风电场建模技术及应用

前言

第1章绪论 1

1.1风力发电的现状和发展 1

1.2风电场建模的研究现状 2

1.2.1双馈变速风电机组模型 3

1.2.2风电场尾流效应模型 4

1.2.3风电场模型 一6

参考文献 一7

第2章双馈变速风电机组建模 10

2.1引言 -10

2.2风力机建模 10

2.2.1风力机空气动力学建模 10

2.2.2桨距角控制建模 11

2.3双馈变速风电机组轴系建模 11

2.4双馈感应发电机建模 12

2.5变流器建模 13

2.5.1 电网侧变流器建模 14

2.5.2转子侧变流器建模 l6

2.6小结 18

参考文献 18

第3章风电场拓扑结构 19

3.1引言 19

3.2风电机组排列布置 19

3.2.1 风电机组排列布置的基本原则 19

3.2.2风电机组排列布置的方式 20

3.3风电场电气系统接线 20

3.4小结 23

参考文献 23

第4章基于风电场尾流效应的风电机组

分组方法 24

4.1引言 24

4.2常用尾流模型简介 24

4.2.1无黏近场尾流模型 24

4.2.2简化尾流模型 25

4.2.3 Jensen尾流模型 25

4.2.4 AV尾流模型 26

4.3计及风电场风向变化的尾流效应

建模 29

4.3.1风向确定时的尾流效应建模 30

4.3.2风向变化时的尾流效应建模 31

4.4风电机组分组方法 33

4.4.1计及风速和风向变化的风电机组

分组方法 33

4.4.2风电机组风速系数计算 33

4.4.3基于风电场系数矩阵的风电机组

分组方法 34

4.5仿真算例与结果分析 35

4.5.1算例系统介绍 35

4.5.2风力机尾流影响边界 36

4.5.3 风速和风向变化对风力机输入风速

的影响 37

4.5.4计及风速和风向变化的风电机组

分组结果 38

4.6小结 40

参考文献 40

第5章计及风速和风向变化的风电场

建模 -42

5.1引言 42

5.2确定风向下的风电场建模 42

5.2.1 确定风向下的风电场静态建模 43

5.2.2确定风向下的风电场动态建模 47

5.3计及风向变化的风电场建模 49

5.4仿真算例与结果分析 49

5.4.1算例系统介绍 49

5.4.2风电场等效模型的建立及合理性

验证 51

5.4.3尾流效应对风电场运行特性的

影响 55

5.4.4馈线对风电场运行特性的影响 57

5.5小结 61

参考文献 61

第6章风电场的无功电压控制 63

6.1引言 63

6.2风电场的功率和电压特性 63

6.2.1风电场的有功功率 63

6.2.2风电场的无功功率 64

6.2.3风电场的电压特性 67

6.2.4算例分析 68

6.3风电场接入电网的无功电压控制 72

6.3.1风电场接入电网引起的无功电压

问题及应对措施 72

6.3.2风电场接入电网的无功电压控制

策略 73

6.4风电场综合控制系统 80

6.5小结 81

参考文献 81

第7章风电场对电力系统继电保护的

影响 82

7.1引言 82

7.2双馈变速风电机组故障电流的特征 82

7.3风电场对其主变压器继电保护的影响 83

7.3.1 风电场主变压器继电保护配置 83

7.3.2故障电流频率偏移对风电场主变

压器差动保护的影响 84

7.3.3算例介绍与仿真分析 86

7.4风电场对其送出线路继电保护的影响 89

7.4.1风电场送出线路继电保护配置 89

7.4.2风电场送出线路故障时的电压、

电流特性 89

7.4.3故障量对风电场送出线路保护的

影响 90

7.4.4算例介绍与仿真分析 90

7.5小结 97

参考文献 97

附录 98

附录A图4-11中风电场内风电机组坐标 98

附录B图5-7中220kV变电站负荷 98

附录C双馈风电机组参数 99

附录D直埋电缆和架空线的参数 99 2100433B

本书从研究风电场运行特性以及对电力系统影响的角度出发，计及风电场内风电机组排列布置、风速和风向等因素建立风电场尾流模型，确定风电机组分组方法，进而建立考虑风电场拓扑结构、风速、风向变化的风电场等值模型，探索风电场建模方法在风电场并网研究中的应用。全书分七章，内容包括：绪论、双馈变速风电机组模型、风电场拓扑结构、基于风电场尾流效应的风电机组分组方法、计及风速风向变化的风电场建模、风电场无功电压控制、风电场对电力系统继电保护的影响。本书适合从事风力发电技术研究的人员以及高等院校电气工程相关专业的研究生阅读和参考。

