风力发电机组并网运行研究

论文

风力发电机组并网运行研究

论文题目：风力发电机组并网运行研究

摘 要

二十世纪八十年代以来，并网型风力发电以其独特的能源、环保优劣和规模化效益，得到了长足发展，从而风电场并网运行带来的各种问题也引起了人们的广泛关注。随着风电场规模的不断扩大，风电特性对电网的负面影响越来越显著，成为制约风电场规模不断扩大的重要障碍，因此为了进一步开发风电造福人类，深入研究风电场并网运行后对电网造成的影响成为迫切需要解决的问题。

尽管当今风电技术发展很迅速，各种新型的风力发电机相比以前都有了很大的进步，它们对风电并网运行的负面影响也在不断减少，但目前大多风电场仍采用普通异步发电机为发电技术的恒速恒频发电系统，异步发电机的一些特性使得研究它的并网运行对电网电压稳定性带来的影响成为必要，这个问题也是本文要研究的主要内容。

本文在第一章介绍了风力发电的一些发展现状，并阐述了跟风电有关的相关概念，阐明了研究大规模风电并网系统电压稳定性的重要意义；在第二章论述了风力发电系统的组成及分类，指出了不同风力发电系统的特点，并就风电的并网运行对电力系统电压稳定性的影响这一问题进行了大致分析：在第三章，根据风力发电系统各主要组成部分的数学模型建起了基于Matlab／Simulink仿真环境下的动态仿真模型；在第四章则主要研究风力发电并网运行对电力系统功率因数和网损的影响。在第五章主要研究风力发电机组的基本运行特性和并网运行动态性能。

电压稳定性是一个很复杂的问题，本文所作的工作还很少，需要更加深入的研究，为以后风电的大规模应用做出贡献。

关 键 词：风力发电；风电场；并网分析；风力发电场电压稳定性

论文类型：研究报告

目 录

1 绪 论 .................................................................................................................................... 1

1.1 研究背景 ................................................................................................................... 1

1.2 研究的内容和方法 ................................................................................................... 1

1.3 研究意义 ................................................................................................................... 2

2 风能与风力发电机组 .......................................................................................................... 5

2.1 风能资源的特点 ....................................................................................................... 5

2.2 风力发电的特点 ....................................................................................................... 6

2.3 风力发电机组的类型 ............................................................................................... 7

2.3.1 鼠笼式感应风力发电机组 ............................................................................ 7

2.3.2 交－直－交变频并网同步风力发电机组 .................................................... 8

2.3.3 双馈感应风力发电机组 ................................................................................ 8

3 风力发电系统并网仿真模型 ............................................................................................ 11

3.1 Matlab仿真软件的简介 .......................................................................................... 11

3.2 风速模型 ................................................................................................................. 11

3.2.1 基本风 .......................................................................................................... 11

3.2.2 阵风 .............................................................................................................. 12

3.2.3 渐变风 .......................................................................................................... 12

3.2.4 随机风 .......................................................................................................... 13

3.3 风力发电机的数学模式分析 ................................................................................. 13

3.4 异步发电机的暂态数学模型 ................................................................................. 15

3.4.1 异步发电机的定子电压方程 ...................................................................... 15

3.4.2 异步发电机转子电磁暂态方程 .................................................................. 15

3.4.3 异步发电机的转子运动方程 ...................................................................... 15

3.4.4 异步发电机电磁功率方程 .......................................................................... 16

4 风力发电机组并网方式分析研究 .................................................................................... 17

4.1 风力发电并网运行对电力系统其他性能的影响 ................................................. 17

4.1.1 风力发电对电力系统功率因数的影响 ...................................................... 17

4.1.2 风力发电对电力系统网损的影响 .............................................................. 19

5 风力发电机组的基本运行特性和并网运行动态性能研究 ............................................ 21

5.1 风力发电机组的静态有功特性与稳定极限 ......................................................... 21

5.2 静态无功特性 ......................................................................................................... 22

5.3 短路电流特性 ......................................................................................................... 23

5.4 并网运行动态性能研究 ......................................................................................... 24

6 结论与展望 ........................................................................................................................ 29 声明

1 绪 论

1.1 研究背景

风能是一种丰富、清洁和可再生的一次能源，而电力是一种最重要的二次能源。当前，世界各国对于能源安全和环境保护等问题愈来愈重视，风力发电技术作为解决能源和环境问题、满足可持续发展要求的有效和重要手段，得到迅速的发展，成为全球增长最快的能源。据全球风能理事会（GWEC）介绍，2011年全球风电新装容量41 GW以上，比2010年增加21%，使全球总装机容量超过238 GW。迄今全世界已有75个国家安装了商业化风电，其中22个国家超过了1 GW。中国超过美国，成为世界上风电设备制造大国和风电装机容量最多的国家。

