电子与信息工程学院
本 科 毕 业 论 文
论文题目风电场对电力系统运行影响的初步研究
学生姓名 汪云龙
学 号 103522002
专 业 电气工程及其自动化
班 级 103522
指导教师 孟鹏老师
2014年5月
摘 要
近年来，风能作为一种可再生的绿色能源，受到广泛的关注。随着我国的风电事业的不断发展，风电场规模不断扩大，大型风电场并网运行对电网造成的影响也越来越大，成为制约风电场建设规模的严重阻碍，因此研究风电场并网对电力系统的影响具有重要意义。
本文以双馈型异步发电机的发电系统为例，建立动态数学模型，包括随机风模型、风力机模型、双馈型异步风力发电机模型。分析了大规模风电场并网的运行特性，分析了并网风电场对系统的稳定性和电能质量的影响。
通过所建立的风力发电系统数学模型，在MATLAB/Simulink仿真环境下实现了大型风电场与系统并网的风力发电系统动态仿真。研究系统运行中的风速变化、负荷扰动、系统发生单相接地和三相短路故障时对电网和风电场各节点的电压波动、电流波动以及引起的功率变化。通过仿真分析结果可以看出，采用双馈型异步风力发电系统能满足系统稳定性要求。
关 键 词：风力发电；双馈型异步风力发电机；Matlab/Simulink动态仿真；
ABSTRACT
Wind power as a kind of renewable green power resources has been received extensive attention in the recent years．With the development of wind industry in China and the expansion of the scale of wind farms，the influence brought by large wind farms connected to power systems has become greater and greater，which has become a great obstacle to the further utilization of the wind resource．Therefore，the research on the impact of wind farm connected to power systems is an important issue that should be solved urgently．
A series of dynamic mathematics models of wind turbine generator based on the doubly-fed induction wind power system are set．Including wind speed model，wind turbine model and doubly-fed induction generator model and so on． Through which，the function characteristics of large grid-connected wind farm are analyzed，and the interactions of wind power and the grid，especially to the stability and supply quality of the power system，are researched．
Finally,taking the large grid-connected wind farm with the unlimited powersystem for example，the simulation is developed using MATLAB／Simulink tools by the dynamic mathematics models．This paper analyses in depth the impacts of grid-connected wind farm，including wind speeding changes，load disturbs，single phase-to-ground and three phases-to-ground faults which bring voltage，current and power fluctuation to the grid and wind farm terminals．It is shown that doubly—fedinduction wind power system has good stability．
KeyWords：Wind power generation；Doubly-fed induction generator； Dynamic simulation on MATLAB/Simulink；
目录
1 绪论 1
1.1课题的背景和意义 1
1.2我国风力发电的发展和现状 1
1.3风力发电并网运行的技术问题和研究现状 2
1.3.1风力发电的特点 2
1.3.2风电场并网面临的一些技术问题 2
1.3.3研究现状 3
1.4论文的主要内容 3
2 风力发电系统介绍 5
2.1引言 5
2.2风力发电机组能量转换关系 5
2.3风力发电机的恒速运行和变速运行 5
2.3.1恒速恒频风力发电系统 5
2.3.2变速恒频风力发电系统 6
2.4小结 8
3 风力发电机并网控制方式及并网对系统的影响 9
3.1引言 9
3.2风力发电机的并网控制方式 9
3.3风电场并网对电力系统的影响 9
3.3.1风力发电对电网电压特性的影响 9
3.3.2风力发电对短路电流的影响 10
3.3.3风力发电并网过程对电网的冲击 10
