包含風電場電力系統的小干擾穩定分析建模和仿真

 摘  要：為了研究風電場和電力系統相互作用的穩定性，提出一種用于小干擾穩定分析的風力發電機組的數學模型。應用該建模方法對風電場接入無窮大系統和接入三機系統的兩種情況進行了計算，研究了風電場接入系統后影響系統小干擾穩定性的因素。算例分析表明，與風電機強相關的振蕩模式有著很好的阻尼；與電力系統相連時，風電場對與大系統中其它同步發電機強相關的振蕩模式影響很小。該建模方法為包含風電場電力系統的小干擾穩定分析提供了理論依據和實用工具。
關鍵詞：風力發電機；電力系統；小干擾穩定分析

1  引言
    風能是一種潔凈的可再生能源，在當今能源和環境問題日益受到關注的情況下，利用風能進行發電日益受到人們的重視。隨著科學技術的不斷發展，風力發電技術在世界上得到了飛快的發展，越來越多的大中型風電場相繼建成并投入運行，風力發電的發展走上了功率大、重量輕、造價低、可靠性高的商業化道路。我國地域遼闊，風力資源豐富，充分利用風力發電已成為一項重要而迫切的任務。近年來，我國風力發電已具備了一定的規模，已有27座稍具規模的風電場，到2001年底，全國風力發電總裝機容量達399.9MW。
    由于風能具有隨機性和間歇性的特點，隨著風力發電規模的不斷擴大，風電場并網及并網后的穩定和安全問題逐漸成為電力工作者急需解決的新課題。其中建立風力發電機組及風電場的數學模型，并進行仿真分析是重要的手段之一。傳統的風力發電機基本采用同步發電機，但自20世紀80年代以來，世界上大中型風力發電機絕大多數已采用異步發電機。異步發電機有著制造簡單，啟動方便，并網要求低，易于自動控制等特點。因此研究異步風力發電機的數學模型及系統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力機帶動異步電機并網的非線性數學模型，在不同風速下進行了開環仿真，為控制器的設計提供了依據；文[2]以發電機慣例建立了風力發電機數學模型并進行了動態仿真分析，對風電場系統和風水互補系統的穩定性進行了研究；文[3]建立了詳細的風力發電機組數學模型，并結合實際風電場接入情況研究了風電機組并網后造成的電網電壓波動現象。
    本文在文[1]、[2]、[3]的基礎上，建立了可用于小干擾穩定分析的風力發電機組數學模型，并通過2個算例研究了影響包含風電場的電力系統的小干擾穩定性的因素。
2  數學模型
2.1  風輪機系統
    風輪機主要由葉片、輪轂、齒輪箱和聯軸器等傳動裝置組成。
    （1）葉片的主要作用是將風能轉換成作用在輪轂上的機械轉矩。風速與轉矩之間的關系如下