在我国，风力发电同样得到了广泛关注和快速发展，截至2010年底，中国成为全球最大风电装机国，中国全年风力发电新增装机达1600万千瓦，累计装机容量达到4182.7万千瓦，首次超过美国，跃居世界第一。

风力发电的发展对能源、环境、制造等各个领域带来了新的机遇和挑战，也得到了不同领域人们的关注。对于电力系统，作为一种不同于传统火电、水电或核电的发电型式，风力发电至少有三个新的特点：

（1）作为风力发电机组原动机的风力机，其出力受到自然界风速变化的影响，并在本质上不受人们的控制；

（2）风力发电采用了各种新型的发电机组，它们与传统发电型式中的同步发电机在运行和控制特性方面有着很大的差异，且风力发电机组单机容量远小于当代火力、水力或核能发电厂中的主流发电机组；

（3）风力发电受到风能资源地域性分布的限制，大多位于电网相对薄弱的地区、电网末端、甚至远离现有电网的地区。

风力发电的这些新的特点将为其并网运行的电力系统带来许多新的特性和影响，尤其在当前风力发电容量快速增长、局部电网有可能以风力发电为主要电源的情况下，风力发电对电力系统的影响不容忽视。因此，对风力发电并网运行特性的研究是当前电力工作者迫切需要解决的一个课题。

1.2 研究的内容和方法

本研究的主要目的有以下几点：分析各种因素作用下风力发电并网运行对电力系统的影响、研究风力发电最大并网容量的限制性条件、研究并提出改善风力发电并网运行的措施。

为此，本研究的主要内容有：

（1）研究风能资源的特点，及其对风力发电的基本要求。风能资源虽然是易于变化和不可控制的，但是它也遵循一定的规律，对这些规律的研究和把握是开展与风力发电有关的各类研究的基础；

（2）主要风力发电机组类型的对比研究。通过长期的发展，目前形成了几种不同的主流风力发电机组类型，它们的原理、结构、运行特性和对电力系统的影响都是不尽相同的，在开展深入研究之前，有必要对它们的基本特性开展研究和对比；

（3）风力发电并网运行稳态性能研究。电压水平是电力系统稳态运行的重要指标，一般认为，风力发电并网运行主要受到电压的制约，所以，本部分的研究重点是风力发电并网运行后电力系统的电压特性，包括不同系统配置和风力发电对电压的影响，以及电压变化对风力发电并网容量的限制。对于在配电网接入系统的风力发电，它将改变局部电网的潮流流向和大小，因此对网损、功率因数等指标有着相应的影响，这也属于本部分的研究内容。本部分研究以风力发电系统静态有功与无功特性为基本依据，主要采用基于潮流的研究方法；

（4）风力发电并网运行动态性能研究。风力发电经常处于风速变化的扰动之中，由此引发的动态过程是风力发电的显著特点；此外，由于风力发电采用了新型的发电机，其动态性能也不同于传统的同步发电机，这些因素对电力系统动态性能的影响是本部分研究的重点，主要包括：风力发电并网过程动态、风力发电引起的电压波动和闪变、风力发电系统谐波研究、风力发电在电网故障等暂态过程中的特性及其稳定与控制和风力发电对继电保护系统的影响等。本部分研究在风力发电机组控制原理和动态特性分析的基础上，主要采用时域仿真的研究方法，并采用频域分析等方法作为必要的补充。

1.3 研究意义

随着能源的短缺及环境污染的日益严重，分布式发电(DG，Distributedgeneration)以其一次能源的丰富性、环境友好性及装机方式的灵活性逐渐成为电力系统新的研究热点．其中风力发电是近年来得以迅速发展的一种发电形式，具有发电技术比较成熟、发电价格较低、建设周期较短等优点，在未来电力系统发展中将占有重要的地位。

风力发电形式可分为离网型和并网型，并网型风力发电是近几年来风电发展的主要趋势，也是本文的研究重点．并网型风力发电通常是由多台大容量(50KW-2MW)的风力发电机组组成，被称为大型风电场。

大型风电场并网运行多具有以下特点旧：

1)输入风能的变化有随机性；

2)大多风电场距离电力主系统和负荷中心较远。所以一般风电场与地方薄弱电联结；

3)含异步发电机的风力发电机组运行时向系统输送有功功率，吸取无功功率；

4)原来的地方电力系统的线路按常规设计建设，缺乏电雎控制设备和措施。

因此，随着风电容量在电网的比例迅速增加，并网系统的电压问题逐渐暴露出来。大功率风电在运行时将对系统的电雎稳定性产生影响，应从早期的小型风电场引起的电能质量问题研究上升到对大型风电场并网的电压稳定性的研究．另外，风电场的电压稳定性是制约并网风电容量的一个重要因素，所以为了更多、更有效地利用风能造福于人类，研究并网风电特别是大型风电并网对电网系统的电压稳定性有很大的意义。

