风力发电机组暂态仿真模型_许寅.pdf

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1、第３５卷第９期Ｖｏｌ．３５Ｎｏ．９２０１１年５月１０日Ｍａｙ１０，２０１１风力发电机组暂态仿真模型许寅，陈颖，梅生伟（电力系统国家重点实验室，清华大学电机系，北京市１０００８４）摘要：随着大规模风电接入电网，分析风电对电网的影响越来越重要。电力系统暂态仿真是开展风电并网研究的一种重要手段，而建立准确、有效的风力发电机组暂态模型则是仿真工作的基础。文中简要回顾了恒速恒频机组、双馈机组和直驱机组的基本结构，整理和总结了风力发电机组中风轮、传动链、发电机、电力电子变频器以及控制和保护系统等重要环节的暂态仿真模型，并讨论了相关模型在风电并网问题研究中的应用

2、方式，进而展望了风力发电机组模型研究工作的发展方向。关键词：风力发电；恒速恒频机组；变速恒频机组；暂态模型；系统稳定性；电能质量０引言几种机型进行建模，而对风力发电机组的暂态仿真模型进行全面系统的总结和讨论的文献还不多见。随着风电在电力系统中的比例不断增加，其对本文详细总结了恒速恒频机组、双馈机组和直电力系统的影响已不可忽略。由于风力发电机组的驱机组的暂态仿真模型，讨论了这些模型在风电并工作原理和接入方式与传统的三相同步发电机组差网问题研究中的应用，并对风力发电机组模型未来异较大，因此对风力发电机组的准确建模是分析大研究工作的方向提出了看法。规模风

3、电的接入对电网稳定性、安全性、可靠性等方［１－２］面影响的关键步骤。另一方面，电力电子技术的１风力发电机组简介不断进步促使变速恒频机组逐渐取代恒速恒频机组目前广泛应用的风力发电机组可分为２类：恒成为并网风力发电机组的主要机型，变速恒频机组速恒频机组和变速恒频机组。恒速恒频机组采用鼠在提高风力发电系统可控性的同时，也增加了其复笼型异步发电机（ＳＣＩＧ）将风轮吸收的机械能转化［１－３］杂性。由于引入了大量的电力电子开关，变速恒为电能，发电机的定子绕组直接与电网相连。由于频机组的动态过程无法用连续方程表示，此外，风力异步电机的转速变化范围很小（通常在１％

4、左右），发电系统中耦合了空气动力系统、机械系统、电气系故称这类风力发电机组为恒速恒频机组。统、控制和保护系统等多种物理系统的动态，从而利变速恒频机组又分为双馈机组和直驱机组２种用解析方法研究其动态特性十分困难，因此需要采类型。其中，双馈机组采用双馈式感应发电机用仿真方法对其进行研究。（ＤＦＩＧ），其定子绕组直接与电网相连，转子绕组通电力系统电磁暂态仿真和机电暂态仿真（下文过变频器与电网相连。当风速变化引起发电机转速统称为暂态仿真）为开展这些研究提供了有力的支变化时，可通过控制转子电流的频率来保持定子电持。通过对包含大规模风电的电力系统进行暂态仿流的

5、频率不变，从而实现变速恒频控制，ＤＦＩＧ的转真，能够对风电场的规划、设计提供指导，为电力系速可在额定转速的６０％～１１０％之间变化。直驱机统稳定性、可靠性和动态品质的研究提供帮助，并且组采用永磁同步发电机（ＰＭＳＧ），其定子绕组通过能够为各种控制和保护策略的验证提供支持。变频器接入电网，由于风轮与ＰＭＳＧ直接相连，无电力系统暂态仿真的过程一般可以归纳为３个［１－２，５］需升速齿轮箱，故称其为直驱机组。各类风力步骤：①仿真对象建模；②动态方程求解；③仿真结发电机组的运行原理参见文献［５］。［４］果分析。目前，动态方程的求解方法已经较为完上述３类风力发

6、电机组的基本结构可以采用统善，因此，风力发电机组的建模仍是基础和热点。现［６－７］一的示意图表示，如图１所示。图中：ｖｗ为风阶段风力发电机组的建模通常是针对风力发电机组速；Ｔｍ为风轮输入传动链低速轴的机械转矩；Ｔｅ为中的某一个环节，或是针对某一特殊应用对１种或发电机输入传动链高速轴的电磁转矩；ωｗ为风轮角速度；ωｇ为发电机转子角速度；Ｕｇ为发电机机端电收稿日期：２０１０－１１－１３；修回日期：２０１１－０１－２７。压；Ｉｇ为发电机注入电网的电流；β为风轮桨叶的桨国家自然科学基金资助项目（５０８０７０２６，５０９７７０４７）。距角；α为变频器的控制信

7、号矢量。—１００—·综述·许寅，等风力发电机组暂态仿真模型中，这一波动将直接导致发电机转子转速和输出电功率的波动；在变速恒频机组中，由于发电机转子转速变化范围较大，可以起到能量缓冲的作用，因而不会引起输出电功率的快速波动。因此，应根据风力发电机组的类型和仿真精度要求来选择是否考虑这图１风力发电机组结构示意图一效应。关于塔影效应的讨论可参见文献［１１］。Ｆｉｇ．１Ｏｖｅｒａｌｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｓ２．２传动链模型从图１中可看出，风力发电机组主要由风轮、传传动链的作用是将风轮吸收的机械能传递给发动链、发电机、交直交变频器（如果

8、包含）以及控制和电机。传动链模型输入为Ｔｍ和Ｔｅ，输出为ωｗ和保护系统５个部分组成。需要分别建立这些模块的ωｇ。模型，才能