风电场的等值分析与建模仿真研究

1、本 科 毕 业 设 计（论文）题 目：风电场的等值分析与建模仿真研究学生姓名： 学 号： 专业班级：电气工程及其自动化 班指导教师：陈继明 风电场的等值分析与建模仿真研究摘 要目前风力发电的研究已经成为一个重要的课题。在考虑风电场的并网特性和对电力系统的影响时，如果对风电场内每台双馈风力发电机进行详细建模，计算机的工作量大并且效率低。将风电场内具有相似工作特性的风电机组等值成一台风力发电机，将会大大减少仿真计算量、提高效率。本文分析了双馈式风力发电机的基本工作原理和具体的数学模型，在此基础上以 PSCAD/EMTDC软件为仿真平台，搭建了双馈风力发电机的动态数学模型。以风速为分群指标采用改进的

2、容量加权法对风机、双馈式发电机和控制系统分别进行等值建模，然后搭建了不同风电机组的详细模型和等值模型，仿真结果表明等值模型在稳定运行、风速波动和外部短路故障下的运行特性与风电机组的详细模型基本吻合,说明了其等值方法的正确性。关键词：双馈式感应发电机；等值；容量加权法；PSCADThe equivalent analysis of wind farm and studies of simulation modelingAbstractNowdays the wind power generation has gradually become an important topic of resea

3、rch. If the model of each doubly-fed wind power generator in the wind farm was set up in detail, the computer will workload and have low efficiency. If make wind power generators which have similar features in the wind farm into an equivalent wind power generator, that will greatly reduce the simula

4、tion calculation and improve efficiency. This paper analyzes the basic principle and specific mathematical model of doubly-fed wind power generator, Set up a dynamic mathematical model of doubly-fed wind power generator based on the PSCAD/EMTDC software for the simulation platform. The modified capa

5、city of the weighted method is adopted for wind turbine、doubly-fed generator、the control systems modeling equivalent. Then set up the detailed model and equivalent model of wind turbines. The simulation results suggested that the equivalent models operation characteristics under stable operation or

6、wind speed fluctuation or the external short circuit fault consistent with the detailed model of wind turbines, illustrating the validity of the equivalent value method.Keywords：Double-fed Induction Generator; Equivalence; Weighted method; PSCAD目 录第1章引言11.1 选题背景和研究意义11.2 双馈式风力发电机等值建模的研究现状21.3 本文的研究内

7、容3第2章变速恒频双馈风力发电系统的数学模型42.1 双馈风力发电机的原理42.2 风机数学模型52.2.1 风能利用系数52.2.2 风机捕获功率62.2.3 风机驱动系统模型72.3 双馈风力发电机的动态数学模型72.3.1 感应发电机的传递公式72.3.2 双馈发电机的动态数学模型82.3.3 双馈发电机有功无功的解耦控制82.3.4 网侧控制系统的数学模型92.3.5 转子侧控制系统的数学模型92.4 本章小结10第3章双馈风力发电机的等值研究113.1 双馈式风力发电机模型内部的等值参数计算113.1.1 视在功率和转矩的等值113.1.2 变换器直流环节的等值113.1.3 阻抗的

8、等值123.1.4 比例系数和积分时间常数的等值133.1.5 转动惯量、扭转系数和阻尼系数的等值133.2 双馈式风力发电机的风速等值133.3 集电线路的阻抗的静态等值143.4 本章小结16第4章风电场等值的仿真分析174.1 详细模型的搭建174.2 等值模型的搭建174.3 四种情况的风机等值及结果分析184.3.1 十台同风速同型号的风机等值结果184.3.2 十台不同风速同型号的风机等值结果214.3.3 六台同风速不同型号的风机等值结果234.3.4六台不同风速不同型号的风机等值结果264.4 对于不同功率的双馈式风力发电机不同风速下风能利用系数的测量284.5 本章小结29第