本文所作的主要工作是这样的：

l、描述了当前风力发电系统的常用类型及其组成部分

2、对定桨矩+鼠笼型异步发电机和变桨矩+双馈异步发电机的数学模型

进行了描述，并在Matlab／Simulink基础上，得到了仿真模型。

3、基于仿真模型分析大型风电场并网对电力系统电压稳定性的影响。

2 风能与风力发电机组

2.1 风能资源的特点

风能资源状况是发展风力发电最基础的工作。风速概率分布是体现风能资源统计特性的重要指标，也是在风电场规划设计和并网技术研究中所必须的重要依据。

风是自然界的产物，人们目前还无法对其进行有效的控制，但是风速的变化和分布也是有一定的规律可循的。简言之，风速可分解为缓慢变化的分量和快速变化的分量。在一定的时间尺度上，风速的平均值可以认为是不变的，这种平均值就是缓慢变化的分量。如人们常取10分钟的风速平均值进行研究，通过长年累月的风速观测，用该平均值来估计观测地风力资源的状况，风能研究领域中常用来表示风速统计状况的Weibull分布就是这种风速平均值的一种反映。在人们需要从长期的角度进行研究时，Weibull分布是一种非常有效的工具。在图2-1中，给出了长期风速Weibull分布在不同参数下的曲线。

图2-1不同参数下的Weibull型风速分布曲线

在风力发电系统动态研究中，还需要对风速的快速变化分量进行研究和建模。一种做法是将风速分解为四种分量，其中基本风表示慢速变化分量，阵风、斜坡分量和背景噪声组成了快速变化分量，且阵风是快速变化分量的主要部分。但是这种模型难以确定阵风或斜坡分量参数的方法。现在的风力发电系统的研究中，还往往采用平均

风速分量与湍流分量相叠加的风速模型。在这种模型中，平均风速可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。这时，湍流可以看作是一个平稳随机过程，并且满足两个条件：一是风速序列与平均风速的偏差服从零均值高斯分布，二是风速序列满足一定的功率谱密度。这里的第一个条件限定了风速变化的范围，第二个条件则限定了风速变化的频率和幅度，这对风力发电系统的动态行为是至关重要的。

2.2 风力发电的特点

风力发电是将风能转化为电能以便加以利用的技术，风力发电的规模取决于对风能利用的大小。在这个过程中，风力机是原动机，将风能转化为旋转机械能，然后带动各种类型的发电机，将机械能转化为电能，再通过输、变电系统接入大规模电网、或者就近组成孤立供电系统。所以，风力机是风力发电的源头，风力发电的特性在很大程度上与风力机有关。

对一台实际的风力机,其机械输出功率PWT(v)可以下式表示：

PWT(v)=1ρπR2v3Cp 2(2-1)

其中，ρ为空气密度， v为风速，R为风力机扫略半径，Cp为风能利用系数，表

示风力机将风能转化为转轴上输出机械能的效率。Cp不是一个常量，而是随着风力机的转速而变化的，通常表示为风力机叶尖线速度和风速的比值－“尖速比（TSR）”λ的函数，λ的定义为：

ΩwtR

v λ=(2-2)

其中，Ωwt为风力机转速。Cp随λ的变化的典型曲线如图2-2所示。对于定桨距角的风力机，它的Cp-λ曲线是确定的；而对于变桨距风力机，它的Cp-λ曲线随着桨距角在一定范围内的变化大致做上下平移，对于某一固定的桨距角来说也是确定的。由图2-2可知，风力机的风能利用系数Cp只有在一个特定的最优尖速比λ

转速Ωwt，那么必将偏离其最优值λopt，从而使opt下才达到最大值Cpmax，而由式(2-2)知，当风速变化时，如果风力发电机组仍然保持某一固定的Cp降低，即降低了风力机的风能利用效率。所以，为了提高风能利用效率，必须使得风速变化时机组的转速也随之变化从而保持最优尖速比和最大风能利用系数，这就是变速风力发电系统诞生和发展的一个主要原因。

Cpoptλ

图2-2典型风力机风能利用系数与尖速比特性曲线

1888年，在美国出现了用风机带动直流发电机给电池组充电的系统，随后，又出现了用这种变速直流发电机带动直流电动机的系统，但只能用于对电压要求不高的场合，因为变速直流发电机所发的电压随转速而变化。这些变速直流发电系统曾得到了很大的发展；但是，它们随着交流电、变压装置、电网互联等技术的出现而逐渐被交流互联系统取代，只在偏远的、不便直接和电网连接的地区还有用途，作为独立小系统的电源。

在能源问题日益突出的今天，风能作为清洁的可再生能源，越来越受到各国政府和科研工作者的重视，人们在不断探索风力发电的新技术，试图将风力发电机与电网稳定地连接起来，以便更好的利用风电。这个问题的关键在于发电机（系统）输出电压的频率要与电网相同。为解决这个问题，人们使用了各种型式的风力发电机，下面分别具体进行阐述。