3.3.4风力发电对稳态频率的影响 10
3.4小结 10
4 并网型风力发电系统的数学模型 11
4.1引言 11
4.2风速模型 11
4.3风力机模型 12
4.3.1风力机的功率输出特性 12
4.3.2风能转换过程模型 13
4.4双馈型异步风力发电机的数学模型 14
4.4.1双馈型异步风力发电机的优势 14
4.4.2双馈型异步风力发电的基本原理 15
4.4.3双馈型异步风力发电机的数学模型 17
4.4小结 20
5风电场并网对系统影响仿真分析 21
5.1引言 21
5.2 仿真试验系统 21
5.2.1仿真系统描述 21
5.2.2仿真参数设置 22
5.3仿真内容及结果分析 23
5.3.1风速变化对风电场的影响 23
5.3.2风速变化对电网的影响 24
5.3.3负荷扰动下对风电场的影响 25
5.3.4负荷扰动下对电网的影响 26
5.3.5单相接地故障对风电场的影响 27
5.3.6单相接地故障对电网的影响 27
5.3.7三相短路故障对风电场的影响 28
5.3.8三相短路故障对电网的影响 29
5.4小结 29
6结论与展望 31
致 谢 33
参考文献 35
1 绪论
1.1课题的背景和意义
随着工业的飞速发展，世界能源日益枯竭，环境不断恶化，人们的环保意思和危机感不断加强，各国纷纷制定新的新能源，给风能、太阳能、潮汐能、地热能等再生能源的发展带来了新的契机。这一浪潮正在重新塑造着电力工业，使电力工业在可持续发展的能源工业中面临新的机遇和挑战。风力发电作为一种重要的可再生能源形式，越来越受到人们的广泛关注。由于近年来电力设备的日趋成熟和风电价格的逐步降低，无论是发达中国家还是发展中国家都在大力发展风力发电。
1.2我国风力发电的发展和现状
我国有丰富的风能资源，风能总储量为32.26亿KW/年，陆上可开发风能总量约2.5亿KW/年，据世界首位，与可开发的水电装机容量3.78亿KW/年为同一量级，具有形成商业化、规模化发展的资源潜力。我国风能丰富区主要位于东北、华北和西北的草原和戈壁，以及东部和东南沿海或岛屿[1]。
表1-1 截至2010年12月31日中国风力发电机组及装机容量分布
| 序号 | 省份 | 省台数 | 省装机（KW） |
| 1 | 295 | 180750 | |
| 2 | 内蒙古 | 255 | 165240 |
| 3 | 广东 | 270 | 140290 |
| 4 | 辽宁 | 203 | 127460 |
| 5 | 宁夏 | 133 | 112950 |
| 6 | 吉林 | 143 | 109360 |
| 7 | 河北 | 143 | 108250 |
| 8 | 山东 | 97 | 79350 |
| 9 | 福建 | 75 | 58750 |
| 10 | 黑龙江 | 70 | 57350 |
| 11 | 甘肃 | 74 | 52200 |
| 12 | 浙江 | 59 | 34150 |
| 13 | 上海 | 18 | 24400 |
| 14 | 海南 | 19 | 8755 |
| 15 | 总计 | 1853 | 1260000 |
风能由于其自身特性使得它未被人们充分利用。风能资源通常远离负荷中心，风电厂的输出随着风速风向的变化而变化，风力发电的特性目前尚未完全明确，所以制约了风力发电的发展。
1.3.1风力发电的特点
由于风能的特殊性，与常规的水火电系统相比风电系统具有很大的差别，主要表现在四个方面
(1)风能的随机性
风速随着大气的气温、气压、湿度、干度、太阳及月亮的活动和风电场地形地貌等因素的不同而不同，是随机和不可控的，这样作用在风力机叶片上的风能也就是随机的和不可控制的。
(2)风力机转动惯量大
风能密度分布相对比较低，为了尽可能捕获较多的风能，风力机转动的叶片直径必须做的很大，典型的商业化中大型风力发电机组转动叶片直径大概在20m～60m之间。显然，巨大的转子叶片的直径，必然使得风力机具有较大的转动惯量[2]。
(3)风力机与发电机之间的柔性连接
为了有效的转换风能，风力机转子由于受到风能转换效率(理论极限值是.059)的，叶尖速率比九不可能很大，风力机的转子转动的速度不会很高，与发电机转动的速度相差比较大，发电机与风力机之间不能直接相连，必须通过一定变比的升速齿轮箱进行传动。这样发电机与风力机之间的刚性度大大降低。换句话说，风力机和发电机两大系统之间是柔性连接的。
(4)异步发电机
目前，大规模的风力发电系统一般采用异步发电机直接并网的运行方式。通常机端配备有补偿电容器组，以提供异步发电机在启动和运行时所需要的激磁无功。异步发电机的频率由大系统来决定，风能的变化将引起异步发电机转差的变化，相应地其注入电网的有功和吸收的无功也要随着风速的变化而变化，这将导致系统，特别是风电场附近电网母线电压的波动，严重时还可能引起电压闪变。随着电力电子的发展，新型的风力发电机可以选用变速恒频双馈异步发电机，则无须配备补偿电容器组。这种变速恒频双馈异步发电机不仅能发有功功率，而且还能发无功功率，且能方便地调节有功功率和无功功率，使得风力发电系统具有较好的性能。
1.3.2风电场并网面临的一些技术问题
随着风力发电规模的不断扩大，风力发电在电网中的比例越来越大，风电场的并网运行对电网的电能质量、安全稳定等诸多方面的负面影响也随着风电场规模的扩大变得愈加明显，成为制约风电场容量和规模的严重障碍。主要面临下面一些技术问题：
(1)对电能质量的影响
风速变化、湍流以及风力机尾流效应造成的紊流会引起风电功率的波动和风电机组的频繁启停；风机的杆塔遮蔽效应使风电机组输出功率存在周期性的脉动。功率的变化将会使电网频率在一定范围波动，影响电网中频率敏感负荷的正常工作。风电功率的波动势必会引起电压的变化，主要表现为：电压波动，电压闪变、电压跌落以及周期性电压脉动等。
(2)对稳定性的影响