9、5章总结和展望30致 谢31参考文献32附 录34附录A风机参数34附录B发电机参数34第1章 引言1.1 选题背景和研究意义改革创新以来，工业技术不断发展，能源枯竭问题日益恶化，利用风能这种无污染的新能源进行发电被广泛地应用到电力系统上，其中以双馈式风力发电机和直驱式风力发电机为代表。风能资源是取之不尽用之不竭的可再生能源，充分利用风能资源，不断开发研究风力发电技术已经成为近代学者研究的热点课题。我国地形复杂，风能分布地区都比较偏远，风能较丰富的地区大多是在西北空旷地区和东部沿海地区，而用电区域却是集中在东部，因此风电并网过程需要长距离的电力传输。风能资源具有明显的季节特性，呈现冬季风大、夏

10、季风小的特点，这也是风力发电机发电不稳定的一个重要因素。近年来随着对风能资源的挖掘利用，并网风电场的规模越来越大，人们用电水平的提高，对电能质量的要求也越来越严格。由于风能具有波动性、间歇性、不可控性和不能储存的特点，风力发电机并网会对电力系统的稳定性、电能质量、电网频率、发电计划与调度、系统备用容量等方面产生影响 1。在我国，风电呈现“以大规模集中接入、远距离输送、大范围消纳”为主，“以大规模分散接入，就地消纳”为辅的特点，大容量集中接入、远距离输送以及风电电源本身的出力、控制特性等都决定了风电并网会对电网运行产生较大影响，且这种影响具有不同于常规电源的特殊性2。大规模风电场并网装机容量占电

11、网总装机容量的比例在逐步扩大，风电并网对电网的稳定运行带来越来越大的冲击。对电网的影响主要表现在三个方面，第一方面就是对电力系统稳定性的影响：风力发电机并网会在向电网发送有功功率的同时吸收一部分的无功功率，对于小容量的风电场并网不会对电网造成明显的影响，电网有足够的余力来提供小容量风机维持电压稳定所需要的无功。一旦大规模的风电场并网而电网无功补偿又不充足时，就会影响到并网电压的稳定性；第二个方面就是对电网电能质量的影响：电网的电能质量主要包括电压和频率，风电并网会对电网电能质量造成一定的影响，尤其是电压的波动和闪变，当风速波动时，风机的无功功率就会有所波动，从而影响到电网电压的波动，并且电力电

12、子器件的应用会对电网产生谐波污染，风电场受风速波动的影响可能会不断的切入与退出电网，这样对电网的注入功率也在不断地变化之中，有功与频率有关，从而就造成了电网频率的波动；第三个方面就是风电并网对系统备用容量的影响：风电的功率波动并不随着负荷的功率波动而变化，这样电网的备用容量在用于负荷波动的调峰之后，剩余的备用容量还得用于风电场的调峰，如果电网的备用容量有限，很可能就不足以对风电功率波动进行调峰，因此会影响电网的备用容量的多少。风电场规模越大，对电网的影响就越大，因此研究风电场并网特性对电网的安全稳定运行具有重要意义。风电场中，如果要研究风力发电机并网对电力系统正常、波动和故障时稳定性能的影响，

13、就要对数十台甚至是上百台的风电机组进行详细建模研究，计算机工作量大，仿真时间也很长，所以如果将一些具有相似特性的风电机组按照一定的分群指标分群，然后将同一群组的风电场等值成一台风电机，只要保证其输出特性与等值前基本一致，就减少了仿真时间、提高了计算机的工作效率，由此可见研究风机等值对于我们研究风电场并网的动态特性以及对电力系统的影响具有重大的意义。随着可再生能源的不断开发利用以及电力电子技术的日渐成熟，变速恒频的双馈式风力发电机在风电场中所占的比重越来越大，风电场的等值分群指标主要是以风力发电机的并网运行特性是否相似为基准，而双馈式发电机的并网运行特性在相似风速下基本相同，因此研究双馈式风力发

14、电机的等值方法非常紧迫和重要。1.2 双馈式风力发电机等值建模的研究现状本文风电场的等值与建模仿真研究是以变速恒频双馈式风力发电机为研究对象的，这种风电机可以根据风速的变化，改变转子的转速，实现最大功率跟踪，并且可以实现与电网的柔性连接，变速恒频双馈式风力发电机逐渐成为国内外很多学者研究的热点，具有很乐观的发展前景。作为等值研究的理论基础，需要首先建立风电系统的数学模型，包括风力机模型、异步发电机模型 3，如今风电的发展趋势就是从定桨距到变桨距发展，从恒速恒频到变速恒频发展，从小容量风电场到大容量风电场发展，从陆地风电场向海上风电场发展，从而双馈式变速恒频风力发电机逐渐成为主流风机类型，而对于

