双馈异步发电机风电场聚合模型研究_夏安俊

1 双馈风电机组详细模型
双馈发电机模型主要包括：风轮模型、传动链
模型、发电机及变流系统模型和控制系统等。
1.1 风轮模型
风力机从外界自然风中捕获的机械功率为
Pmech
=
1 2
ρ
ACP (λ, β
)v3
(1)
式中：Pmech 为风轮捕获的机械功率；ρ 为空气密度；
A 为风轮的扫风面积；CP (λ, β ) 为风能转换系数，λ
节叶片的桨距角来限制机组捕获的风能，使机组保
持恒功率输出；当风速低于额定值时，桨距角则保
持在最佳位置(通常是 0 度)，使风力机能够最大限
度的吸收风能。因此，在风速低于额定值时，对风
力机捕获的机械功率有直接影响的机组状态量是
叶尖速比 λ 。由图 1 可知，风能转换系数 CΡ (λ, β ) 随 着 叶 尖 速 比 λ 的 变 化 而 变 化 ， 当 λ = λopt 时 ， CΡ (λ, β ) = Cpmax ，机组运行在当前风速下的最大功
Cpmax 分别为机组的最佳叶尖速比和风能转换系数
最大值。
图 1 风能转换系数与叶尖速比之间的关系 Fig. 1 Relationship between the wind energy conversion
coefficient and the tip speed ratio
当风速大于额定值时，变桨距风电机组通过调
基金项目：国家 863 高技术基金项目(2011AA05A103)。 The National High Technology Research and Development Program of China(863 Program)(2011AA05A103).
含 4 台参数相同的 2 MW 双馈风电机组风电场详细模型和 相应的等值模型，通过仿真分析分别对比这 2 种模型在随机 风速和电网故障情况下的输出特性。结果表明，该方法得到 的等值聚合模型具有很高的精度，适用于具有相同参数双馈 风电机组的风电场建模。
KEY WORDS: wind power generation; doubly fed induction generator; wind farm; equivalent modeling; aggregated model
摘要：提出了一种风电场内输入风速不同的多台风电机组的 单机等值建模方法。在机组参数相同的条件下，以风电场的 有功功率及无功功率输出、动能的变化率、传动链损耗保持 不变为原则，对机组的风轮、传动链、发电系统及主控系统 进行等值变换，给出了相关参数的计算方法，同时给出了等 值风速的计算方法。以“在公共连接点短路阻抗相等”为 原则，对风电场内的电力网络进行单阻抗等效。建立了包
综上所述，风电场内各机组输入风速的差异 直接决定了由分群法得到的风电场聚合模型的复 杂程度和由倍增法得到的风电场单机等值模型的 精度。
因此，针对分群法和单机等值法存在的问题， 本文提出一种新的建立风电场模型的单机等值方 法，可实现对不同风速下、处于不同运行状态的风 电机组的等值聚合，与风电场详细模型在机电暂态 及电磁暂态特性方面有良好的相似性。然后以双馈 风电机组组成的风电场为例，详细阐述相同参数的 风电机组的等值聚合原理以及相应等值风速的计 算方法。最后在 Matlab 软件中建立相应的详细模型 和等值模型，并进行仿真验证，证明本文提出的方 法的有效性。
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夏安俊等：双馈异步发电机风电场聚合模型研究
Vol. 39 No. 7
在本质上是将风速相近的机组分为一群，当风电场 内风速的水平切变分量较大时，场内不同排风力机 的风速将存在较大差异，同时由于尾流效应的存在， 同排风力机的风速也很难保证一致，从而导致风电 场内机组分群数量的增加。采用该方法得到的风电 场聚合模型的复杂程度取决于机组的分群数量，而 分群数量又由外部风速所决定，因此该方法存在的 根本问题是模型输入条件与模型本征结构强相关 而难以达到常规建模的目标，没有解决不同输入风 速的风电机组的聚合问题。
风电机组的单机等值法主要有 2 种。第 1 种方 法是将风电场内所有发电机用 1 台机等值，而风电 场模型输入的机械功率取各单台机组的机械功率 之和[5-6]。第 2 种方法是根据机组的功率曲线和各台 机组的输入风速来计算风电场模型的等效风速[7-8] 或者直接取风电场平均风速作为等效风速，然后将 该等效风速作为单机输入，最后根据机组的数量倍 乘该单机的输出得到风电场的整体出力，即所谓的 倍增模型。第 1 种单机等值法需要分别计算各台机 组的机械功率并求和才能得到整个风电场的等效 机械功率，从原理上来说该方法并不是用 1 台等效 的风力机模型来代替整个风电场[7]，因此该聚合模 型与实际风电机组模型还是有很大差异的。倍增模 型从本质上说就是将 1 台机组的输出功率放大一定 倍数来等效多台风电机组整体出力，按容量加权等 值对风电机组的参数进行聚合。风力机的有功出力 与机组输入的风速没有简单的线性关系，因此当被 聚合的风电机组的输入风速及自身运行状态量(如 转速、加速度、叶尖速比和桨距角等)不一致时，等 值模型的精度将受到影响。
目前风电场聚合模型的建模方法主要有分群 法和单机等值法[2-4]。分群法是按照一定的准则对风 电场内的机组进行分群，然后对同群机组进行聚合 等值，最后可得到由多台机组等值的风电场模型。 分群法包括基于支持向量机对具有相近风速的机 组进行分群的方法、基于马尔可夫链统计学的同调 机组分群法、基于变桨距风电机组的桨距角分群法、 基于三维相关系数的矩阵分群法等[2-3]。上述分群法