一方面，风力发电通常接入电网的末端，改变了配电网功率单向流动的特点，使潮流流向和分布发生改变，这在原有电网的规划和设计时是没有预先考虑的。因此，随着风电注入功率的增加，风电场附近局部电网的电压和联络线功率将会超出安全范围，严重时会导致电压崩溃。另外，由于采用异步发电机，变速恒频风电系统在向电网注入功率的同时需要从电网吸收大量的无功功率。因此，为了补偿风电场的无功，每台风力发电机都配有功率因数校正装置，目前常用的是分组投切的并联电容器。电容器的无功补偿量的大小与接入点电压的平方成正比，当系统电压水平较低时，并联电容器的无功补偿量迅速下降，导致风电场对电网的无功需求上升，进一步恶化电压水平，严重时会造成电压崩溃。另外，由于异步发电机的功率恢复特性，当电网发生短路故障时，若故障切除不及时，也将容易导致暂态电压失稳。另一方面，随着风电场规模的不断扩大，风电场在系统中所占的比例不断增加，风电输出的不稳定性对电网的功率冲击效应也不断增大，对系统稳定性的影响就更加显著，严重情况下，将会使系统失去动态稳定性，导致整个系统的瓦解[3]。
1.3.3研究现状
从世界各国风电场运行的经验来看，风力发电场接入电网带来的主要问题，一方面是风速的波动性和随机性引起风电场出力随时间变化而导致的安全隐患，另一方面是对薄弱系统的稳定性与电能质量而产生的问题。而就稳定性和电能质量而言，风电场对系统电压稳定性和质量的影响更为突出。主要原因是，受到风力资源分布的，风电场一般分布于沿海和边远地区，其接入的电网大多是地区负荷性质的配电网，网络结构比较单一，地方电源(特别是具有快速调节能力的电源)相对较少，相互之间的电气联系比较薄弱，抗击风电功率扰动的能力较低，风电功率的波动将引起局部电网电压的显著变化。另外异步发电机动态特性和并联电容器的影响，也可能使系统的电压稳定性面临更大的威胁[4]。
1.4论文的主要内容
风力发电机组建立正确的数学模型和仿真分析是本论文的关键。本课题将进行以下的研究工作：
(1)并网型风力发电机组发电原理的探讨
风力发电机组通常亦被称为风能转换系统。其能量转换过程是：风能—机械能—电能。
(2)风力发电机组的数学模型的建立
分析风电系统的动态特性首先必须建立合理的数学模型，然后才能对其进行动态仿真计算。本文以变速恒频双馈型异步风力发电系统为研究对象，建立了用于动态仿真的风速模型、风力机模型和发电机模型等数学模型。
(3)动态仿真分析
利用所建立的数学模型，在Matlab/Simulink仿真环境中实现基于双馈型异步风力发电系统进行仿真分析。选取四种比较典型、对系统影响比较严重的运行方式进行分析：
(a)风速变化时，风电场和电网的运行情况；
(b)110kV系统接入点(节点4)出现阶跃变化时风电场和电网的运行情况；
(c)110kV系统即节点2、3之间的一回输电线路发生单相接地时风电场和电
网的运行情况；
(d)l0kV系统输电线路发生三相短路故障时风电场和电网的运行情况。
2风力发电系统介绍
2.1引言
风力发电作为电力系统中一个崭新的研究领域，综合利用了空气动力学、新型电机、电力电子技术、自动控制、新材料、计算机等方面的最新成果，使风力发电逐步走向规模化和产业化。目前大型并网风力发电己成为风力发电厂的主流，风力发电在电网中的比重不断加大，是一种现实、清洁的、发电方式，然而风力发电也是一种特殊的电力，具有很多不同于其他能源的特点[5]。
2.2风力发电机组能量转换关系
风力发电组通常亦被称为风能转换系统，其能量转换过程是：风能—机械能—电能。
2.3风力发电机的恒速运行和变速运行
风力发电一般有两种控制方式，一种是恒速恒频风力发电系统，另一种是变速恒频风力发电系统。恒速恒频发电系统一般采用普通的同步发电机或感应电机，其定桨距失速调节的风力机结构简单，整机造价低，安全系数和可靠性较高，在风力机的市场上占有较大的份额。变速恒频风力发电系统的技术特色是发电机和变流技术，它需要变速运行，导致电气控制系统复杂，整机造价高。与恒速恒频发电系统相比较，变速恒频发电系统的机械部分的成本投资可减少10％～20％，电气部分的投资有较大增加，但电气部分的成本在大、中型风力发电机组中所占比例不大。下面就这两种技术的特点进行阐述。
2.3.1恒速恒频风力发电系统
恒速恒频风力发电系统中，多采用直接驱动同步发电机或鼠笼式异步电机作为并网运行的发电机，并网后定子磁场旋转频率等于电网的频率，而异步电机的转差一般为3％～5％，所以转子本身的转速变化范围也很小，故称之为恒速恒频风力发电系统，如图2-1所示。自然风吹动风力机，经齿轮箱升速后驱动异步发电机将风能转化为电能。
图2-1基于鼠笼式异步发电机的风力发电系统原理框图
并网后异步电机的输出功率在稳定区内运行，如图2-2所示。恒速恒频风电系统在额定转速附近运行，滑差变化范围较小，从而发电输出频率变化也较小。异步发电机的转子速度高于同步转速。当风力机传给发电机的机械功率随风速而增加时，发电机的输出功率及其反转矩也相应增大。当转子速度高于同步转速3％～5％时达到最大值，若超过这个转速，异步发电机进入不稳定区，产生的反转矩减小，导致转速迅速升高，引起飞车，这是十分危险的[6]。
图2-2异步电机输出功率曲线
恒速恒频发电系统要使输出的频率f保持不变，则应使风力机转速不变，而风速经常变化，因此需要改变风力机对风能的利用率Cp，使Cp值往往偏离其最大值，所以恒速恒频不能实现风力机的最大风能利用，风力机常常运行于低效状态。
2.3.2变速恒频风力发电系统
变速恒频风力发电系统多采用双馈型异步发电机。
图2-3双馈型异步风力发电机基本原理
虽然目前大多数采用异步发电机的风力发电系统属于恒速恒频发电系统，但作为一种新型发电技术，变速恒频风力发电系统不必保持风力机转速恒定，而通过其他控制方式来得到恒定频率的电能。因此，它能够实现风力机运行在Cp的最佳值，实现最大风能利用。额定风速以下运行是变速恒频发电运行的主要工作方式，也是经济高效的运行方式，这种情况下变速恒频风力发电系统的控制目标就是追踪与捕获最大风能。变速恒频风力发电系统的主要优点如下：
