双馈异步发电机风电场聚合模型研究_夏安俊
基于双馈异步发电机的风力发电系统研究
0 引言风力发电作为清洁、无污染的可再生能源具有独特的优势。
当系统在这个最佳运行点运行时，转速存在一个最优数值使系统吸收的风能达到最大值，系统整体的发电效率才能发挥到最大。
当前的双馈风力发电机组大多采用的是矢量控制的方法，这样一来发电机转速就可以根据风速来改变。
1 双馈电机参数的计算本文采用的是LM 的方法来拟合出电流的波形。
根据上面推导出的双馈电机跌落状态下的瞬时电流表达式，我们得知，瞬时电流表达式可以分成三个电流，其中dc i 代表的是直流分量，它是不变化的常量，主要由电机构成的参数和转差率来决定。
1i 和(1-s)i 分别代表的是电流的基波分量和谐波分量，它们是变化量，不仅受到上两个因素的影响还会受到转子提供的励磁电压的影响。
为了降低参数辨识的误差率，我们依据瞬时电流特性来进行下面分析，谐波分量(1-s)i 随时间不断地的在衰减；而直流分量与基波分量不随时间衰减，我们可以对波形进行分析，将电流波形中谐波分量、基波分量和直流分量波形分离出来，将发电机电流波形分为两组分别进行分析，谐波分量单个为一组，而基波和直流分量二者和为一组，在dq 坐标下采用最小二乘法的算法，去辨识这两组的各个参数。
将式21表示为以t 为自变量，a 0、a 1、…、a 6参数的非线性方程：016(;,,,)()k k k k k i i t a a a e i t e =+=+（1）通过对各波形进行曲线拟合，就可以得到各电流分量对应的数学表达式中各系数值123a h g g 、，利用待定系数法解可以得到式中电机参数122m L L L r 、的值。
21223(-1)(-)s s a b r h L r aLg g = + = ==（2）2 双馈风力发电机仿真首先在Matlab/Simulink 中建立双馈风力发电机的仿真模型，在电力系统中，仿真一个额定有功功率为9MW 的发电站are calculated. MATLAB software is used to simulate the waveform of the system under certain wind speed and variable wind speed, and when the wind speed does not change, the influence of three-phase short circuit at the wind turbine outlet on the wind speed is also simulated.Keywords: Doubly fed wind turbine ；motor parameters ；parameter identification ；Simulation基金项目：营口理工学院2019年大创项目“《过程控制及仪表》远程教学实验系统开发（201914435017）”；营口理工学院2019年大创项目“道岔融雪远程控制系统关键技术研究（201914435020）”；2020年辽宁省自然科学基金联合基金——区域创新联合基金计划“波浪能海水淡化装置开发与远程控制系统应用（2020-YKLH-32）”；2019年营口理工学院精品资源共享课过程控制及智能仪表（JP201902）。
双馈异步风力发电机建模与仿真研究
行速度 的 范围 内均 有最佳 风能利 用系数 。 构 图 结
变 速恒频风 电机组 的发 电机部分 多采用 双馈感 如 图 １ 所示 。 应发 电机 。如参 考文献 【】采用 的是 ａ ／ｂ 混 合 ２ ｑａ ｃ 坐标 下的 电机模 型 ， 该模型考 虑 了双馈 电机 转子 绕 组与系 统 问变流 器 的作用 ， 建立 了适用于谐 波分 析
真系统中， 分别建立 了空载发 电机模型和并网发电
－ － － － － ・ —
涡 轮
・
●
的双馈 电机动态 模型 ，但模 型阶数较 高 ； 考文献 参
［】以双 馈 电机 运行机 理为 出发点 ，根据 磁链 、电 ３
－ － — — －
＿． ＿