15、双馈式风力发电机动态数学模型的搭建目前已经取得了一定的成就,对于风电场等值的前提条件是满足等值后的容量等于等值前风电场的总容量之和，等值后输出的有功功率等于等值前有功功率之和4，在资源优化和世界各国政策的推动下，风电场的等值在国内外已经取得了长足发展。近年来，国内外对于风电场等值方法的研究比较多，风电场的等值可以分为静态等值和动态等值两大类。对于静态等值方法5主要有利用PQ结点代替风力机来进行风电场的等值、在静态层面上的风电场输出功率迭代相加法等等；对于动态等值法6，有最典型的单机等值法78、参数辨识等值方法78、变尺度降阶等值方法78等等。等值方法的研究还在不断地完善中，为了使风电场的等值效

16、果更好，很多学者提出了利用遗传算法9对风电场进行等值，但此种方法因其目标函数过于简单以及采样点较少的缺点，其动态特性不能够达到良好的状态，等值效果还有待完善。为了研究风电场的输出特性，就要对风电场搭建详细的风力发电机模型，在仿真平台上模拟风机并网，研究并网特性。风机模型的控制方式不同，仿真的控制过程以及控制效果也会有所差异，为了使风力发电机模型能够更好地代替实际的机组，需要不断地完善模型的控制方法。随着对风电场建模问题的大量研究，风电场的建模已经取得了初步的成功。目前仍然有许多的建模问题需要解决，因此对于风电场的控制方式以及数学模型的建立还在不断完善中。1.3 本文的研究内容本文主要是针对研究

17、大型风电场并网的稳态性能，建立了风电场的等值模型，降低了双馈式风力发电机在PSCAD/EMTDC仿真软件上数学模型和控制系统模型的复杂性，并且也减少了仿真的占用时间。本文主要进行以下几个方面的工作：1、简单学习了风力发电的基础知识，主要包括当前风力发电机种类和特点以及现在风力发电的研究现状和发展趋势；2、深入学习了变速恒频双馈风力发电机的基本工作原理、运行特点、控制策略和并网影响，了解了双馈式风力发电机在风力发电中的重要程度。3、总结了风电场的等值方法，深入研究了容量加权等值方法，学习了根据压降不变和损耗不变原理对阻抗参数进行等值的方法，同时学习了基于等效风速的风电场等值。4、基本学会了使用P

18、SCAD仿真软件，用PSCAD仿真软件搭建变速恒频双馈风电系统模型，然后在详细模型基础上利用等值方法搭建了等值模型，测试运行效果。5、分析其在不同风速下，不同扰动情况下，风电场的详细模型和等值模型的动态特性差异，并得出结论。第2章 变速恒频双馈风力发电系统的数学模型双馈式风力发电系统涵盖了很多学科的内容，包括空气动力学、电力电子学科技术，计算机控制技术以及现代控制理论技术等。双馈风力发电机系统的模型主要包括风机模型、双馈发电机模型和控制系统的模型。 风能经过风轮机会有一定的功率损耗，风机捕获功率11的大小由风能利用系数1112决定。双馈式风力发电机的主要优势在于双馈机可以根据风速变化调整发电机

19、的转速13。本文中双馈风力发电机网侧变换器采用的是以电网电压定向的矢量控制策略，转子侧采用的是以定子电压定向的矢量控制策略，可实现发电机输出有功、无功功率的解耦控制14。 对于风力发电机，不同的根据，分类也不同：根据其调节方式和运行方式，主要分为变速恒频风力发电机和恒速恒频风力发电机，恒速恒频风力发电机主要在额定转速附近运行，变速恒频则根据需要调节转速；根据风机根据地面与风轮轴的关系，分为水平轴风力机和垂直轴风力机。2.1 双馈风力发电机的原理变速恒频双馈式风力发电机隶属于绕线式异步发电机，其最大的特点就是采用交流励磁方式，所以又称为交流励磁发电机，励磁电流根据其运行方式可以是交流也可以是直流

