同類型風電場機組的出力進行等效擴大;對風速進行等效處理，再計算整個風電場的等值出力;或利用預測的理論對風電場的風速、功率的歷史數據進行分析，從而得到相應時間段后風電場的輸出功率值。

文獻［56］建立了風電場的發電可靠性模型，該模型考慮了風速的隨機變化、不同風電場之間風速的相關性、風電機組的功率特性及其強迫停運率、風電機組的布置和尾流效應以及氣溫等因素對風電場輸出功率的影響，通過該模型在隨機生產模擬和隨機潮流分析等方面的應用，揭示了風電場輸出功率的統計規律。文獻［57］從風電并網研究的角度介紹了風力發電系統建模的一般思路，并比較了常用風電場模型的優劣，最后指出了風電場建模方法存在的主要問題。文獻［58］在考慮了風電場的尾流效應、風電機組輸出功率與尖速比和滑差等之間的函數關系的基礎上，建立了風電場的穩態分析模型，并結合常規PQ模型提出了簡化模型。

文獻［59］在對實測風速數據分析的基礎上，建立了適用于計算風電場最大裝機容量的風電場模型，仿真分析與實測數據對比分析表明該方法能較好的等值風電場靜態輸出功率。文獻［60］對風電場穩態模型和動態模型進行了研究，在Matlab軟件中編寫程序和搭建仿真模型，并對含風電場的電網進行電網潮流計算以及暫態穩定性分析。文獻［61］建立了考慮機組尾流效應的風速模型，該模型能較準確地描述風速擾動下風電場輸出功率的波動，在DIgSILENT/Power Factory軟件中形成以風速為基礎的風電場與電力系統相互影響研究的計算程序，并分析了尾流效應對風電場輸出特性的影響。

文獻［62］針對風速隨機變化的特性，在風速統計特性研究的基礎上，用自回歸滑動平均方法建立了具有一定功率譜密度特性的風速模型，并對該模型所模擬的風速序列進行了仿真分析和驗證，結果表明該模型能夠有效地產生動態分析和仿真所需的風速序列。文獻［63］根據雙饋異步發電機的靜態特性對雅可比矩陣進行修正，給出了基于變速恒頻雙饋異步發電機的風電場在潮流計算中的一種改進模型。文獻［64］介紹了大型風電場的等值建模的主要特點，探討了含變速雙饋風電機組的風電場等值方法和在等值過程中應注意的問題。

文獻［65］提出了一種時間序列分析和卡爾曼濾波相結合的混合算法，該算法可以較好地解決了預測延時問題。文獻［66］提出了基于時間序列法和神經網絡法的風速預測方法，為了提高預測精度，該方法提出了滾動式權值的調整手段。文獻［67］對國內外短期風電功率預測技術的研究現狀進行了較全面的綜述，介紹了與風電功率預測相關的物理方法和統計方法，分析了預測誤差產生的原因及其評價方法，對我國的風電功率預測研究與開發工作提出了建議。

5 模型校驗研究

風電機組/風電場模型最終要應用于電力系統仿真分析，必須先對模型的精度及有效性進行驗證，最為有效的方法是與實際測量結果相驗證。

目前用于工程的風電機組模型主要由風電開發商負責開發與校驗，由于技術的相對封閉和標準的缺失，風電機組/風電場模型的開發與驗證嚴重滯后于風電機組的生產與投運。因此，許多研究學者和機構大都采用實驗室或風電場試驗(文獻［68-73］)，或將模型計算結果與國際公認的商業化風電仿真軟件的分析結果進行對比(文獻［74］)，來校驗所提出模型的相對有效性。

6 風電建模研究方向的探討

目前風電機組特性、風電并網相關問題研究中，風電建模大多服務于各類孤散問題，不能建立本質上的聯系。考慮到風力發電機組(場)本身是個較為復雜的非線性系統，含有多種變量，其聯網運行動態過程涉及風機運動機電暫態、定轉子電磁暫態、電網暫態等不同的時間常數，是個多時間尺度模型系統，因此筆者認為聯網風電系統的建模應能反映以下動態過程的影響。

6.1 由變流器動態過程時間常數決定的電磁暫態模型

現代大容量風電機組大多引入了控制靈活的電力電子裝置以改善運行性能，但電力電子器件的抗干擾能力較弱，同時風電機組大都以恒定功率因數控制(cosφ=1)的方式運行，不能對接入點的電壓進行反饋補償，當電網電壓出現跌落時，風電機組還不具備低電壓穿越的能力。事實上當電網電壓嚴重跌落(如發生短路)時，為最大限度地保障風電機組安全，風電機組的保護將動作使機組立即與電網解列，當并網風電場規模很大時，就會加劇系統受擾動的程度。為此，在研究該類型問題時，應當建立與電力電子變流器動態過程時間尺度相應的電磁暫態模型。

6.2 由機械能與電能轉換過程時間常數決定的機電暫態模型

空氣的流體性質決定了風速變化的連續性，而風速連續變化導致風電功率波動亦具有連續性，通常不會出現大的階躍，但是當風速過大會導致風電機組切機甚至整個風電場功率脫落，將給所接入電力系統造成大幅度的功率沖擊;特別是當風力發電大規模集中接入以火電機組調頻的區域電力系統時，風電功率的突然大幅變化(風電功率波動幅值大、波動速度快)將可能超出調頻機組的響應能力，從而容易造成系統頻率波動甚至頻率越限，嚴重時將威脅著系統的運行安全。

風電場多數位于電網末端，當風電場大規模集中遠距離聯網時，其輸出電功率的大幅間歇性波動將造成輸電線路消耗無功功率的大幅間歇性波動;而目前變電所配置的無功補償裝置大多是固定補償，受機械壽命限制而不能頻繁投切調節;并且目前風電機組以恒定功率因數運行的方式，也不利于并網點的電壓調節。因此，在有些運行方式下，風電場輸出電功率的間歇性大幅波動可能會超出接入點所在區域電網的無功調節范圍，而導致接入點電壓越限，威脅著風電場接入點附近電氣設備的運行安全，風電場也可能因之被接入系統切除以防止接入點電壓持續越限。因此，風力發電大規模集中聯網不但給所接入電力系統造成嚴重的調壓負擔，而且還會影響著風電場自身的持續聯網運行。

風電聯網運行對電網有功及無功功率的影響，應考慮機械能與電能的轉換過程，風電模型應能反映該時間尺度下的機電暫態過程。

6.3 反映風能波動中長期動態過程的穩態模型

風電輸出功率隨機性強、波動大，難以準確預測，為研究中長期動態過程中風電并網對電網調峰、甚至電網規劃的影響，該時間尺度下的風電模型應能刻畫風電電源較長時間段內輸出功率的波動特性，如風電功率波動范圍、波動變化量等統計指標。

7 結 論

本文討論了電力系統穩定問題研究中元件建模的特點，根據風力發電系統的結構特點，從風電聯網運行的多時間尺度建模的角度，分析了目前常見的風電建模方法;著重討論了籠型異步、雙饋感應及永磁同步等主流風電機組機型及其控制系統的建模方法;最后，基于風電系統多變量、動態過程多時間尺度等角度，對風電機組建模研究方向進行了探討。

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