2.3 风力发电机组的类型

2.3.1 鼠笼式感应风力发电机组

为了实现风力发电机稳定的频率，人们发明了恒速风机，与之对应，得到广泛应用的就是鼠笼式感应风力发电机组，其结构如图2-3所示。其发电机采用笼型转子，通过齿轮箱与风力机转子相连，因风力机的转速较低，一般为20～30 转/分，而发电机的转速较高，一般为数百至数千转。

图2-3鼠笼式感应风力发电机组

这种发电机组的优点是转子不需要外加励磁，没有滑环和电刷，因而其结构简单、坚固，基本上无需维护。但它也有几个明显的缺点，首先，鼠笼式感应发电机需要吸收大量的无功，而且有功功率输出越多所需要吸收的无功功率也越多，这是对电网运行很不利的，为此，发电机定子侧往往需要装设无功功率补偿装置，如图2-3所示的并联电容器，但这仍不能满足动态运行的需要；其次，这种发电机组运行时转速变化较小，但根据前述的风力机工作原理，恒速风机的风能利用效率较低。

2.3.2 交－直－交变频并网同步风力发电机组

随着电力电子技术的发展，电能变换装置在风力发电中得到了广泛的应用并起到了重要的作用。为了提高风能利用效率，必须实现变速运行，即实现变速恒频风力发电系统。由于电力电子变流装置可以实现电压、频率的变换，因此，在发电机变速运行情况下，无论其发出的电能具有怎样的电压和频率，都可以用变流装置进行变换，然后并网。图2-4示出了近来得到快速发展的一种风力发电机组。它采用同步发电机，发电机与风力机连接时，变速装置可有可无，因发电机电子电压总是变化的，然后经过变流装置并网。

图2-4交－直－交变频并网同步风力发电机组

这种型式的风力发电机组实现了变速运行，风能利用效率较高，而且经过变流装置并网，使得机电系统解耦，不存在同步电机的功角稳定问题，变流装置还具有一定的无功功率控制能力，改善了风力发电的电压问题。但这种发电机组的变流装置容量至少与发电机额定容量相等，使得成本较高且运行损耗较大。

2.3.3 双馈感应风力发电机组

双馈感应风力发电机组采用了双馈感应发电机，这种发电机是一种绕线式转子感应电机，与笼型感应电机不同的是，其转子绕组通过滑环和电刷与一个双向变流器相连接，如图2-5所示。

图2-5双馈感应风力发电机组

双馈感应风力发电机组的转子变流器可以在发电机转子与电网之间进行双向能量交换，并改变发电机转子绕组的电压、频率和相位，实际上具有提供励磁电流的功能。因此，这种风力发电机组能够实现变速运行，追踪最佳尖速比，从而提高风能利用效率；更重要的是，它具有控制无功功率的能力，可以吸收或发出无功功率、以及运行在单位功率因数下，所以获得了较好的电网连接特性；同时，该转子变流器的容量一般为发电机额定容量的30%，降低了系统的成本和运行损耗。

3 风力发电系统并网仿真模型

分析风力发电系统并网电压的动态特性需要建立合理的仿真数学模型，并对其进行动态仿真计算。仿真数学模型的建立与研究对象和仿真精度的要求有关。本文将以由定桨矩加普通感应发电机组成的风力发电系统各组成部分建立起相应的仿真模型，然后对变桨矩+双馈异步发电机纽成的风力发电系统的模型作了简要描述，以便与进行仿真比较。恒速恒频风力发电系统为研究对象，分析并网风电场的运行特性，所以对风速模型及风电场的风力机及异步发电机的暂态仿真模型都需要进行详细的数学分析。

3.1 Matlab仿真软件的简介

Matlab仿真软件是由美国Mathworks公司开发的大型软件．在Matlab软件中．包括了两大部分：数学计算和工程仿真。其数学计算部分提供了强大的矩阵处理和绘图功能；在工程仿真方面，Matlab提供的软件支持几乎遍布各个工程领域，并在不断完善之中。

以往的电力系统数字仿真技术，往往局限于研究人员自己建模与仿真．其数学模型是否真实描述实际情况，将很大程度上影响到仿真是否取得成功。在Matlab涉及电力系统仿真方面以后，凭借其自身的技术优势，联合众多电力系统领域的专家，开发出了电力系统仿真工具箱，为电力系统的仿真提供了一个强有力的平台．在其中的Simulink仿真环境中，用户可以直接搭建系统的结构图，仿真更为快捷．利用Simulink所提供的输入信号对结构图所描述的系统施加激励，利用其提供的输出装置获得系统的响应，即数据和时问响应曲线，成为图形化、模块化方式的控制系统仿真，是控制系统仿真工具的进步。另外，Simulink包括各种结构图模块，且有系统文件(s函数)的设计方法，使仿真手段更加灵活．