20、。双馈式发电机定子侧的三相对称绕组直接与工频电网相连，主要任务是保证直流侧电压保持不变，转子侧是经过背靠背式的PWM变换器与电网相连的，且励磁电压的相位、相序、幅值和频率都可以根据运行要求加以调节，其结构简图如Error! Reference source not found.所示。转子侧的主要任务是通过改变励磁电流大小和相位相应地控制感应电机定子输出的有功功率和无功功率。图21双馈风力发电系统示意图双馈式风力发电机的定子磁场旋转频率等于转子磁场的旋转频率加上转子自身转速的频率之和。转子绕组的电压频率、相位和幅值是可以根据发电机的转子转速的变化而变化的。转子磁场的转速与转子电流的频率和电机的极

21、对数决定的，转子励磁的旋转速度用表示，则。定子磁场的旋转速度用表示，转子转速用表示，则只要维持等式，那么发电机输出的频率就会维持在额定频率不变。对于双馈式风力发电机根据其转子转速与定子磁场转速的大小关系，可以分为超同步、同步、亚同步三种运行状态。当时，发电机属于超同步运行状态，此时转子是向电网输出功率的，转子励磁磁场方向与转子转动方向是相反的；当时，发电机属于同步运行状态，转子电流是直流，此时既不向电网输送功率也不向电网吸收能量；当时，发电机属于亚同步状态，此时转子绕组是向电网吸收功率的。2.2 风机数学模型2.2.1 风能利用系数研究风力机，主要的就是研究风能利用系数 ：风能通过风力机的旋转

22、平面后风速会下降，只有一部分的动能会被风力机吸收，其余部分被损耗掉。所谓风能利用系数是指风能通过风力机时风力机吸收的动能与风能通过风力机之前所拥有的动能之比。风能利用系数的计算公式如式、和所示：上式中：是指风机旋转角速度，单位是；是指风机扫风面积的半径，单位是；是指输入的实际风速，单位是；是指尖速比；是指桨距角，即风轮机叶片与所确定平面的夹角；这些都是常数。由式、可以得出风能利用的特性曲线，如Error! Reference source not found.所示：图22 风能利用曲线对于风能利用系数的研究主要是找到最佳风能利用系数。一般在额定功率以下风力发电机采用的是最大功率跟踪方式，这时桨

23、距角为零；为了使风能利用系数一直保持在最佳值，转子转速要跟随着风速的变化而变化。2.2.2 风机捕获功率风力机的风能捕获利用的是风力机的气动特性，风机叶片的旋转是由叶片的阻力和升力共同作用。风力机的捕获功率等于通过风轮机叶片的风能与风能利用系数的乘积，则风力机捕获的风能功率如式所示。式中：Pm是风力机的输出功率也就是风机捕获功率，单位是kW；是空气密度，单位是，本文所用模型采用的是1.225；代表的是风轮机的扫风面积，单位是；为风速，单位是；是指切入风速，单位是；是切出风速，单位是；为额定风速，单位是；是指风能利用系数，它的大小由桨距角和尖速比决定。此公式的定义是指，当风速在切入风速之下时，风

24、机是不并网的，风力机获得的风能功率也就是零；当风速大于切入风速而小于额定风速时，风力机的捕获功率按最大风能利用公式获得；当风速在额定风速与切出风速之间时，采用的是恒功率控制。2.2.3 风机驱动系统模型驱动系统的两阶模型如式所示，其中是风机的惯性时间常数，、分别是风机的旋转角速度、转子的角速度和定子的角速度，是风机旋转角度，是感应电机的阻尼系数，是指弹力扭转系数，是感应电机的滑差，是风机的输出转矩，是感应电机的输入转矩。2.3 双馈风力发电机的动态数学模型双馈风力发电系统的数学模型包含三相静止坐标系、两相静止坐标系、两相旋转坐标系下的不同的动态模型。本文就双馈风力发电机两相旋转坐标系下的动态数

