尾流效應和時滯對雙饋機組風電場輸出特性的影響

摘 要： 由于雙饋機組已成為國內(nèi)主流機型且大型雙饋機組風電場通常占地面積比較大，需要研究雙饋風電機組間的尾流效應及時滯對雙饋機組風電場的并網(wǎng)點輸出特性的影響情況。通過搭建了30臺2 MW雙饋風電機組組成的風電場模型，對風速波動和電網(wǎng)故障下雙饋機組風電場輸出特性進行分析和比較。通過仿真表明，機組間的尾流效應導致雙饋機組風電場的風能損失；風速時滯平緩了風電場輸出功率。

關鍵詞： 風電場； 尾流效應； 輸出特性； DFIG

中圖分類號： TN911?34； TM315 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）14?0159?03

Effects of wake effect and time delay on output characteristics of doubly fed induction generators in wind power plant

CUI Hai?bo1， LIU Hai?yan2， CUI Xiao?lei3

（1. Patent Examination Cooperation Center of Patent Office， SIPO， Beijing 100190， China；

2. China Patent Development Corporation， Beijing 100088， China； 3. Yizhuang Power Supply Company， Beijing Electric Power Company， Beijing 100076， China）

Abstract： Because doubly fed induction generator has become the mainstream type and a large wind power plant usually covers a larger area， the impacts of wake effects among wind turbines and time delay on output characteristics of wind power plant need to be studied. With a wind power plant model composed of thirty 2?MW double fed induction generator wind turbines， the output characteristic of wind power plant under the conditions of wind speed fluctuation and grid faults is analyzed and compared. The simulation results show that the wake effects among wind turbines can cause the wind energy loss of wind farm and the wind speed time delay will smooth the power output of wind farm； wake effects among wind turbines and wind speed time delays needs to be considered when the grid?connection stability of wind farms with double fed induction generator wind turbines is analyzed.

Keywords： windpower plant； wake effect； output characteristic； DFIG

0 引 言

目前，雙饋風電機組成為國內(nèi)的主流機型。由于大型雙饋風電場的占地面積較大，為準確分析大型風電場的動態(tài)行為，風的時滯和機組間尾流效應值得關注。文獻[1]研究了尾流效應對風電場風能損失的影響；文獻[2]研究了尾流效應對輸出功率的影響；文獻[3]研究了定速機組風電場的情況，但上述文獻中并沒有考慮風速時滯對雙饋機組風電場并網(wǎng)點特性的影響。

鑒于此，本文對DFIG的控制策略進行建模。通過搭建30臺2 MW雙饋風電機組構成的風電場模型，建立了尾流效應及時滯的數(shù)學模型。

（1）忽略尾流效應和時滯；

（2）僅考慮時滯；

（3）考慮尾流效應和時滯。

對上述三種風速模型下風電場并網(wǎng)點的動態(tài)特性進行比較對得出分析結論。

1 尾流效應和時滯的數(shù)學模型

在研究大型雙饋機組風電場對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析時，當風吹過風機時會損失部分能量，表現(xiàn)為風速的降低，上游風機對下游風機風速的影響越大，這種現(xiàn)象稱為尾流效應。Jensen模型[4]是快速計算尾流效應的一種模型，其如圖1所示。

考慮尾流效應的風速模型為：

（1）

（2）

（3）

式中：R為風電機組葉輪半徑；Rw為距上風電機組x處的尾流半徑；CT為推力系數(shù)；K為尾流衰減常數(shù)。圖1中V2為風速經(jīng)過上風電機組的背面風速。

圖1 Jensen尾流模型結構

此外，占地較大的大型風電場還需考慮風速的延遲時間，計算公式為：

（4）

式中：x為兩排風電機組間的距離；為平均風速；t代表風速的延遲時間。

2 雙饋風電機組數(shù)學模型和控制模型

2.1 雙饋風電機組的數(shù)學模型

DFIG的各部分方程如下所示[5]：

（1）發(fā)電機電壓方程

（5）

式中：下標s和r分別表示定子和轉子；ωr為轉子轉速；ωs為同步速度；us，ur分別為定子和轉子電壓；rs，rr分別為定子和轉子電阻；is，ir分別為定子和轉子電流；Ψs，Ψr分別為定子和轉子的磁通。