(1)采用变速恒频发电技术，系统运行效率高。风轮变速运行，可在较宽的风速范围内保持最佳的叶尖速比和最大功率点运行，从而提高了机组发电效率，优化了风力机的运行条件。如前述，风力机在不同风速下有一个最佳运行转速，此时对风能的捕获效率最高，而且风施加给风力机的应力最小，所以应控制风力发电机组运行在这个优化的转速下。而传统的恒速恒频发电方式由于只能固定运行在同步转速上，当风速改变时风力机就会偏离最佳运行转速，导致运行效率下降，不但浪费风力资源，而且增大风力机的磨损。采用变速恒频发电方式，就可按照捕获最大风能的要求，在风速变化的情况下实时调节风力机转速，使之始终运行在最佳转速上。和恒速恒频风电系统相比，年发电量一般可提高10％以上 [7] 。
(2)采用变速恒频发电技术，具有同步电机运行特点，功率因素可调。不消耗电网无功功率，同时可改善电网功率因数，提高发电质量。变速恒频发电可以在异步发电机的转子侧施加三相低频电流实现交流励磁，控制励磁电流的幅值、频率、相位实现输出电能的恒频恒压。同时采用矢量变换控制技术，实现发电机输出有功功率、无功功率的调节。控制有功功率可调节风力发电机组转速，实现最大风能捕获的追踪控制：调节无功功率可调节电网功率因数，提高风力发电机组及电力系统运行的动、静态稳定性。
(3)采用变速恒频发电技术，可使变桨距调节简单化。变速运行可放宽对桨距控制时间常数的。在低风速时，浆距角固定；在高风速时，调节桨距角最大输出功率。
(4)采用变速恒频发电技术，可使发电机组与电网系统之间实现良好的柔性连接，比传统的恒速恒频发电系统更易实现并网操作及运行。
2.4小结
本章分析了风力发电机组的能量转化关系，介绍了风力机的类型。这些分析为后面风力发电机组的建模和风电场接入电网的研究分析奠定了理论基础。
3 风力发电机并网控制方式及并网对系统的影响
3.1引言
风力发电是将风能转化为机械能，机械能再转化为电能的过程。不同类型的风力发电机的发电原理和功率特性都不尽相同。风电场的并网方式也是多种多样的，主要取决于所采用的发电机类型和电网容量。不同的风力机、发电机以及不同的并网方式对电网的影响也不一样。
3.2风力发电机的并网控制方式
风力机的并网控制是整个控制系统中最关键、最复杂的部分，它直接影响到风力机能否向电网送电及机组不受并网时电流冲击。目前国内外采用异步发电机的风力发动机组并网方式主要有软并网、降压运行、准同期并网和整流逆变等方式软并网是目前风力发电机组普遍采用的并网方式[8]。
3.3风电场并网对电力系统的影响
由于风力资源分布、风速、电网结构、控制方式以及并网风力发电机组在持续运行过程中受到的塔影效应等因素的影响，风电场的输出功率存在周期性的脉动。当风电场的容量较小时，这些特性对电力系统的影响不是很显著，但随着风电场规模和容量的扩大，风电场对电力系统的影响也随之增大。功率的变化将会对电网产生一系列的影响，主要包括：电压的波动和闪变、对接入点短路电流的影响、并网过程对电网的冲击、对频率的影响以及对其他电厂等方面的影响。
3.3.1风力发电对电网电压特性的影响
从风电场运行经验来看，并网风电场对系统的影响主要是薄弱系统的电压稳定问题。风电场大多在电网的末端，网络结构比较薄弱，其短路容量较小，在风速、风力机组类型、控制系统、电网状况、偏航误差以及风剪切等因素的扰动下，必然导致输出功率的变化和电压的波动，从而影响电网的电压质量和电压的稳定性。风电场对电压的影响主要包括电压波动，闪变以及波形畸变电压不平衡等。电压的波动幅度不仅与风电功率大小、而且与风电场分布和变化特性等有关[9]。风力发电会提高电网的静态稳定性，降低动态稳定性。目前，并网运行的风力发电机多为异步发电机，机组启动时从电网大量吸收无功，并网瞬间产生的冲击电流为额定电流的2～3倍，造成电网电压水平降低，随着风电机无功补偿电容器组的相继投入，电网电压将逐渐得到恢复；脱网时又将引起电网电压升高，一般可达4％，严重时可能超过10％。因此本文将选用与以往异步发电机不同的变速恒频双馈型异步发电机，可以有效的降低风力发电机组的功率波动，减小功率波动过大造成的电压波动。
3.3.2风力发电对短路电流的影响
由于目前大部分使用的还是异步发电机，当风电场接入电网后，会增加接入点的短路电流。因此，风电场并网时应适当考虑到短路电流的影响。虽然短路电流衰减得很快，但其初值很高。在考虑风力机装机容量时也应先计算电网各节点的短路电流，判断是否超过了电网中已有装置的额达容量。风电场并网对电网短路容量有一定影响，短路容量的增大可能超过电网保护装置的容量。在故障情况下，风电机组的保护系统应积极配合电网的保护装置，减少对电网的不利影响。
3.3.3风力发电并网过程对电网的冲击
异步发电机并网时其相序必须与电网保持一致且转速尽可能接近同步速，这样才能顺利并网。由于异步发电机没有励磁装置，并网前发电机本身没有电压，并网时必有一个过渡过程，这个并网过程会产生一个高于额定电流5～8倍的冲击电流，经过几秒可转入稳态。冲击电流的大小与并网时电网电压的大小、发电机本身的暂态电抗以及并网时的滑差有关，而冲击电流的有效值与滑差成正比。风电场与大电网相连时，合闸瞬间的冲击电流对异步发电机及电网系统安全运行的影响不是很大，但对小容量的电网系统或接入点短路容量很小时，并网瞬间会引起电网电压的大幅度下降，从而直接影响到接在同一电网上的其他电气设备的正常运行，严重时甚至会影响到整个电网的稳定运行。
3.3.4风力发电对稳态频率的影响
由于风能具有不同于常规能源的随机性和间隙性，目前的技术水平要控制风力的变化是不可能的。风电场的并网运行，由于其风力的不可控，将对电网运行的稳态频率产生一定影响，影响程度与风电在系统中所占的比重和电网调频能力有关[10]。
3.4小结
由于风能的随机性和间歇性，风电场的并网运行会对电网的电压、功率等产生波动，从而给系统带来一系列负面的影响。本章介绍了风力发电机的并网控制方式，讨论了风电场并网对电力系统的影响，为研究风电场并网运行的稳定性问题提供理论依据。