势、电流 的关系 推导 出双馈 电机 动态 数学模 型 ， 该 模 型结 构简单 ， 需要补 充模拟 转子绕 组励 磁 电压 但 特 性的控制 变量 ， 与发 电机 的电气 受控 变量之 间控
张照彦 ，马永光
（． 北 电力大 学 仿真 与 控制 技 术 研 究所 ，河 北 保 定 ，０ １０ ；２ 华 北 电力 大 学 控 制 与计 算 机 工 程学 院， １华 ７ ０３ ．
河 北 保 定 ，０ １０ ） ７ ０ ３
摘要：阐述 了双馈异步风 力发电机 的工作原理 ，并建立 了双馈异步发 电机的数 学模型；分析研 究了双馈异 步发电机 并网前定子 电压控制与并网发 电后的有功无功控制原理； Ｓ Ａ ・０仿真支撑平 台上建立仿真模 在 Ｔ Ｒ９ 型 ，并进行 了仿真和 实验 ，验证 了双馈异步发 电机模型和控制模型的正确性和有效性。
收稿 日期 ：２ ０ －０ — ２ ０９ ９ ２ 。
双馈异步风电机组机侧转速控制器的设计与仿真研究
(7)
ψrq=Lmisq+Lrirq
(8)
式中：Lr 为转子漏感和励磁电感之和。
电磁转矩 Te 及运动方程为：
Te=
3 2
np(ψsdisq–ψsqisd)
(9)
Te–TL=J
dΩr dt
=
J np
• dωm dt
(10)
式中：TL 为拖动转矩；J 为转动惯量；np 为
磁极对数；Ωr 为转子机械角速度。
方程转换为两相同步旋转坐标方程，DFIG 定子 侧数学模型为 ： [5,7]
usd=Rsisd+
dψsd dt
.ωsψsq
(1)
usq=Rsisq+
dψsq dt
+ωsψsd
(2)
式中：usd、isd 和 usq、isq 分别为定子 d 轴和
q 轴的电压、电流分量；Rs 为定子各相绕组电阻；
ψsd、ψsq 分别为定子磁链 d 轴、q 轴分量；ωs 为
中图分类号：TK513.5
文献标志码：A
0 引言 为落实中国节能减排目标，近年来中国风电
机组装机容量快速增长，在总装机量中占比不断 提升。根据中国电力企业联合会发布的 2023 年 1—2 月电力工业运行简况，截至 2023 年 2 月， 中国风电机组装机容量为 3.7 亿 kW，占总装机 量的 14.20%[1-2]。目前大规模并网运行的风电机 组可分为两类：永磁直驱风电机组 (PMSG) 和双 馈异步风电机组 (DFIG)。DFIG 由于其发电机 ( 绕 线式 ) 和变流器造价低廉，在额定功率为 2 MW 及以下的风电机组类型中广泛使用。
current inner loop
其开环传递函数为：
双馈异步风力发电系统设计与仿真研究的开题报告
双馈异步风力发电系统设计与仿真研究的开题报告【标题】双馈异步风力发电系统设计与仿真研究的开题报告【研究背景及意义】随着风力发电技术的不断发展和应用，以及对新能源的需求不断增加，风力发电系统已经成为国内外能源领域的热点之一。
双馈异步风力发电系统由于其具有高效性、可靠性和稳定性等优势，已经成为目前风力发电系统中的主流技术之一。
研究双馈异步风力发电系统不仅可以深入了解风力发电技术的各种问题，还可以进一步提高其效率和稳定性，为新能源发电做出更大的贡献。
然而，由于其复杂性和技术难度，目前双馈异步风力发电系统的研究仍然有待深入。
因此，本研究旨在设计并仿真双馈异步风力发电系统，探讨其特性与优化方法，为风力发电技术的发展作出一定的贡献。
【研究内容与方案】1. 分析双馈异步风力发电系统的工作原理和结构特点，探讨其与传统风力发电系统的区别和联系。
2. 设计双馈异步风力发电系统的主要参数和控制策略，建立相应的数学模型。
3. 在Matlab/Simulink环境下进行仿真，分析双馈异步风力发电系统的特性，包括电气特性、动力特性、运行稳定性等。
4. 针对仿真结果进行分析，探讨双馈异步风力发电系统的优化方法，包括控制策略的改进、调节器参数的优化以及系统故障的处理等。
【研究步骤和时间安排】研究步骤分为以下几个方面：第一阶段（1-2周）：查阅相关文献，了解双馈异步风力发电系统的基本工作原理和特点。
第二阶段（2-3周）：设计双馈异步风力发电系统的主要参数和控制策略，建立相应的数学模型。