本章的模型将是基于Matlab／Simulink仿真环境下建立的模型。

3.2 风速模型

风是大自然的产物，风速自然也是不可测量的，具有随机性和不稳定性。有很多文章把风速分成四个部分来模拟，即：基本风、阵风、渐近风和随机噪声风，现分别介绍如下：

3.2.1 基本风

由于基本风与白噪声的相似性，常用以下方程来代表基本风速：

其中Vwind为模拟的风速；m（t）为自噪声；Tγ=9秒为时间常数；b=13.5（m/s）为基本风。

实际仿真可以忽略其他微变量，以固定常数13.5(m/s)为基本风。

3.2.2 阵风

阵风是用于描述风速突然变化的特性，在风电系统的动态仿真中，常用它来考察系统在较大风速下的动态特性，其数学描述如下：

式3-4中Vcos为阵风风速，VWCmax为阵风风速最大值，式3-3中TG为阵风周期，TIG为阵风起动时间。

3.2.3 渐变风

对风速的渐变特性可以为渐变风成份来模拟：

式3-5中Vjb、Rmax、T1R、T2R、TR分别为渐变风速（m/s）,最大值10（m/s），起始时间（s）。终止时间（s）、保持时间（s）。

3.2.4 随机风

风速变化的随机特性可用随机噪声风速成份来表示：

式3-6中φi为0-2π之间均匀分布的随机变量，式3-7中KN为地表粗糙系数，一般取0.004，F为扰动范围（m2），μ为相对高度的平均风速（m/s），SV(ωi)为风速随机分量分布谱密度（m2/s），通过对功率谱密度函数进行积分即可得到短期的风速数据。

随机风的模型通过编写S函数来实现。于是，作用在整个风力机上的风速就是以上四种风速的综合。

3.3 风力发电机的数学模式分析

风力机通过叶片捕获风能，将风能转换为作用在轮毅上的机械转矩，风速与转矩之间的关系可用下式表示：

式3-9中Mw为风力机叶片转矩（p.u）ρ为空气密度（kg/m3）；Vw为作用于风力机风速（m/s）；R为叶片半径（m）；Ω为叶片机械角速度（rad/s）；ΩN为风力机额定机械角速度（rad/s）；PN为风力机额定功率（KW）；λ=ΩRVw为叶尖速率比；Cp为风力机风能转换效率系数，当风速发生变化时，风力机运行点要发生改变。为尽可能提

高风力机风能转换效率和保证风力机输出功率平稳，风力机要进行桨距调整。

风能转换效率系数是叶尖速率比和桨距角的函数，即Cp=ƒ(λ,β)。对于定桨距型（失速型）风力发电机组，Cp特性可近似表示为：

式3-10中，B为叶片数；LD为升力比。

对于定桨矩风力机，Cp（五）是五的非线性函数，有些文章把它通过一个多系数方来模拟，从参考文献中[6]中可以得到定桨矩风力机的Cp（λ）曲线，见图3-3。

图3-3 典型风力机的Cp特性曲线

对于风力机，考虑叶片和轮毅的非刚性、齿轮箱与联轴器和发电机的柔性连接等特点，采用2阶模型。

风能转矩从叶片到传递到轮毅的非刚性，用一阶惯性环节来表示：

式3-11中Ml为轮毅转矩（p.u.），Mw为叶片侧机械转矩（p.u.），T为惯性时间常数（s）。

式3-12中Ω为机械角速度（p.u.），Ml为齿轮箱联轴器输入侧机械转矩（p.u.），Mm为齿轮箱联轴器齿轮箱输出，即发电机侧的机械转矩（p.u.），T为惯性时间常数（s）。

3.4 异步发电机的暂态数学模型

一般来说，在分析风电对电网影响时，通常对异步机进行一些简化，并基于以下几条假设：

1）定子和转子绕组沿着气隙按正弦分布。并考虑到与转子之间的相互作用；

2）定子槽不引起转子电感的波动，转子槽也不引起定子电感的波动；

3）不考虑磁滞现象和饱和现象；

4）定子和转子的绕组都是对称分布的；

5）所有绕组的电容都可忽略。

在风电场及风电系统暂态过程数值仿真中，需要建立异步发电机的暂态数学模型。电力系统稳定研究中，通常考虑异步发电机的机电暂态过程进行系统稳定分析。对于普通异步发电机的动态数学模型，常用的有两种，一种是较详细的模型，包括定子和转子回路的电磁暂态；另一种是简化模型，与详细模型相比较而言，它忽略了定子暂态。有研究结果表明：用忽略定子暂态的模型和考虑其影响的模型，结果相差不大，反而忽略定子暂态的模型更加精确。不过要注意的是，研究的目的与模型的选择有直接的关系，不能一概而论。我们将考虑异步发电机的机电暂态过程，采用如下3阶模型。