4 并网型风力发电系统的数学模型
4.1引言
进一步分析风力发电的原理和特性，需要对各主要部件进行数学建模。以变速恒频双馈型异步风力发电系统为研究对象，分析并网风电场的运行特性。重点介绍双馈型异步风力发电系统的各个环节，并对其动态数学模型做详细阐述。风力发电系统的数学模型包括风速模型、双馈型异步风力发电机模型。
4.2风速模型
风速具有明显的随机性和间歇性[11]。为了较精确地描述风速及其变化特性，引入风频分布的概念。风频分布就是风速的统计概率分布，是衡量风能资源分布特性的重要指标，它反映了风电场某个时段每一风速出现的概率，可以通过分析风电场实际测风的原始资料得到。
为了精确的描述风的特点，将风速分解为四个分量：基本风VWB、阵风VWG、渐变风VWR、和随机风VWN。
(1)基本风
基本风在风力机正常运行过程中一直存在，决定了风电机组输出的额定功率的大小，可以由风场测风所得的威布尔分布参数近似确定，该分量不随时间变化。
VWB=A (4-1)
式中：A和k是威布尔分布的尺度参数和形状参数，表示伽马函数。
(2)阵风
阵风用于描述风速突然变化的特性。在风电系统的动态仿真中，通常可以用它来考察系统在较大的风速扰动下的动态特性。
VWG= (4-2)
其中，VCOS= (4-3)
式中：T1G、TG、VWGmax、一分别为阵风启动时间，阵风周期和最大值。
(3)渐变风
渐变风用来描述风速的渐变特性。
(4-4)
Vramp= (4-5)
式中：VWRmax、T1R、TR分别为渐变风风速最大值、起始时间、终止时间和保持时间。
(4)随机噪声风
随机噪声风用来反映风速的随机特性。
(4-6)
其中： (4-7)
(4-8)
式中：是0～2π之间均匀分布的随机变量；KN是地表粗糙系数，一般可取0.004；F指扰动范围，单位为m²；μ是相对高度的平均风速。
综合上述四种风速分量，模拟实际作用在风力机上的风速Vw为：
VW=VWB+VWG+VWR+VWN (4-9)
4.3风力机模型
风力机主要由叶片和轮毂、齿轮箱、联轴器等中间传动装置构成。其机械部分与异步发电机是柔性连接，相互之间的刚性度较低。重点分析风电系统电气部分的动态特性时，可以对风力机做一定的简化[12]。
4.3.1风力机的功率输出特性
风力机输出的机械功率表达式为：
(4-10)
式中：PM为机械功率(W)
ρ为空气密度(kg/m³)
V为风机叶片的扫掠面积(m²)
图4-1为风力发电机组的稳态功率特性，即风力发电机组输出有功功率与风速的函数关系。理想风机在正常风速(12~24m/s)范围内保持输出功率恒定。在有效风速范围(3～25m/s)内，如果已知作用到风力发电机组轮毂高度处的风速V，根据P—V特性则可得输出的有功功率P[13]。
图4-1理想风轮机组功率特性曲线
4.3.2风能转换过程模型
风力机从自然风力机从自然风能中吸收能量转换成作用在轮毂上的机械转矩。风能与机械转矩的关系为：
(4-11)
式中：为空气密度（kg/）
为风速（m/s）
风轮的叶片半径（m）
为风力机的额定机械角速度（rad/s）
为风力机的额定功率（kw）
为叶尖速比，即风轮叶片顶端速度与风速之比，计算公式为：
(4-12)
Cp是风力机的风能利用系数，即单位时间内风力机所吸收的风能与通过叶片旋转面的全部风能之比。按照贝兹理论，在较高叶尖速比>3时，叶片翼形优化，涡流损失很小，Cp最大值为0.593。按风机叶片的空气动力学特性，Cp是尖速比(tip speed ratio)和叶片桨距角的函数，表达式为：
(4-13)
Cp就是风力机将风能转化为机械能的效率，它是风轮叶尖线速度与风速之比的函数，Cp与的关系曲线是风力机的基本性能之一，在一定的桨距角下，对应与同一效率Cp风机有两个运行点，分别对应于高风速和低风速，如图4-2所示。在实际工程中，叶尖速比、桨距角和风能利用系数Cp与的关系可用下式描述：
(4-14)
式中：c1=0.5，c2=，c3=0，c4=0.22，c5=5.6，c6=0.17， =2。
图4-2风力机的典型Cp-特性曲线
4.4双馈型异步风力发电机的数学模型
4.4.1双馈型异步风力发电机的优势
近年来，随着电力电子技术和微机控制机技术的发展，双馈型异步发电机 (Doubly-Fed Induction Generator，简称DFIG)得到了广泛的重视。它在结构上类似绕线式异步电机，有定、转子两套绕组。由于发电机的定、转子绕组在发电过程中都参与了励磁，“双馈”由此得名。实际上，DFIG是具有同步发电机特性的交流励磁异步发电机，从发电机转速是否与同步转速一直来定义，DFIG应该是异步发电机，但在性能上，DFIG又有同步发电机的特点。DFIG与同步发电机一样既有的励磁绕组，可以调节功率因素等等。与同步发电机相比，同步发电机励磁电流的可调量只有幅值，只能调节无功功率；DFIG可调量有三个，分别是：励磁电流幅值，励磁电流频率，励磁电流相位。因此在控制上DFIG更加灵活，可以改变转子励磁电流频率和相位来实现变速恒频运行。调节功率角，不仅可以调节无功功率，也可以调节有功功率。由于DFIG兼有异步发电机和同步发电机的特性，同时还有同步发电机所不具备的变速恒频运行能力，使得在应用上有很大的优势[14]。
(1)能够参与功率调节，提高系统稳定性
利用矢量变换控制技术，可以综合改变DFIG转子励磁电流的相位和幅值，可以实现DFIG输出有功功率和无功功率的解耦，达到改变发电机稳定运行的目的，从而提高电网运行效率，改善了电能质量和稳定性[15]。
(2)降低了机组的磨损，减小了内部器件的损耗。