25、学模型进行研究。2.3.1 感应发电机的传递公式感应发电机的输入机械功率和电磁功率的关系如式所示，其中是感应电机的惯性时间常数，是电磁转矩。2.3.2 双馈发电机的动态数学模型将静止坐标系下的方程转化到以电网电压定向的旋转坐标系下，得到双馈发电机dq坐标变换下的数学模型如式、所示：其中，。下标有小1的表示定子侧；下标有小2的表示转子侧；代表电压；代表电阻；代表电流；代表求微分算子，表示；代表磁通；分别代表旋转坐标的轴分量和轴分量；磁通表达式中的代表电感，其中代表定子绕组所产生的磁通，是指励磁磁通，是指转子绕组所产生的磁通。2.3.3 双馈发电机有功无功的解耦控制对于双馈式风力发电机，定子侧向电

26、网输送的有功功率和无功功率如式所示：本模型是基于定子电压定向，并且定子侧电阻可以忽略，将定子侧电压定向在d轴分量上，如式所示：将式、代入式中，可以推导出定子电流和转子电流之间的关系如式所示：将已知参数带到式中，得到定子侧有功功率与无功功率的数学表达式如式所示:由上式可以看出定子有功功率是由转子d轴分量决定的，定子无功功率是由转子q轴分量决定的，实现定子侧向电网输出有功功率和无功功率的解耦。 2.3.4 网侧控制系统的数学模型定子侧的q轴电流参考值为零，得到的模型如式、所示：其中和为网侧PWM和电网之间的电抗和电阻，是每个比例积分环节的比例系数和积分时间常数的倒数，下标带有的是指参考值。2.3.

27、5 转子侧控制系统的数学模型转子侧电流的d、q轴分量参考值是通过对定子输出的有功参考值与实际值之差和无功参考值与实际值之差经过比例积分环节得到的，则电压旋转坐标轴的参考量如所示：2.4 本章小结本章介绍了双馈式风力发电机的原理，分析了风轮机的风能捕获原理以及双馈式风力发电系统的数学模型和控制系统的模型。双馈式风力发电机的最大特点就是可以根据不同的风速和运行控制要求进行变速运行，可以通过控制网侧PWM变换器来控制直流侧的电压恒定，通过控制转子侧的PWM变换器来实现对定子侧输出有功功率和无功功率的解耦控制，实现最大功率跟踪。 第3章 双馈风力发电机的等值研究 提到风电场的等值，其主要目的就是研究风

28、电场并网的动态特性。近年来随着风电场规模的不断增大，如果要通过仿真研究并网特性，对每台风机都进行详细建模的话，不但建模复杂，仿真时间也是一个大的问题，但是一旦将风电场等值成一台或几台风机进行建模研究，仿真时间和建模的复杂性都会大大地降低。这次设计就是根据风电场内风机的平均风速和差值来对风电场进行分群，然后等值成一台风力发电机进行仿真。要研究风机的等值，也要知道风机驱动系统的数学模型和感应电机的转矩转化公式,这些涉及到转动惯量、阻尼系数和扭转系数的等值15,风力发电系统的等值还包括风力发电机内部容量、电容、比例积分环节的比例积分系数和阻抗的等值11，除此之外还有基于等效风速的风电场等值建模16和

29、集电线路的阻抗等值17。风电场等值主要是等值前后风机并网在电网稳定运行、风速波动18和三相短路故障下的运行特性是否一致,并且风电场有功出力对短路电流的幅值影响不大，有功出力越大，故障后电压恢复越慢19。3.1 双馈式风力发电机模型内部的等值参数计算3.1.1 视在功率和转矩的等值 等值参数的确定是根据等值前后，输出功率不变的原则进行的，利用加和法算出等值功率；同样，等值转矩的求取方法跟等值功率一样。如式(3-1)所示就是等值视在功率和转矩的求取公式。(3-1)式(3-1)中，是指风机的等值视在功率或者发电机的等值输出视在功率，是指等值前第j台风机的输入功率；同样的，是风力发电机的等值转矩，是等

30、值前第j台风力发电机的转矩。3.1.2 变换器直流环节的等值对于背靠背式的变换器的直流环节，由于等值后输出容量变为等值前每台风机的加和，通过变频器的容量也相应的增大，那么直流环节的电容随容量的增加而增加。是指等值电容，是指第j台发电机直流环节的电容值，其电容等效值也得如式(3-2)所示：(3-2)3.1.3 阻抗的等值对于网侧和转子侧的变压器也需要等效，视在功率的等值同发电机一样，也是利用加和法来进行等效，然后就是发电机的变压器的阻抗等值，阻抗的等值是根据压降不变的原理进行的，由于风电场等值前后其电压不变，无功控制为零，所以电流的大小与双馈式风力发电机发出的容量是成正比关系的，要想压降不变，那