3.4.1 异步发电机的定子电压方程

式3-13中Vs、Is和r1分别为发电机定子电压、输出电流和电阻（P.u.）；

x′为发电机等效暂态电抗（p.u.）；E′为异步发电机暂态电势（p.u.）。

3.4.2 异步发电机转子电磁暂态方程

式3-15中Td0′=x2′+xm2πf0r2为定子绕组开路时转子绕组的时间常数（S）；s为异步发电机滑差；x=x1+xm，x1和xm分别为发电机定子漏抗和激磁电抗（p.u.）；f0为系统频率（Hz）。

3.4.3 异步发电机的转子运动方程

式3-16中pem和pm（Mm）分别为发电机的电磁功率和输入机械功率（转矩）；TJ为异步发电机惯性时间常数（s）。

3.4.4 异步发电机电磁功率方程

式3-17中Re(∙)为取实部，ω为电角速度（p.u.），Mem为发电机的电磁转矩。

4 风力发电机组并网方式分析研究

4.1 风力发电并网运行对电力系统其他性能的影响

本节主要研究风力发电并网运行对电力系统功率因数和网损的影响。研究范围主要在配电网层次，并归纳成为一个35kV系统，如图4-所示。

该系统虽然简单，但具有一般性。图中，系统母线表示高压变电站的35kV母线，该母线的第i根线路末端为一个35kV变电站，向用户提供电能，并接入有一定数量的风力发电机组。正常方式下，负荷为12MVA，功率因数为0.95。线路长度为10km。根据现有系统运行的规定，对线路i始端（即系统母线侧）的功率因数和线路i与变电站组成的35kV网络的网损有一定的要求。本节将研究风力发电并网后，对这两个参数的影响。

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图4-1风力发电并网简化通用系统图

4.1.1 风力发电对电力系统功率因数的影响

首先研究线路为10km电缆时的情形。当负荷保持12MVA，功率因数为0.95的情况下，随着风力发电容量的不断增大，负荷所需的有功功率将逐渐由风力发电就近供给，线路上的有功潮流逐渐减小，直至为零，如果此后继续增大风力发电出力，线路有功潮流将倒送至系统母线。而无功功率的情况比较复杂，主要取决于风力发电机组的运行方式、即发出无功功率还是吸收无功功率。具体的分析结果如图4-1所示。

由图4-1知，不论风力发电机组的功率因数如何，当风力发电并网容量不断增大

时，线路i始端的功率因数将不断减小，并随着有功功率流向的变化，该功率因数出现了一个由正到负的变化。这说明，在负荷侧有风力发电并网的情况下，线路始端功率因数的变化已不能反映负荷本身真正的功率因数水平。

图4-1风力发电容量对配电网线路（电缆）功率因数的影响

当线路i为10km架空线时，在同样的负荷水平下，其始端功率因数随风力发电容量变化的关系曲线如图4-2所示。该曲线的趋势与图4-1基本一致，仅由于风力发电机组功率因数的不同而有细微的差别。

图4-2风力发电容量对配电网线路（架空线）功率因数的影响

除风力发电机组的功率因数之外，对配电馈线始端功率因数有较大影响的因素还有负荷水平。对10km电缆线路，当系统运行状况为风力发电机组功率因数等于1、负荷功率因数保持0.95而负荷水平分别为30、24、12、6MVA时，配电馈线始端功率因数随风力发电容量变化的曲线如图4-3所示。

图4-3风力发电容量对配电网线路（架空线）功率因数的影响

由上图可见，负荷水平能够在很大程度上改变风力发电机组对于配电馈线始端功率因数的影响。

4.1.2 风力发电对电力系统网损的影响

风力发电接入电力系统后，局部网络的潮流将被改变，由此会引起网络损耗的变化。这种网络潮流和网络损耗的变化仍然可以用图4-所示的抽象了的通用系统进行研究。图中，系统母线与变电站低压母线构成了一个简单的电力网络，该网络两端都有电源，其中一端接有负荷，显然，该网络接收的电能和供应的电能是不相等的，它们之间的差额就是网络的损耗。由于能量损耗的计算依赖于实际的风力发电曲线和负荷曲线，故本研究主要针对其功率损耗。

图4-中的简单网络包含有长度为10km的线路和容量为31500KVA的变压器。研究的基本工况为负荷12MVA，功率因数0.95。首先研究当线路为电缆的情况。研究中，使风力发电出力从零不断增加到30MVA，并分别运行在1、0.96和-0.96的功率因数下，观察网络中功率损耗的变化情况，如图4-4所示。

图4-4风力发电出力和功率因数对网损的影响（电缆）

由图4-4知，在各种发电机功率因数情况下，当风力发电容量不断增长时，网络中的功率损耗都出现了一个先减后增的过程，网损的最低值出现在负荷水平与风力发电出力相当的情况下，但该风力发电出力的具体数值随发电机功率因数的不同而有差别。