以往的发电设备中，由于受电网频率和同步发电机特性的，发电机的转速不能变，这样就使得原动机要维持一个转速。然后风速又是不断变化的，原动机的转速也会随之变化，这对原动机的磨损很大，同时会影响到发电质量，会导致降低出力，严重时甚至停机。DFIG可以通过转子励磁电流的幅值、频率和相位的调节，在原动机转速变化时也可发出频率恒定的电。DFIG的定子侧直接接到电网，转子侧经变流器连接到电网。变流器只需控制转子滑差功率，这样就减小了逆变器的损耗。降低了机组的磨损、减小了内部元器件的损耗，从而提高了机组的运行效率，并延长了机组的使用寿命。
(3)并网安全、方便。
和同步发电机和异步发电机相比，DFIG的并网控制更加简单和便捷，通过对转子侧实施交流励磁，可精确地调节发电机定子侧输出电压，实现安全快速的软并网操作。
(4)在外部扰动下，DFIG具有良好的鲁棒性和可靠性。
4.4.2双馈型异步风力发电的基本原理
双馈型异步风力发电系统主要由风力机、齿轮增速箱、双馈发电机、变流器、调节器组成，其原理框图如图4-5所示。DFIG的定子绕组接电网，转子绕组由具有可调节频率的三相电源激励，本文中采用基于IGBT交—直—交PWM变换器，这种变换器能在很大程度上降低开关损耗，且其端电压不会出现电压尖峰，具有良好的输出特性。DFIG可在不同的转速下运行，其转速随风速的变化可作适当的调节，使风力机的运行始终处于最佳状态，以提高风能的利用率[16]。当电机的负载和转速变化时，通过调节馈入转子绕组的电流，不仅能保持定子输出的电压和频率不变，而且还能调节发电机的功率因素。稳态运行时，定子旋转磁场和转子旋转磁场在空间上应保持相对静止，当定子旋转磁场在空间以以的速度旋转时，则转子的励磁电流形成的旋转磁场的旋转速度为
(4-15)
式中：ω1为定子磁场旋转角频率
ω2为转子旋转角频率
ωs为转子励磁电流形成的旋转磁场角频率
S为转差率
图4-5双馈型异步风力发电机基本原理
转子电流形成的旋转磁场的角频率同转差率成正比，如果发电机的转子转速低于同步速，则转子电流形成的旋转磁场与转子旋转的方向相同。如果转子转速高于同步速，则两者旋转方向相反。根据ω=2πf，可知转子绕组中的励磁电流的频率与定子侧的频率关系是：
(4-16)
式中：f1为定子电流频率
fs为转子励磁电流频率
当发电机的转速小于同步转速时，处于亚同步状态，此时电网通过励磁变频器向发电机转子回路提供转差功率；当发电机的转速大于同步转速时，处于超同步状态，此时转子通过励磁变频器向电网回馈转差功率，励磁变换器的能量逆向流动；当转子转速等于同步转速时，处于同步，此时发电机相当于同步电机运行，励磁变频器向转子提供直流励磁。
图4-6双馈型风力发电机等效电路
由以上分析可知双馈型异步风力发电机转子电流产生的基波旋转磁势相对于转子以转差角速度ωs旋转，相对于定子以同步速旋转。该磁势与定子三相电流产生的定子基波磁势相对静止，在气隙中形成合成磁势。我们可以画出相应的等效电路如图4-6所示。根据电磁感应定律，该合成磁势在气隙中产生的合成磁场将在定、转子绕组中分别感应电势E1和E2，与感应电机类似：当转子侧各物理量折算到定子侧时，可写出折算后的基本方程式如下：
(4-17)
式中：，分别为定、转子绕组中的感应电势
，，分别为励磁电流，定子侧电流和转子侧电流
r1，x1分别为定子电阻和定子电抗
r2，x2分别为转子电阻和转子电抗
，分别为定子侧电压和转子侧电压
xm，为磁路磁化电抗
根据式（4-17）我们可以画出双馈型异步风力发电机的向量图，如图4-7所示。
图4-7双馈型异步风力发电机向量图
4.4.3双馈型异步风力发电机的数学模型
建立风电机的数学模型前，需要进行必要的假设：
(1)忽略铁磁材料饱和、磁滞和涡流的影响以及铁磁材料和线路中的集肤效应：
(2)定子的三相绕组结构相同，且空间位置彼此相差120°，电机气隙中产生正弦分布磁势；
(3)转子为具有光滑表面的圆柱形，气隙均匀，不计齿槽等的影响[17]；
(4)双馈型变速恒频风力发电机采用d、q旋转坐标表示。
交流励磁双馈型异步发电机的定子，转子都结成星形，其电路示意图如下图所示
图4-8双馈型异步发电机结构示意图
根据示意图，可以写出双馈型发电机三相静止坐标系的电压方程，磁链方程，运动方程和转矩方程。
(1)电压方程： (4-18)
也可写成：
(4-19)
式中：uA，uB，uC，ua，ub，uc分别为定子、转子相电压瞬时值
iA，iB，iC，ia，ib，ic分别为电子、转子电流瞬时值
，，，，，分别为定子、转子各相绕组的磁链
R1，R2分别为定子、转子绕组的等效电阻
d为微分算子，
(2)磁链方程：
矩阵形式的磁链方程可以表示为：
(4-20)
式中：
(4-21)
(4-22)
（4-23）
（4-24）
式中：Lm1为与定子绕组交链的最大互感磁通通过的电感
Lm2为与转子绕组交链的最大互感磁通通过的电感，有Lm1= Lm2
Ll2，Ll2分别为定子、转子的漏电感
为转子的位置角
(3)运动方程：
（4-25）
式中：为风力发电机的输入转矩
为风力发电机的电磁转矩
为发电机转子转速度， =d/dt
(4)电磁转矩方程：
（4-26）
式中：p为电机的极对数
方程（4-18）-（4-22）是DFIG在三相静止坐标下的数学模型。为了简化分析和应用于矢量变换控制，选用以恒定同步转速转动的两相旋转坐标系d、q中的变量替代三相静止坐标系上的真实变量。通过坐标变换能得到同步发电机在两相同步旋转坐标系上的数学模型[18]。
(1)电压方程：
（4-27）
式中：，，，分别为定子、转子电压的d、q轴分量
，，，分别为定子、转子电流的d、q轴分量
为d、q坐标系相对于转子的角速度
(2)磁链方程：
（4-28）
式中：，，，分别为定子、转子磁链的d、q轴分量
=1.5为d、q坐标系下同轴定、转子绕组间的等效互感
=+1.5为d、q坐标系下两相定子绕组的自感
=+1.5为d、q坐标系下两相转子绕组的自感
(3)运动方程与三相静止坐标下一致。
(4)电磁转矩方程：
（4-29）
4.4小结
