风电机组与风电场的动态建模

《智能电网研究与应用丛书》序

前言

第1章概述

第2章风力发电系统及其控制与保护

第3章动力学系统的时间尺度与模型

第4章风力机及风的动态建模

第5章风力发电系统电气部分的建模

第6章风电机组的动态建模

第7章风电场的动态等值建模

第8章模型的参数辨识与提取

第9章风电模型工程应用案例

附录A风电机组参数

附录B风电机组故障保护参数

本书讲述风电机组、风电场的动态建模方法，用于电网分析、风电并网仿真以及风电机组控制与保护的研究工作。建立采用当前主流风电机组参数的机组详细模型，包括各种控制策略、保护及其整定值。在系统地分析风电机组多时间尺度模型的基础上，给出可用于电力系统电磁暂态、机电暂态仿真的机理性降阶模型和暂态稳定分析模型；面向风电机组的整机控制和设计问题，给出包含气-弹-机-电耦合的风电机组精细化模型。对比分析所建模型在不同控制策略下的响应特性；论述风电场动态聚合模型的建模方法和分群原则，给出典型风电场的动态聚合模型、中长期模型，并对模型进行验证；论述基于RT-LAB和RTDS实时仿真器的风电机组与风电场全工况动态模型，以及控制器硬件在环实时仿真方法，结合多种实际案例，展现这些模型在大规模风电工程中的应用。

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。

对于相同机型风电场等值的研究已有很多，有研究对民据三阶DFIG简化风力发电机的动力模型提及一种基于戴维南电路的双馈风电场等值法，将具有相似动态特性的双馈感应发电机归为同群，适于波动的情况。而针对直驱永磁风电机组等值简化模型进行风速分群，按机组位置聚类，采用传递函数和电流控制电流源及利用等效电流源完成同群机组的等值处理等原则可降低直驱式风电场模型的复。

然而针对混合风电场等值研究却鲜有文章。国外已经建成了由鼠笼异步风机和双馈感应风机组成的混合风电场，采用聚合法进行等值是当前的普遍做法。一些适用于相同机型风电场的等值方法在一定条件下同样可应用于混合风电场的等值研究。随着风电场的不断扩容，混合风电场的经济效益日益突显，开展由鼠笼异步风机、双馈感应风机及直驱永磁同步风机组成的混合风电场等值方法的研究具有一定现实意义。