随着大型并网风电场容量和数量的增加，风电场动态等效建模理论与方法已成为基础性和应用性研究课题。针对风电场模型的不同应用目的，本项目分别提出适用于功率控制的风电场动态等效建模方法、适用于低电压穿越能力分析和检测的风电场动态等效建模方法以及适用于功率平衡和频率控制的风电场动态等效建模方法。该研究以数学模型和等效建模方法的理论体系为基础，以分群等效为技术路线，根据不同应用给出相应的分群原则和等效建模方法，并辅以仿真和实验验证。其技术关键是（1）提出一种解决常用等效建模方法出现无功功率误差的方法和风电场功率控制的等效模型；（2）找到一种能准确判断风电场内最易脱网运行风电机组的指标；（3）建立适用于中长期过程分析的风电机组简化模型和常规发电机组模型，提出风电场及风电场群的等效建模方法。该研究将对风电场入网分析与检测、风电场接入系统规划与设计、电力系统在线动态安全分析等都具有重要的科学意义和应用价值。

随着大型并网风电场容量和数量的增加，风电场动态等值建模理论与方法已成为基础性和应用性研究课题。针对风电场模型的不同应用目的，需要给出相应的风电场等值建模方法。项目的主要工作如下：首先，针对风速波动下定速机组风电场，提出了一种变参数等值方法。利用该方法建立的风电场模型可有效解决无功功率误差问题；针对风速波动下变速速机组风电场，进行了风电场单机表征模型的适用性分析。同时深入探讨了故障条件下双馈机组风电场的分群等值方法以及直驱永磁机组风电场的单机表征等值方法。其次，提出了一种适用于低电压穿越分析的风电场等值方法，定义了风电场最易脱网判断指标，对比了桨距角动作分群方法和Crowbar动作分群方法，结果表明Crowbar动作分群方法更适用于双馈机组风电场低电压穿越能力的分析。再次，搭建了反映频率调节的直驱永磁风电机组控制模型，给出了适用于频率分析的风电场等值方法。结合吉林电网数据，进行了切负荷条件下的等值方法验证。最后，为了提高变流器的容量，采用了变流器共母线并联的结构，并对并联时的环流问题进行了研究。建立了环流的模型，分析了环流产生的机理和流通路径，进而提出了环流的控制策略。引入环流闭环，并对空间矢量调制技术做了改进，通过占空比补偿，实现对环流的抑制。为了应对电网电压的跌落故障，要控制变流器提高机组的低电压穿越能力。在分析了电网故障及其对机组影响的基础上，提出控制策略缓解故障造成的功率不平衡和直流母线电压波动。此外，由于电网发生故障时，常规锁相环会出现震荡，因此对电网故障锁相技术进行了研究。在实验室的永磁直驱风电平台上验证了变流器并联运行控制策略的有效性。该策略也可应用于大功率的风电变流器。

本书将风电场电气技术作为一个整体，采用总分结构，叙述了风电场电气技术发展至今各技术分支。全书分综述、具体技术两部分，共九章。第一部分为综述，介绍了风电场电气主要技术发展历程与基础知识；第二部分详细介绍了风电场电气系统及接线方式、风电场防雷接地与电气安全、风电场配电装置、风电场电气运行技术、风电场电气设备检修与维护、风电场电能质量等主流风电场电气技术及其他小众或待发展的技术。本书涉及面广，内容翔实，针对各风电场电气技术，不仅阐释其原理，还针对各技术特点划定技术适用范围，分析量测、评估指标，并配以应用实例，对生产实际有很大的指导意义，并为后续探索研究提供理论支撑。