包含風(fēng)電場電力系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定分析建模和仿真

 摘  要：為了研究風(fēng)電場和電力系統(tǒng)相互作用的穩(wěn)定性，提出一種用于小干擾穩(wěn)定分析的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型。應(yīng)用該建模方法對風(fēng)電場接入無窮大系統(tǒng)和接入三機(jī)系統(tǒng)的兩種情況進(jìn)行了計(jì)算，研究了風(fēng)電場接入系統(tǒng)后影響系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性的因素。算例分析表明，與風(fēng)電機(jī)強(qiáng)相關(guān)的振蕩模式有著很好的阻尼；與電力系統(tǒng)相連時(shí)，風(fēng)電場對與大系統(tǒng)中其它同步發(fā)電機(jī)強(qiáng)相關(guān)的振蕩模式影響很小。該建模方法為包含風(fēng)電場電力系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定分析提供了理論依據(jù)和實(shí)用工具。
關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)；電力系統(tǒng)；小干擾穩(wěn)定分析

1  引言
    風(fēng)能是一種潔凈的可再生能源，在當(dāng)今能源和環(huán)境問題日益受到關(guān)注的情況下，利用風(fēng)能進(jìn)行發(fā)電日益受到人們的重視。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在世界上得到了飛快的發(fā)展，越來越多的大中型風(fēng)電場相繼建成并投入運(yùn)行，風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展走上了功率大、重量輕、造價(jià)低、可靠性高的商業(yè)化道路。我國地域遼闊，風(fēng)力資源豐富，充分利用風(fēng)力發(fā)電已成為一項(xiàng)重要而迫切的任務(wù)。近年來，我國風(fēng)力發(fā)電已具備了一定的規(guī)模，已有27座稍具規(guī)模的風(fēng)電場，到2001年底，全國風(fēng)力發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)399.9MW。
    由于風(fēng)能具有隨機(jī)性和間歇性的特點(diǎn)，隨著風(fēng)力發(fā)電規(guī)模的不斷擴(kuò)大，風(fēng)電場并網(wǎng)及并網(wǎng)后的穩(wěn)定和安全問題逐漸成為電力工作者急需解決的新課題。其中建立風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及風(fēng)電場的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行仿真分析是重要的手段之一。傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)基本采用同步發(fā)電機(jī)，但自20世紀(jì)80年代以來，世界上大中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)絕大多數(shù)已采用異步發(fā)電機(jī)。異步發(fā)電機(jī)有著制造簡單，啟動(dòng)方便，并網(wǎng)要求低，易于自動(dòng)控制等特點(diǎn)。因此研究異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型及系統(tǒng)的仿真分析有重要意義。
    文[1]從控制角度建立了大型變槳距恒速水平軸風(fēng)力機(jī)帶動(dòng)異步電機(jī)并網(wǎng)的非線性數(shù)學(xué)模型，在不同風(fēng)速下進(jìn)行了開環(huán)仿真，為控制器的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)；文[2]以發(fā)電機(jī)慣例建立了風(fēng)力發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真分析，對風(fēng)電場系統(tǒng)和風(fēng)水互補(bǔ)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究；文[3]建立了詳細(xì)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合實(shí)際風(fēng)電場接入情況研究了風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)后造成的電網(wǎng)電壓波動(dòng)現(xiàn)象。
    本文在文[1]、[2]、[3]的基礎(chǔ)上，建立了可用于小干擾穩(wěn)定分析的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組數(shù)學(xué)模型，并通過2個(gè)算例研究了影響包含風(fēng)電場的電力系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性的因素。
2  數(shù)學(xué)模型
2.1  風(fēng)輪機(jī)系統(tǒng)
    風(fēng)輪機(jī)主要由葉片、輪轂、齒輪箱和聯(lián)軸器等傳動(dòng)裝置組成。
    （1）葉片的主要作用是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成作用在輪轂上的機(jī)械轉(zhuǎn)矩。風(fēng)速與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系如下