第三阶段（3-4周）：在Matlab/Simulink环境下进行仿真，分析双馈异步风力发电系统的特性，并针对仿真结果进行优化改进。
第四阶段（1-2周）：总结研究成果，起草论文；制作项目报告和答辩准备。
【研究预期目标】1. 设计和仿真出双馈异步风力发电系统，并对其进行深入的特性分析，包括电气特性、动力特性、运行稳定性等方面，以期深入探索其工作机理和性能指标。
双馈异步和永磁同步风力发电机特性分析
双馈异步和永磁同步风力
发电机特性分析摘要：本文分析了双馈异步和永磁同步风力发电机的工作原理，详细比
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率，可使定子频率恒定，即应满足：。
为定子电流频率，由于定子与电网相连，所以与电网频率相同；为转子机械频率，，p为电机的极对为转子电流频率。
n<n1（n1是定子旋转磁场的同步转速）时，处于亚同步运行状态，此时变流器向发电机转子提供交流励磁，发电机由定子发出电能给电网；
n>n时，处于超同步运行状态，此时发电机同时由定子
统类似，只是所采用的发电机为永磁同步发电机。
式中，—电网频率（H z）；—发电机定子输出频率Hz）； K—功率变换器频率变比。
当转速变化时，发电机定子输出频率也跟随变化，通过功率变换器将定子发出的变频变压的电能转换为与电网频率幅值一致的稳定电能。
图3 DFIG和PMSG发电量比较
结论
（1）从结构分析来看，DFIG和PMSG在技术参数上各有优缺DFIG相比PMSG变流器容量小，易于安装和维护，成本低，发电机结构简单，重量和体积比同步发电机大大减小。
但低电压穿越功能不强，需要在变流器中额外增加模块，现在DFIG的市场认可度较高，但由于其低电压穿越能力不好，所以，如果国家以后出台并网要求相关规定后，市场将倾向于同步风力发电机组。
（2）就技术成熟度来讲，目前国内外DFIG技术成熟，国内大多数兆瓦级风机均采用该机型，而PMSG国内该方面的技术尚处于研发阶段，产业链不完善，基本要依赖进口。
（3）就成本来讲，双馈式风力发电机组比同步风力发电机
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AUTOMATION PANORAMA。
双馈异步发电技术在风力发电中的应用
双馈异步发电技术在风力发电中的应用摘要：伴随着社会经济的高质量稳步增长，绿色生态环境保护理念在人们心中的份量也越来越重，对于绿色能源的应用越来越多。
风力发电技术是属于绿色可再生能源驱动下的现代化发电技术，双馈异步发电技术是一种采用风力机叶片桨距可调节的发电机组所应用的技术和变速恒频运行方式，其大多用在现代兆瓦级以上的大型并网型风力发电机组中，其在风里发电中的应用可实现风里发电机组内部机械负载机优化电力系统电网质量。
本篇文章将在明确双节馈异步发电技术运行原理基础上，谈一谈其目前在风力发电当中的有效应用。
关键词：双馈异步发电技术；风力发电；应用要点随着全球气候变暖以及环境污染的日趋严重以及资源与能源的过渡开采，全球范围内都出现了十分严重的能源危机，尤其环境的恶化和技术的快速进步使得能源消耗不断加剧，不可再生能源存量的日趋减少使得世界各国越来越重视对新能源的开发与应用，风能就是其中之一，而且还是开发较早且应用技术相对较为成熟的新能源发电技术之一，是当前时代下宝贵的绿色可再生能源，但风能在自然界当中，其速度是不断变化的，而且毫无规律，可以说风速的变化不可控且变化有着高度的随意性，而发电功率与风速立方之间呈现出明显的正比关系，因此，风速变化越小，则风能变化越大。
这也导致很多大型风力发电机组总是无法有效解决定浆距失速的问题，其系统机械结构方面常常会首次因素影响而表现出内应力较大的情况，对机械部件造成一定的损耗。
而采用双馈异步发电技术的电机则能够具备柔性化控制效果较好，且有功功率和无功功率可以实现独立调节，运行范围较广的优势。
其在风力发电当中的应用，不但改善了风电机组运行的整体性能，同时也在很大程度上有效降低了变频器容量，这也使得双馈异步发电技术在风力发电当中应用受到了广泛的关注，成为了风力发电设备的主要选择。
