风电场模型及其对电力系统的影响

第31卷增刊2 电 网 技 术V ol. 31 Supplement 2 2007年12月Power System Technology Dec. 2007文章编号：1000-3673（2007）S2-0330-05中图分类号：TM938文献标识码：A学科代码：470·4017 风电场模型及其对电力系统的影响娄素华1，李志恒1，高苏杰2，吴耀武1（1．华中科技大学电气与电子工程学院，湖北省武汉市 430074；2．国网新源控股有限公司，北京市东城区 100005）Wind Farms Models and Its Impacts on Wind Farms Integration into Power SystemLOU Su-hua1，LI Zhi-heng1，GAO Su-jie2，WU Yao-wu1（1．School of Electrical and Electronic Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，Hubei Province，China；2．State Grid Xin Yuan Company Limited，Dongcheng District，Beijing 100005，China）摘要：介绍了风力发电系统建模的一般思路及常用的风电场模型，然后对风电并网几个重要课题的分析方法进行了研究，比较了适用于不同研究目的的风电场模型的优劣及相应的分析方法，指出了风电场建模方法存在的主要文体，总结了风电接入对系统影响的几个主要方面。

关键词：风力发电；风电场模型；潮流；电能质量；稳定性0引言作为一种可再生能源，风电由于其分布较广的特点及其相对成熟的开发技术而在全世界得到了长足的发展。

风电的优势在于其环境友好性，但它的缺点也是很明显的：风力的随机性和间歇性不能保证输出平稳的电力，这对电力系统的稳定性以及发电和运行计划的制定带来很多困难；风电场一般远离负荷中心，承受冲击的能力很弱，随着风电装机规模的扩大，风电的不可控性将给电力系统带来新的挑战。

因此，合理地对风电场建模、分析风电的容量可信度[1-2]、研究风电与其它电源的配合问题对于保证含风电系统的安全经济运行十分重要。

本文对风电并网的不同研究领域所采用的风电模型及其分析方法作了系统地对比和分析，指出了上述模型和分析方法的优点和局限性；总结了风电接入对系统影响的几个主要方面，这将会有助于分析系统中其它电源与风电的配合问题。

1风电场模型1.1 风力发电机组动态建模的基本理论1.1.1 风的统计理论与风速建模风是风力发电的源动力，与发电部分具有独立性。

风的自然特性包括风向和风速，具有间歇性、随机性和难以预测性。

风向与风速的建模是风力发电机组建模的重要组成部分。

在风力发电系统的研究中，人们更多地关注风速的特性，而弱化风向的影响。

在描述风速的分布函数中，最常见的是Weibull分布[3-4]，其分布函数为w()1exp(/)kF V V C=−−(1) 式中：C为尺度参数；k为形状参数；V为风速。

文献[3]以Weibull分布为基础，使用时间序列自动回归和移动平均技术模拟风速。

文献[4]借助于马尔科夫链和Weibull分布对风速、风向进行随机性分析建模，并在模型中考虑了风速和风向的相关性。

Weibull分布侧重于对风能资源的统计描述，它表示的是风速在10min或更长时间内的平均值。

在与风速相关的动态建模中，经常使用4分量模型，该模型将风分为基本风、阵风、渐变风和随机风4个部分[5]，PSCAD仿真软件使用的就是这种模型。

目前，这种模型的局限性在于没有给出确定阵风分量参数的方法，仅适用于简单的模拟计算。

现在的风力发电系统研究中，更多采用的是平均风速与湍流分量相叠加的风速模型。

在这种模型中，风速均值在数分钟至数十分钟的时间尺度内保持不变，风速的变化由湍流分量给出，而湍流分量作为一个平稳的随机过程来处理。

1.1.2风力发电机组模型一个典型的风力发电系统主要包括风力机、传动机构、发电机和相应的控制系统4个模块。

风力机结构复杂，在模型中人们关注的主要问题是风速与机械出力的关系，一种常见的处理方法是由风力机铭牌数据得到风力驱动产生的动力转矩[6]，或通第31卷 增刊2 电 网 技 术 331过理论推导得到风能到机械能的传递公式。

风力发电机组的机械传动系统由风力机、低速轴、高速轴组成，文献[7]用数据辨识的方法建立风力机的数学模型，但这种方法建立起来的传递函数很难与发电机的微分方程模型接口。

传动机构机理建模非常复杂，人们往往对其进行简化，文献[8-9]将传动轴等效为2或3个质量块，以分析其机械动态特性。

根据研究目的的不同，也可以对其作更大的简化，如把整个传动机构视为一个刚体，用1阶惯性环节来表示特性[10]，其表达式为m h d ()/d mM M M T t=− (2) 式中：M 与M m 分别为传动机构的输入与输出转矩；T h 为轮毂时间常数。

根据风力发电过程中桨距的变化和发电机的运行特点[11]，可将风力发电机组分为3类：定桨距风力发电机组；变桨距风力发电机组；变速恒频风力发电机组。

国外变速风力发电机已经成为风力发电机的主导产品，容量以兆瓦级为主。

定桨距风电机组与变桨距风力发电机组同属于恒速恒频发电机组。

目前恒速恒频机组在风电机组中占的比例较大，恒速恒频发电机组由于会从电网中吸收无功电流建立磁场，因而会导致电网的功率因数变差。

基于双馈发电机的变速风力发电机组具有较好的网络兼容性且能够降低系统的机械负载[12]，可减小风力机的机械应力，最大限度地捕获风能，使风轮机在大范围内按最佳效率运行，并且可以减小因阵风、塔影效应等对输出功率的影响，降低对变桨距系统快速性的要求，因而广泛用于大型风力发电机组。