图4-5风力发电出力和功率因数对网损的影响（架空线）

图4-5示出线路为架空线时的网损曲线。该曲线与图4-4趋势一致，而由于架空线

与电缆参数的区别，使得采用架空线的电力网络具有较高的网损。

在各种发电机功率因数和线路种类情况下，当发电机功率因数为-0.96吸收无功时，网损的整体水平较高，而当风力发电容量不断增大时，这种差别愈加明显。

5 风力发电机组的基本运行特性和并网运行动态性能研究

5.1 风力发电机组的静态有功特性与稳定极限

双馈式感应发电机的结构如图2-5所示。其转子为绕线式绕组，可以外接有源或者无源设备与装置，从而使发电机本身具有一定的控制能力。在实际的双馈式感应风力发电机组中，转子绕组通过一个双向的变流装置与定子（电网）侧相连，通过转子绕组外加电压和输入电流的变化，达到控制发电机运行状态的目的。

由于发电机转子外加为三相交流电压，其变化范围不是一条线，而是一个面，无法用类似于鼠笼式感应发电机的P-s曲线来描述。对于这种系统，可以用特征值分析的方法研究它在各运行点的静态稳定性。首先将描述系统的非线性方程组线性化，根据线性化系统的方程，首先求取双馈感应发电机在各转速下稳态运行的工作点，再通过对Jacobian矩阵特征根的计算判断系统的稳定性。

对某双馈式感应风力发电机组的特征根分析结果如表5-1和图5-2所示。表5-1列出了几个不同转速稳态运行点的特征根，更多工作点的计算结果参见图。 （1） 表5-1双馈式感应发电机各运行点特征根

图5-2双馈式感应发电机在各运行点的特征根

由上述计算结果知，当发电机转速从远离同步速到接近同步速时，有一对复根的实部在复平面的左半平面向虚轴移动，而一个实跟则在左半平面远离虚轴，即使当发电机几乎运行在同步速时，仍能保持所有的根具有负实部，说明在相当宽的运行范围（设计运行范围）内，发电机能够一直保持静态稳定。由于转子电压可以根据运行点和外部系统的条件而变化，双馈式感应发电机的静态稳定性几乎不受到外部系统参数的影响。

5.2 静态无功特性

双馈式感应发电机的转子通过变流装置与电网连接起来，能够与外界进行双向能量交换，在产生励磁电流和建立发电机气隙磁场中起到重要作用，同时能够调节发电机的运行工作点。在这种情况下，发电机的无功功率可以自由地调节，与转速并没有固定的关系，其变化主要受到发电机自身热容量的限制，即与有功出力有关。错误！未找到引用源。给出了双馈式感应发电机有功功率与无功功的关系。

在图5-3中，有功功率和无功功率的运行极限构成了一个半圆。图中的一组曲线表示不同热容量下发电机的运行范围。

图5-3 双馈式感应发电机有功功率与无功功率运行极限。

5.3 短路电流特性

双馈式感应发电机的短路过程比较复杂，与鼠笼式感应发电机有本质的区别，与同步发电机也不相同。可以利用时域仿真或公式推导的方法求解短路电流。某双馈式感应发电机1秒时发生短路后的短路电流计算结果如图5-4和表5-5所示。

图5-4 双馈式感应发电机三相短路电流。

以上结果表明，双馈式感应发电机定子三相短路电流最大冲击值约为7～8倍额定电流值。

5.4 并网运行动态性能研究

发电机并网时，需要满足一定的条件，即发电机电压与电网电压的相序、频率、幅值和相位要分别相等，风力发电机组的并网也不例外。满足这些条件是为了减小发电机并网过程对电网及发电机自身产生的冲击，另一方面，在理想情况下，满足这些条件时发电机与电网之间的电流为零，即没有功率交换，发电机实现空载并网。

由于实际运行条件的限制或特殊的需要，风力发电机组并不总是空载并网，而鼠笼式感应风力发电机组并网时其定子无法建立电压、从而造成并网时的冲击，这些都是风力发电机组并网过程中存在的动态，利用各种风力发电机组的微分方程组数学模型，能够利用时域仿真手段研究各种条件下不同类型机组的并网过程。

由于双馈感应发电机具有转子励磁功能，其定子在并网前可以建立起满足并网要

求的电压，且由于转子励磁可以进行快速灵活控制，该电压可以达到幅值、频率和相位的完全一致。

首先，图5-6给出了某台1MW双馈感应风力发电机组理想并网过程的仿真曲线。并网时，发电机有功为零，而与电网具有100kVar无功功率交换。由可知，0.5秒时发电机并网，随后发电机定子电流产生响应，并迅速达到稳态值，曲线的仿真步长为0.5ms，仍观察不到有过渡过程的存在，且多次仿真表明，这种现象与并网合闸时刻无关。同时，发电机有功功率一直保持接近为零，机端电压曲线平缓且变化幅度很小，这说明并网过程中发电机与电网存在的无功功率交换不会产生大的冲击。