（2）磁鏈方程為

（6）

式中：Ls為定子自感；Lm為定子與轉子間互感；Lr為轉子自感。

2.2 雙饋風電機組的控制模型

雙饋風電機組的控制模型包括最大風能追蹤控制（Maximum Power Tracking，MPT），轉子側變頻器控制以及電網(wǎng)側變頻器控制。

3 風速波動和電網(wǎng)故障下風電場輸出特性

3.1 算例及電網(wǎng)參數(shù)

圖2給出了搭建的雙饋機組風電場模型，風電場由5排6列共30臺2 MW雙饋風電機組組成，雙饋風電機組經(jīng)機端變壓器（35 kV/690 V）及電纜連接至風電場公共母線（PCC），并通過風電場的出口變壓器（110 kV/35 kV）及線路連接至電力網(wǎng)。

圖2 風電場系統(tǒng)單線示意圖

3.2 風速波動

3.2.1 漸進風

在仿真平臺上分別搭建：

（1）僅考慮時滯（TD）；

（2）考慮尾流效應和時滯（WETD）；

（3）不考慮尾流效應和時滯（NWETD）的三種風速模型。假設上風向風機風速比下風向風機風速大0.5 m/s；后排風速相比前排的延遲15 s。圖3所示為迎風向的第一排風機風速和雙饋機組風電場并網(wǎng)點B的輸出有功功率。

圖3 雙饋機組風電場并網(wǎng)點的功率輸出

從圖3可以看出，WETD的有功功率明顯低于其他兩種情況，尾流效應會造成風電場的風能損失。

3.2.2 隨機風

上述模型中輸入隨機風速，其他條件不變。圖4給出了迎風向第一排風機的風速、WETD（圖中黑線表示）與NWETD（虛線表示）的風電場輸出特性比較。

圖4 雙饋機組風電場并網(wǎng)點的輸出功率及電壓

從圖4可以看出，考慮尾流效應和時滯的仿真模型在風電場并網(wǎng)點的有功功率和電壓波動都小于不考慮尾流效應和時滯的模型仿真結果?？梢缘贸鼋Y論：如果忽略尾流效應和時滯，電能質量分析結果將會較差。

3.3 電網(wǎng)故障

接下來比較電網(wǎng)故障下的情況，取第一至第五排風速分別為12 m/s，11 m/s，10 m/s，9 m/s和8 m/s；忽略尾流效應和時滯情況，風機的風速都為12 m/s。仿真中A點在第1 s發(fā)生三相短路，0.1 s后切除故障。圖5示出了WETD（圖中②表示）與NWETD（線①表示）的風電場并網(wǎng)點動態(tài)特性比較。

圖5 電網(wǎng)故障下雙饋機組風電場并網(wǎng)點的動態(tài)特性曲線

基于圖5可以看到，因為在兩種情況下風電機組的輸出機械功率是不同的，這導致在兩種情況下的風電場并網(wǎng)點的有功功率動態(tài)特性也不相同。圖5中曲線①的有功功率波動明顯更大。由上可知，在研究雙饋機組風電場的暫態(tài)穩(wěn)定時，忽略了尾流效應和時滯的風電場仿真模型將會得到更為保守的暫態(tài)穩(wěn)定分析結果。

4 結 語

本文針對大型的雙饋機組風電場，研究了三種不同風速模型對風電場輸出特性的影響。分別進行了漸進風、隨機風以及電網(wǎng)故障下仿真算例的分析和比較，得出結論如下：

（1）風速時滯會平緩雙饋機組風電場輸出功率；

（2）機組間的尾流效應會對雙饋機組風電場造成風能損失；

（3）在雙饋機組風電場的暫態(tài)穩(wěn)定分析中，不能忽略尾流效應和時滯產(chǎn)生的影響。

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