ABSTRACT: A single-unit equivalent modeling method for multi wind power generating units in a wind farm under different wind speeds is proposed. Under the same parameters of the generating units and based on the principle that the active and reactive power outputs of the wind farm, the kinetic energy change rate and the loss of the drive trains are kept constant, the equivalent transformation of wind wheel, drive train, generation system and main control system are performed and the computing methods for relevant parameters as well as that for the equivalent wind speed are given. Taking the equality of short-circuit impedances at the point of common coupling (PCC) as the principle, the single-impedance equivalence of power network within the wind farm is carried out. A detailed model of a wind farm composed of four double fed induction generators (DFIG) with rated capacity of 2 MW, which possess the same parameters, and corresponding equivalent model are built, and the output characteristics of the two models during stochastic wind speed and under power grid faults are respectively compared and analyzed by simulation results. Simulation results show that the equivalent aggregated model obtained by the proposed method possesses high accuracy and suits to the modeling of the wind farm composed of DFIG units with same parameters.
关键词：风力发电；双馈风电机组；风电场；等值建模；聚 合模型 DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2015.07.018
0 引言
随着并网风电容量的增加，风电场的动态特 性将对电力系统产生较大影响。为了研究包含大 规模并网风电的电力系统的动态特性，需要建立合 适的风电场模型。目前，风电场的建模方法主要有 2 大类[1]：1）详细模型，即由各台风电机组模型 和风电场内输电线路和变压器等组成的全仿真模 型。2）风电场聚合模型，即在电力系统研究中用 单台风电机组来等效整个风电场，使其外特性一致。 详细模型由于包含了风电场内所有的风电机组以 及大量的输电线路等，因此其阶数及时域仿真所需 时间将随着机组数量的增加而增加。而风电场聚合 模型则是将风电场看成一个整体，用单台等值模型 来模拟风电场的稳态和动态特性，可降低风电场模 型的阶数及仿真的计算量。
第 39 卷 第 7 期 2015 年 7 月
文章编号：1000-3673（2015）07-1879-07
电网技术 Power System Technology
中图分类号：TM 614 文献标志码：A
Vol. 39 No. 7 Jul. 2015
学科代码：470·4047
双馈异步发电机风电场聚合模型研究
为叶尖速比， β 为叶片的桨距角； v 为风速。
在风速一定的情况下ห้องสมุดไป่ตู้风力机捕获的机械功率
将随着风能转换系数 CP (λ, β ) 的变化而变化。风能 转换系数 CP (λ, β ) 是桨距角 β 及叶尖速比 λ 的二元 函数；当桨距角 β 不变时，风能转换系数 CP (λ, β ) 与 叶尖速比 λ 之间的关系如图 1 所示，其中 λopt 和
率点上，实现最大风能捕获。
1.2 传动链模型 风电机组的传动链通常用双质量块模型表示[7]：
⎧⎪Twt − Tmec = Jwt ⎪⎪Tmec = Dmec (Ωwt
dΩwt
dt − Ωg
)
+
⎨ ⎪
Kmec ∫(Ωwt − Ωg )dt
(2)
⎪ ⎪⎩Tmec
− Te
=
Jg
dΩg dt
第 39 卷 第 7 期
夏安俊 1，鲁宗相 1，闵勇 1，阮佳阳 1，赵俊屹 2，杨超颖 2
（1．电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室(清华大学)，北京市 海淀区 100084； 2．国网山西省电力公司，山西省 太原市 030001）
An Aggregated Model of Wind Farm Composed of Doubly Fed Induction Generators
XIA Anjun1, LU Zongxiang1, MIN Yong1, RUAN Jiayang1, ZHAO Junyi2, YANG Chaoying2
(1. State Key Lab of Control and Simulation of Power System and Generation Equipments(Tsinghua University), Haidian District, Beijing 100084, China; 2. State Grid Shanxi Electric Power Company, Taiyuan 030001, Shanxi Province, China)