双馈异步发电机稳态分析模型主要依据经典的异步机理论。

随着计算机技术的发展，发电机较详细动态模型的研究也在深入，一般来讲，风电机组机电暂态模型足以表征系统暂态时风电机组的特性[13]。

控制策略的选取，因不同的机组和不同的控制目标而不同。

但总体而言，对风力机部分，控制的目标是提高风力机的能量转换效率和保证风力机功率输出平稳；而对发电机部分，控制的总体目标是保证供电可靠性、电能质量和经济性。

1.2 风电场整体建模与常规的发电厂不同，一个容量较大的风电场内往往有数量众多的风力发电机组。

风电场内风力发电机组的位置不同，由于尾流效应的影响，各风机获得的风能大不相同。

另外，由于各风机间的相互影响使得风电场作为一个整体表现出了与单个风机不同的特性。

在与风电接入系统相关的研究中，一般不需要把关注的焦点放在风电场内部机组之间复杂的联系上，往往将风电场的整体特性作简化处理，以下是几种常见的简化处理方法：（1）对风电场进行单机等值。

由于一个风电场内各台风机之间的电气联系紧密，在系统事故情况下，各台风机的反应十分相似，工程上可以采用加权求和的办法近似模拟这个风电场的反应[14]。

文献[15]采用等值发电机代替一个风电场的风机群，聚集后的风电场模型在连接点处具有相同的电压、电流和功率响应特性。

风电场模型的参数与单个风机相同，只是其额定功率为所有风电机组之和。

（2）运用风机功率特性曲线来描述风能—电能的转换。

在研究风电场输出随风速变化的波动性时，这种方法非常普遍[16]。

此类方法完全不计发电机和传动机部分的特性以及风机之间的相互联系，直接将输出功率与风速相联系。

此方法仅用于描述风电机组出力随风速变化的波动趋势，精确度和应用范围都十分有限。

（3）将风力发电机组作PQ 节点处理。

PQ 或RX 模型常用于稳态分析，如潮流计算以及从功率波动的角度来研究含风电的电力系统的电压变化，主要优点在于其简洁性，但文献[17]将其线性化后也作风力发电机组的动态分析模型。

在风电场建模方面，除了上述的机理建模分析以外，有时也用系统辨识的方法对风电系统进行建模。

针对系统的输出可测、输入难以定义或测量的特点，可用随机建模或时间序列建模方法。

系统辨识方法的缺点是不能反映动态过程的物理本质，因此有人考虑将机理建模和测试法建模结合起来，即“灰箱”建模。

此外，另外一些新的方法是值得关注的，如神经网络、专家系统、黑箱建模等，这些都是针对高阶次、非线性模型的有效处理办法。

2 风电并网的相关问题2.1 概述风电场容量的增大对系统的影响也越来越明显，专家和学者对风电场并网相关课题的研究也在逐步深入。

电网对风电的要求已经从电能质量进一步发展到暂态稳定、事故后自动恢复、调频调压、直接调度等[14]，研究制定风力发电接入电网的导则332 娄素华等：风电场模型及其对电力系统的影响 V ol. 31 Supplement 2已成为电力公司的当务之急。

风电接入系统后的影响主要有以下几个方面。

2.2 含风电场的电力系统潮流计算风电、尤其是大容量的风电场接入电力系统后，将会对电力系统的规划、设计、运行、继电保护等产生重要的影响，而潮流计算是量化分析此类问题的基本手段。

小容量的风电机组可直接接入配电网，这就改变了传统的电源功率单向流动的特点，因此有必要研究加入风力发电机组后的电力系统潮流与网损。

目前，有关含风电的电力系统潮流计算的研究还较少。

由于风力发电机组多采用异步机，且电能输出波动性较大，在潮流计算中通常将风力发电机组作为PQ 节点，将有功功率和无功功率作变量处理，迭代求解。

在此类处理方法中，要用到异步机的模型来处理各变量之间的关系。

在建立风电的PQ 模型时，把风电的有功功率作为风速的函数，即3p /2P c AV ρ= (3)式中：ρ为空气密度；c p 为风能利用系数；A 为风轮扫过的面积；V 为风速。

由于风速是变化的，因此P 是一个变量。

无功功率的表达式借助于发电机稳态模型参数，与机端电压、吸收的有功功率和转差等因素有关，根据不同的发电机组和精度要求，其表达形式多样[18]。

另外，在有关风电的潮流计算中，也可将风电机组作RX 节点处理，通过不断的迭代修改异步机的滑差达到潮流计算的目的。

相对于PQ 节点，风电做RX 节点处理时迭代次数较多，但可得到更精确的结果。

2.3 电能质量2.3.1 电压波动和闪变风能的不确定性和风力发电机组的本身的运行特性使得风电机组的输出波动较大，这使得关于并网风电质量的研究有别于传统的发电机组，人们对如何定义、测量和评估风电并网对电能质量的影响展开了深入地研究。

文献[19]是关于并网风电机组电能质量测量与评估的一套公认的标准，其定义的并网风电机组电能质量特征参数包括风电机组额定参数、最大允许功率、最大测量功率、无功功率、电压波动和谐波等，其中电压波动和闪变的测量与评估是有关电能质量研究的重点[20]。