建立数学模型是分析风力发电动态特性的基础，然后才能利用建立的数学模型对风电场接入电网后对电网的影响进行分析和计算。本章建立了用于Simulink仿真的并网型风电机组的数学模型，包括风速模型、风力机模型和双馈型异步电动机的数学模型。
5风电场并网对系统影响仿真分析
5.1引言
本章将对算例进行分析，主要分析风电场并入电网对电网产生的一系列影响，其中包括风速变化、负荷扰动、系统发生单相接地短路故障和三相短路故障时对电网和风电场各节点的电压波动、电流波动及引起的功率变化[20]。
5.2仿真试验系统
5.2.1仿真系统描述
在MATLAB(R2006a版本)中的SimPowerSystems模块中就有现成的DFIG的数学模块，可以直接把它调出来。本仿真实验采用由6台相同型号的1．5MW双馈型异步风力发电机组构成的风电系统，对含大型并网风力发电场的电力系统运行进行动态仿真，仿真模块图如图5-1所示，风电场出口电压为690V，经升压变压器升压至10kV，其间线路长10km，然后经30km架空线路再次与升压变压器相连，电压升至110kv。
图5-1风电场仿真模块图
图5-2风电系统等效图
5.2.2仿真参数设置
（1）风速设置
表5-1风速模型参数设置
| 峰值（m/s） | 开始时间（s） | 结束时间（s） | |
| 基本风 | 5 | 0 | 30 |
| 阵风 | 10 | 10 | 20 |
| 渐变风 | 0 | 0 | 0 |
| 随机风 | - | 0 | 0 |
（2）双馈异步发电机参数设置
表5-2双馈异步发电机的参数设置
| 额定容量 | 9MW | 励磁电抗 | 2.90000 |
| 额定电压 | 690V | 额定功率因素 | 0.9 |
| 频率 | 50HZ | 惯性常数 | 5.04 |
| 定子电阻 | 0.00706 | 摩擦因素 | 0.01 |
| 定子电抗 | 0.17100 | 极对数 | 3 |
| 转子电阻 | 0.00500 | 升压变压器T1电抗 | 0.025 |
| 转子电抗 | 0.15600 | 升压变压器T2电抗 | 0.08 |
图5-4“10km”线路参数设置
5.3仿真内容及结果分析
本文仿真分析的主要内容是：在考虑有载调压调节手段的情况下，风速变化、负荷扰动及系统故障对风电场及系统运行的影响，这种影响包括系统中发电机组输出功率的变化，主要节点电压的变化。选取几种典型的、对系统影响较严重的运行方式作仿真。本课题考虑的四种方式为：
风速从5m／s变化到15m／s时，风电场和电网能否正常运行；
110kV系统接入点(节点4)出现阶跃变化时的风电场和电网运行情况；
10kV系统即节点2、3之间的一回输电线路发生单相接地时风电场和电网运行情况；
l0kV系统输电线路发生三相短路故障时风电场和电网运行情况。
5.3.1风速变化对风电场的影响
有载调压模式下，风速从5m／s变化到15m／s时，风电场输出的电压、电流、有功功率和无功功率的变化。假设各台风机的运行点相同，即风速相同，则风电场节点的电流随着风速的增加随之上升，并在风速达到最大值时稳定在额定值附近。随着风速的增加，风电场的有功功率也开始增加，在风速达到15m／s后逐渐接近最大值9MW。为了维持电压为1（p.u.），必须吸收系统的无功，这时风电场相当于一个无功负荷。但由于采用的是DFIG发电机，DFIG的转子通过变流装置与电网和外界进行双向能量交换，发电机的无功功率可以自由地调节，所以无功下降的幅度不大。因为是有载调压控制，风电场的电压基本维持不变，说明系统能稳态运行。
图5-5风速变化引起的风电场变化仿真图
5.3.2风速变化对电网的影响
图5-6是风速变化时，电网的运行情况的仿真图。考虑有载调压模式下风速变化对节点4、节点2、节点l电压及节点2的有功功率和无功功率的影响。风速变化引起的局部电网电压波动并不显著，由于风电场出力大幅度增加引起其他发电厂(节点2)的出力大幅度降低，从对系统提供有功功率到吸收系统的有功功率，功率的缺额由风电场提供。另外，为了补偿风电场的无功功率需求，发出的无功功率明显增多。所以这样的风速变化对系统的稳定运行没有明显影响[21]。
图5-6风速变化对电网的影响仿真图
5.3.3负荷扰动下对风电场的影响
图5-7为离风电场较远的电网110kV系统接入点(节点4)出现阶跃变化时的风电场电压、电流、有功和无功的变化情况。在有载调压模式下，在t=5s时，出现扰动，在0.5s后风电场的电压经过暂态变化，基本维持不变[22]；电流经过一阵波动之后也趋于稳定，有功和无功的变化稍微剧烈一些，风电场的有功功率在波动后略微有些下降，最后维持。在电压下降期间，由风电场5Mvar的无功提供电压支持来维持发电机电压在门槛值以上。
图5-7负荷扰动对风电场的影响仿真图
5.3.4负荷扰动下对电网的影响
考查1l0kV系统接入点(节点4)出现阶跃变化时对电网中节点4、节点2、节点1电压及节点2的有功功率和无功功率的影响各节点电压、有功功率和无功功率的情况。图5-8表示风电场的节点4的负荷发生变化时电网各节点电压、有功功率和无功功率的情况。各节点电压波动比较大，节点4的电压甚至下降超过允许的下限，0.5s后系统恢复稳定。
图5-8负载的扰动对电网的影响仿真图
5.3.5单相接地故障对风电场的影响
考查10kv系统即节点2、3之间的30km的一回输电线路发生单相接地故障时风电场出口的电压、电流和有功功率及无功功率的变化。发生短路的时故障持续的时间短，在有载调压模式下，风电场电压降在低压保护的门槛值之上，故障切除以后，风电场
依然正常运行。
图5-9单相接地对风电场的影响仿真图
5.3.6单相接地故障对电网的影响
考查10kV系统即节点2、3间出现单相接地故障时对电网中节点4、节点2、节点l电压及节点2的有功功率和无功功率的影响。节点2、3间出现单相接地短路故障对电网各节点电压及有功功率和无功功率的变化情况[23]。节点1、2的电压波动较大，但故障一经切除，系统又会恢复正常运行状态，由此可见，这样的故障对系统的正常运行影响不大。