一、双馈异步发电技术原理对于当前大部分风力发电行业辣酱，其对并网型风力发电机组的应用较为广泛，就其运行控制相关技术而言，主要包括恒速恒频风力发电系统和变速恒频风力发电系统，主要是依据并网型风力发电机组运行控制特点角度来进行分析后所得到的结果。
某双馈式异步风力发电机技术改造方案研究
某双馈式异步风力发电机技术改造方案研究文|摆念宗双馈异步发电机是目前风力发电系统中主流的发电机形式之一。
与其他发电机不同，双馈异步发电机通过变频器在转子绕组中施加不同频率的交流励磁电流，以实现定子侧恒定频率的输出。
但由于运行环境恶劣、工况复杂多变，双馈式风力发电机在长期运行过程中会出现各类故障，如定转子绕组接地、匝间短路、绕组断相、轴承点蚀、轴承漏油等。
此外，风力发电机在设计、制造或安装时也会出现问题，如发电机定转子相间不平衡、相间绝缘电阻低、轴承密封不良、轴承润滑不良、转子极间联线以及引出线设计不合理等。
相比于环境因素，这些由设计、制造等环节引发的问题和缺陷大大增加了发电机发生故障的概率，导致现场频繁出现发电机故障甚至损坏的情况，不仅给风电场运维带来极大的困难，大量的故障维修也会造成风电场的电量损失，尤其是更换发电机的周期较长，导致电量损失更多。
高故障率还会导致额外的备品备件费用、大部件更换费用等，从而造成维修成本显著增高。
因此，有必要分析发电机故障原因，并采用针对性的技术改造方案，以提高设备可靠性。
某风电场1.5MW双馈式异步风力发电机，在运行过程中频繁出现各类故障，主要包括转子断相、转子接地、转子相间电阻不平衡、发电机振动、发电机内部漏油等。
通过对各类故障进行诊断分析，发现该型号发电机在轴承绝缘、转子极间联线、发电机轴承油槽密封等方面存在设计缺陷，从而导致风电机组在运行过程中频繁出现同类故障。
本文以该风力发电机为例，探究了导致各类故障的设计缺陷，并针对各种缺陷提出了有效减少发电机故障的技术改进方案。
风力发电机结构及参数国内某风电场风电机组采用1.5MW双馈异步风力发电机，其主要参数如表1所示。
双馈异步发电机主要包括定子系统、转子系统、转轴及轴承、集电环系统、散热系统、润滑系统、前后端盖、机座等。
定子系统主要包括定子绕组和定子铁心，定子三相绕组直接与电网侧连接，对外输出电能。
转子系统主要包括转子绕组和铁心，转子绕组三相交流引出线与集电滑环连接，通过集电滑环与变流器转子侧连接，再由变流器经过AC/ DC和DC/AC变换与电网侧连接。
风力发电系统中双馈异步发电机的仿真研究
收稿日期 : 2005 - 06- 15
)
231 )
性 , 独立调节有功无功 , 深度运 行而不失步 , 特别适 合于风力 发电等场合。本文 将重 点研究 双馈 异步风 力发 电机的 工作 原理 , 建立其数学模 型和仿 真模 型 , 并对其 进行 功能仿 真分 析。
Vqs = R s iqs + Vds = R s ids +
Uqs = Ls iqs + Lm ic qr Ud s = L s id s + Lm ic dr
c c Uc qr = Lr i qr + L m iqs c c Udr = Lc r i dr + L m i ds
( 2)
Ls = Ll s + Lm
c Lc r = Llr + L m
Te = 1 . 5p( Uds iqs - Uqs id s ) Xs = X - Xr = sX
在同步参照系 内 , 假定定 子侧 方向 服从发 电机 惯例 , 而 转子侧服从电动机惯例 , 电机气隙均匀 , 定、 转子绕 组均三相 对称且 Y 型连接。其等效原理如图 1 所示。
2 2 2 [R sLr + ( LsLr - Lm ) s] ids = [ X ( LsL r - Lm ) + XrLm ] iqs + RrLm idr + Xr LrLm iqr + L rvd s - Lm vdr 2 2 2 [R sLr + ( LsLr - Lm ) s] iqs = [ X ( Lm - L sLr ) - XrLm ] ids - XrLrLm idr + Rr i i + L r vqs - Lm vqr m qr 2 2 [R sLr + ( LsLr - Lm ) s] idr = R sLm ids - XrLsLm iqs + [ X (L sLr - Lm ) - XrLsLr ] iqr - Lm vds + L svd r 2 2 [R sLr + ( LsLr - Lm ) s] iqr = XrLsLm id s + RsLm iqs + [ X ( Lm - LsLr ) + XrL sLr ] dr - Lm vqs + L svqr