图5-6 只存在无功功率交换时发电机并网过程曲线。

在实际中，由于作为风力发电机组原动机的风力机功率调节过程缓慢，而风速又经常处于快速变化之中，所以在并网过程中，难以保证发电机的有功功率为零。图5-7给出了同时具有150kW有功功率和100kVar无功功率交换的并网过程的仿真曲线。此时由曲线可看出，发电机定子电流具有明显的过渡过程和冲击，而输出的有功功率和机端电压也有明显的波动，这种冲击主要是由于有功功率交换的存在而产生的。

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图5-7存在有功功率和无功功率交换时发电机并网过程曲线。

事实上，由于一个风力发电厂中的机组数量很多，而在同一个风力发电厂内，各台机组很可能同时达到并网的风速条件，如果多台发电机同时并网，那么将对电网造成较大的冲击；如果在风速变化的条件下，调整各台机组状况使得严格满足并网条件、并分别并网，则需要花费较多的时间。因此，需要采取措施，使得风力发电机组有功功率不为零且不断变化时，实现平稳并网。

由图曲线可知，有功功率交换产生的并网过程冲击不仅幅度较大，且过渡过程时间较长，这是因为有功功率的平衡是一个机电暂态过程，与发电机转子运动规律有关，在并网前，当有功功率过剩时，发电机将加速旋转，因此发电机转子转速的变化反映了其有功功率的状况。发电机有功功率过剩与转子转速的关系近似为：

dω

(5-1) dt

根据电路和电力系统基本原理，有功功率输出的基本要素是电压相量的相角差δ，∆P=Jω即

EU sinδx∑(5-2)

而对于双馈异步发电机，其转子励磁系统是具有快速响应能力的变流装置，因此，P=根据式

(5-1)和

(5-2)，可以利用发电机变流装置调节并网前机端电压的相角，从而使得有功功率迅速平衡、达到抑制并网过程冲击的作用。针对上述工况，由式

(5-1)和

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(5-2)计算得知需要将发电机功角超前电网9.85度，据此进行的仿真结果如图5-8所示。

图5-8优化发电机电压相角情况下并网过程曲线

对比图和图可知，在发电机机端电压相角调节作用下，电流冲击的幅值明显降低，电流、电压和有功功率迅速达到稳态值，说明并网前发电机机端电压相角的变化对并网过程中的冲击有着明显的抑制作用。同时，相角的调节能够通过变流器快速实现，是一种可行的措施。

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6 结论与展望

面对日趋严重的环境与资源问题的挑战，世界能源结构进入了大变革的时期，2l世纪将是可再生能源发展的世纪。在各种可再生能源利用中，风能具有很强的竞争能力，使之从太阳能，海洋能等可再生能源中脱颖而出，形成一个新兴的产业，成为电力系统中相对增长速度最快的能源，发展风电成为改善电力系统结构极为重要的措施。

由于风能具有随机性、问隙性的特点，和风电场采用异步发电机的一些特性，随着风电装机容量的增加，在电网中所占比例的增大，使得风电的并网运行对电网的安全，稳定运行带来重大的影响。其中最为突出的问题就是使风电系统的电能质量严重下降，甚至导致电压崩溃，因此研究电压稳定性是极其必要的。

在本文中，阐述了风电发展的历史和风电技术的成长，对两种常用的风力发电系统进行了分析，主要对由定桨矩+普通感应发电机组成的恒速恒频风电系统的各个组成部分进行了详细的数学描述，另外简单介绍了由变桨矩+双馈异步发电机组成的变速恒频风电系统，并在Matlab仿真软件的基础上建立起了仿真模型。通过分析可以看出，风电接入电网的强弱、风力机轴系统的参数、风力发电机的类型、电容补偿方式的选择都会对电压在经受扰动后的电压恢复产生影响，从而影响到电压稳定性。当然，除了以上列举的这些因素外，还有很多方面可以影响到电压稳定性，比如继电保护、逆变器的选择等都会对其产生一定的影响。基于本人的能力有限，不能够全面地分析大型风电并网运行对电网电压稳定性这个问题，有待作进一步的研究。

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致 谢

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本论文的工作是在***老师悉心指导下完成的。***老师言传身教，似亲人般关心我的生活，关注我的心态，使我不但在学术上收获丰，而且学到了严肃的科学作风和严谨的科学态度，这将使我终生受益，在此对***老师表示衷心的感谢。

还要感谢西安交通大学的各位领导和老师，没有他们提供的良好学习环境和谆谆教诲，就没有我们的成长。

感谢公司的领导和同事们的理解和关心！感谢西安交通大学同学们的支持和帮助！还要感谢网大学员群里的每一个同学、同事对我的真诚帮助！

感谢给予我无私帮助的所有朋友们！祝他们生活幸福、一生平安！

感谢为本文审阅付出辛勤劳动的各位专家！

最后，要特别感谢我的家人，是他们在生活上、经济上给予我的无私关怀，使我得以顺利完成论文和学业。

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参考文献

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附 录

附 录

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攻读学位期间取得的研究成果

攻读学位期间取得的研究成果

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