图5-10单相接地对电网仿真影响
5.3.7三相短路故障对风电场的影响
考查节点2、3之间的30km的一回输电线路发生三相短路故障时风电场出口的电压、电流和有功功率及无功功率的变化。有载调压下，风电场在故障时刻的电压急剧下降至零，风电场的有功功率也降为零，风电场与系统解列[24]。
图5-11三相短路对风电场的影响
5.3.8三相短路故障对电网的影响
考查节点2、3之间的30km的一回输电线路发生三相短路故障时对电网中节点4、节点2、节点1电压及节点2有功功率和无功功率的影响。在有载调压模式下，在故障时刻节点2、节电1电压大幅下降至0，保护动作，风电场与电网解列。故障切除后，风电场重新投入运行，需要从系统吸收大量的无功。风电场稳定之后开始为系统提供无功，电压得到恢复，输出的有功功率变化不大。
图5-12三相短路故障对电网的影响的仿真图
5.4小结
仿真分析了含有六台风力发电机的风电场接入系统的响应情况，结果表明：
(1)通过仿真结果可以看出，在风速变化和轻微的负荷扰动情况下运行时，电网的节点电压，电流及功率分布将会随着风电场输出功率的变化而波动，但风电场和电网仍然能够稳定运行；当比较严重的故障下，如单相接地和三相短路故障时，电压急剧下降，低压保护装置动作，风电场与电网解列，故障切除后，风电场重新投入运行。
(2)通过在风力发电机端口所加的控制措施，即在有载调压，风力发电机的电压基本稳定，功率基本平衡，有效的改善了并网风电场运行性能，提高了风电系统运行稳定性和电能质量
。
6结论与展望
本文在建立风电机组和风电场模型以及仿真分析方面做了大量工作，主要总结如下：
(1)介绍了风力发电系统，阐述了并网风力发电的基本原理，建立了基于双馈型异步风力发电机的风力发电系统的模型，主要包括风速模型、风力机模型、双馈型异步风力发电机模型。
(2)以大型风电场与无穷大系统为例，通过所建立的数学模型，利用MATLAB/Simulink及其仿真环境实现了风力发电系统动态仿真。仿真结果表明在风速变化和轻微的负荷扰动情况下运行时，风电场和电网仍然能够稳定运行；当系统在比较严重的故障下，如单相接地和三相短路故障时，风电场的电压急剧下降，低压保护装置动作，风电场与电网解列，故障切除后，风电场重新投入运行。风电场和电网运行是动态稳定的。
风力发电系统是一个非常复杂的系统，它综合了空气动力学、材料学、电力学、控制技术和计算机技术等多领域的知识。本文做了一些关于双馈型异步风力发电系统并网运行对系统影响的基础性研究工作，尚有许多有待进一步深入进行的研究，例如研究新型的风力发电系统的运行机理，优化风电场内部风力机的排布和配置，有利于风电场的运行，可以提高风能的利用率。此外，在风能占较大比重的电网中，风力发电机组的突然切除会导致电网不稳定，因此，可以开发有效的风能存储装置，使得风力发电机组输出的功率可以短时存储。
致 谢
四年的大学生活即将画上一个句号，这段时间在一生中虽然短暂，但是对我的意义将永恒，期间有收获，有快乐，有苦亦有甜。在这里我最想感谢那些给与我帮助与支持的人。
感谢孟鹏老师，无论在学习上还是在生活上都给与了很多关心与指导。课题的选题和完成，以及论文的形成和审阅，导师花费了大量的心血，我取得的成绩一点一滴都来至于老师的热情鼓励和悉心指导。在生活中也经常关心，解疑答惑，给我很多启迪。老师治学严谨，勇于创新，学识渊博，淡定自信，是我学习的好榜样。感谢感谢老师在学业上的指导，老师忘我的工作态度和对知识的准确把握让我很是敬佩。
感谢辅导员金老师对我们学业上的关心，感谢已经毕业的学长，感谢班上的同学给与我的支持。我们是团结的大家庭，与你们相处的时间里是我大学生活里最美好的回忆和最宝贵的财富。我们的情谊地久天长，感谢电信院其他老师对我们的支持与鼓励，我将以努力的工作和学习来报答你们。
感谢我的家人，是你们的亲情让我永远不会感到疲倦，你们是我最爱的人，你们的帮助是我轻松前行，你们的照顾让我倍感温暖和快乐。
谨以此文献给所有关心、支持和帮助我的老师、亲人和朋友们！
最好向阅读本文的老师致敬！
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本科生毕业论文(设计)考核表
| 学生姓名 | 汪云龙 | 学号 | 103522002 | 总评成绩 | 等级 | |
| 专 业 | 电气工程及其自动化 | 班级 | 10电气（2） | |||
| 分数 | ||||||
| 指导教师 | 孟鹏老师 | 职称 | 讲师 | |||
| 论文题目 | 风电场对电力系统运行影响的初步研究 | |||||
| 成绩（分数） | ||||||
指导教师（签字）：
| 年 月 日 |
| 成绩（分数） |
批阅教师（签字）：
| 年 月 日 | |
| 成绩（分数） |
答辩小组组长（签字）：
| 年 月 日 |
填 表 说 明
1、指导教师评语填写内容：
1）完成“毕业论文任务书”规定工作的情况；
2）创新性评价；
3）写作的规范化程度；
4）学习态度；
5）存在的问题；
6）是否可以提交答辩。
注：指导教师要根据学院制定的评分标准对学生的毕业论文（设计）进行全面客观评价。评定分数为百分制（0~100分）。
2、批阅教师评语填写内容：
1）论文选题的价值与意义； 2）创新性评价；
3）工作量大小； 4）写作的规范化程度；
5）存在的问题； 6）是否可以提交答辩。
3、答辩委员会（小组）评语填写内容：
1）论文选题的价值与意义； 2）创新性评价；
3）工作量大小； 4）写作的规范化程度；
5）答辩过程情况 6）论文撰写质量
7）成绩等级
注：1.答辩小组要根据学院制定的毕业论文（设计）评分标准，对学生毕业论文（设计）及答辩过程表现进行全面客观评价。
2.评定分数为百分制（0~100分）。
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