基于双馈电机风力发电系统的建模与仿真
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图－ 子 三 电 波 图…・ “ ．．．．．．．．７ ４ ８定 侧 相 压 形 ．” ． ．．．．．．．． ． ・ “．．．．．．．． ． … ．．．．．．．． ．．．．．．．． ．．．．．．．３
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图表清单
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2mw双馈异步风力发电机的研究
2MW风力双馈异步电动机的研究设计摘要对一个2 MW商业风力发电机的设计,验证了以两种连接方式为标准的双馈异步电机，它能使其低速范围向下延伸到80%，在电子变换器额定功率没有增加的情况下下滑。
这远远超出了正常的30%的下限。
较低的速度连接被称作异步发电机模式而机器的操作是在短路定子绕组转动和所有的功率流在转子回路中的情况下进行的。
有两个回路逆变器控制系统方案已经被设计完毕并且在各自的模式中已调整性能。
本文的目的是演示仿真结果,说明该控制器的动态性能均为 2 MW异步风力发电涡轮机的连接方法。
当设计这样的先进的控制策略时，一个简单的对转子和对双馈连接模式电压的分析在演示时应作为一个优势部分被考虑进去。
关键词:双馈电机、异步发电机、风力发电设备列出的重要标志vrdq 直交和正交转子电压irdq 直交和正交转子电流λsdq 直交和正交定子磁链Ps 定子有功功率Qs 定子无功功率pfs 定子功率因数Te 转矩p 微分算子Lm 电抗引入Rr 转子电阻Lr 转子电抗引入σ总漏电感ωsf 频率‘s’定子简称‘r’转子简称‘*’参考值1、介绍对风力涡轮机的兴趣还在持续,尤其是那些拥有一个额定功率为许多兆瓦的。
这个之所以流行主要是既环保,也有可用的化石燃料。
所谓的立法鼓励减少碳足迹的地方,所以目前正在感兴趣的可再生能源。
风力涡轮机仍然被看作是一种建立完善的技术,已形成从定速风力涡轮机,现在流行的调速技术基于双馈异步发电机(DFIGs)。
一个双馈异步风力涡轮发电机的速度的变化与被控制的转子变频器的速度变化一致，使转子电压相位和大小得以调整以保持最佳扭矩和必要的定子功率因数。
双馈异步发电机是目前技术发达,常用的风力涡轮机。
一个双馈异步发电机的定子直接连接到有一个电力电子的转子变换器的高压电网上,该变换器在转子的转动和高压电网之间得到应用。
这个变量速度范围与转子转换器的速率是成正比的因此其调速范围被限制在±30%。
三种风力发电机组的建模与仿真
近年来风能的开发利用已得到世界各国的高度 重视 ,技术和设备的发展很快 ,风力发电机组由最初 的恒速恒频型发展到变速恒频型 ,发电效率有了显 著提高 。恒速恒频型发电机组以异步发电机为代 表 ,目前我国的风电场多采用此种发电机[1] ,其主要 优点是结构简单 、成本低 、过载能力强以及运行可靠 性高 ,但是发电机的功率因数较低 ,因此一般要在输 出端安装可投切的并联电容器组提供无功补偿 。
由于恒速恒频型发电机组的异步机是国内当前 各风电场的主流机型 ,而国内近年引入的技术又以 变速恒频风力发电机组为主 ,因此本文主要针对上 述风力发电机组的模型进行了仿真和研究 ,分别建 立了异步感应电机 、双馈感应式电机以及永磁同步 电机这 3 种主要电机类型的单机无穷大系统风电场 仿真模型 ,并分别在各种不同的模拟风速情况下对 各个模型进行仿真分析 ,最后将它们在风速扰动情 况下的响应特性进行比较 。
机组所特有的变频器模型及其控制实现方法进行了 具体的阐述 。目前风电机组的变频器多采用 PWM 控制的交直交形式 ,且关于模型和控制的研究也多 限于考虑变流器逆变部分的控制作用 ,而文献[ 5 ]则 完善了整流部分的控制作用 ,描述了功率单向流动 的 PWM 控制的电压源交 - 直 - 交变频器和一台小 型双馈感应发电机装置 ,阐述了该装置中变频器的 控制机理和相应控制结构的设计 ,提出了适合于风 力发电系统的变频器和双馈电机简化数学模型和控 制策略的设计方案 ;文献 [ 6 ]和 [ 7 ]针对发电机电气 部分和风力机桨距角的控制器提出了相应的设计实 现和控制策略 。其设计主要采用 PI 控制器 ,目前也 提出了模糊或自适应控制器 ,而控制策略的分析则 根据风速的变化 ,以最大效率利用风能为目的 ,为优
基于高斯混合模型聚类的双馈风电场动态等值建模方法
基于高斯混合模型聚类的双馈风电场动态等值建模方法
邓俊;张阳;李怡然;夏楠;戚正浩;高桐
【期刊名称】《太阳能学报》
【年(卷),期】2024(45)1
【摘要】针对风电场动态运行条件下等值建模精度偏低、聚类依据不足的难题,提出一种基于高斯混合模型聚类思想的风电场等值建模方法。
首先,分析单台双馈感应式风力发电机在低电压穿越期间的动态响应特性,根据响应特性的集群特征构建聚类指标。
然后,提出基于高斯混合模型动态初步聚类、优化聚类数目的两阶段等值建模方法,推导出赤池信息和贝叶斯信息准则下聚类数目的寻优算法。
以典型中等规模风电场为例,在Matlab/Simulink平台进行不同故障穿越条件的仿真测试,结果表明所提风电场等值建模方法聚类有效、精度高。
【总页数】9页(P342-350)
【作者】邓俊;张阳;李怡然;夏楠;戚正浩;高桐
【作者单位】国网陕西省电力有限公司电力科学研究院;西安理工大学电气工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TM614
【相关文献】
1.基于聚类分析的双馈机组风电场动态等值模型的研究
2.基于两步分群法的双馈机组风电场等值建模
3.基于等效功角同调的双馈风电场等值建模
4.基于减法聚类算
法的风电场动态等值建模方法5.基于PCA和改进ABC-K聚类算法的双馈机组风电场等值建模
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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
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
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
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)
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。
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。
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
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。
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
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
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.
1880
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。
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
为叶尖速比， β 为叶片的桨距角； v 为风速。