31、么等值电机的容量增大，电流也就增大，电抗值是要成比例减小的。如对于同一型号的风力发电机组进行等值时，其阻抗等值的计算方法如式(3-3)、(3-4)所示，其中是指电网侧阻抗，是指转子侧阻抗：(3-3)(3-4)如果是型号不同的变压器进行等值，那么设1MW对应的阻抗为,则等效阻抗与所求阻抗处的总额定功率有关,则等效阻抗的计算如式(3-5)所示:(3-5)本论文采用的模型中阻抗主要使用的是标幺值，标幺值的计算是需要实际值除以基准值的，而基准值与风机额定容量有关，等值双馈风力发电机的容量是等值前的加和，输出电压要控制为，等值前后电压控制大小不变，所以电流随着容量的增加而增加，因此等值模型中，计算电流的

32、标幺值时要注意容量的改变。再者就是有功功率和无功功率标幺值的计算时，也要记住基准值容量的改变；涉及到容量变化的还有网侧变换器与电网之间和转子侧变换器与转子之间的变压器容量也要采用加权法来等值，其阻抗的等值方法同感应发电机阻抗的等值方法。值得注意的是这次等值使用的模型主要是使用的标幺值来搭建的，一定在将具体模型的标幺值化成实际值再进行计算，然后再将等值后的实际值换化成标幺值。同理，对于系统内部的其它阻抗也是采用压降不变原理进行等值。3.1.4 比例系数和积分时间常数的等值对于比例积分环节的比例微分参数的等值，这里使用的是容量加权法，根据权重比来等值。本次模型的比例积分环节主要是转子侧和定子侧的控

33、制环节，最大功率跟踪环节，桨距角控制环节和齿轮传输环节。它的代表性公式如式(3-6)所示；(3-6)式(3-6)中为权重比：其中，。3.1.5 转动惯量、扭转系数和阻尼系数的等值比例积分环节参数等值之后，就是电机转动惯量、阻尼系数和扭转系数的等值如式(3-7)所示：(3-7)式中，是风机或者交流励磁发电机的转动惯量，是指阻尼系数，是指扭转系数。3.2 双馈式风力发电机的风速等值在风电场中，风机的型号并不一定相同，并且受地形因素和风机安装位置的影响，风机的风速也不会完全相同，肯定会有差异，这样就涉及到风速不同的风机的等值问题，在风电场中如果风速差异很大，那么风机的运行状态也会差异很大，如果将这些

34、风速差异很大的风机等值成一台风机，那么等值前后的输出特性会有较大的差值，不适合研究风电并网的运行特性，所以本文提出了按照风速对风电场进行分群等值的方法。当然，风速的绝对相同是不太可能的，本文将平均风速差异不是很大的风机等值成一台风机，这样就需要计算等值后那一台风机的风速，等值风速的计算也是本小节要研究的内容。本论文中等值风速的计算与等值前后的容量有关，也就是与风机的捕获功率有关，在上一章中有写到风机运行时。为了保证等值风机捕获功率等于等值前每一台风机捕获功率的加和。等值风速的计算公式如式(3-8)、(3-9)所示：(3-8)(3-9)式(3-8)和(3-9)中。本次设计中，除了要研究风速稳定状

35、态下风电场的等值效果，还要考虑狂风状态下的等值效果，所以风速等值过程中还要考虑狂风的等值。在计算狂风时可以把稳定风加狂风的加和做为每一台风机的风速，而后就用式(3-9)来计算包含狂风分量的等值风速，最后减去稳定风的等值风速就得到了等值狂风。除了这种风速不同的风电场的等值，对于风速相同容量也相同的风机，等值风速就不需要计算，保持等值前后风速相同即可；但是对于风速相同型号不同的风机进行等值，由于其容量、风机半径和风能利用系数不同，等值前后有所差异，所以也要用式(3-9)来重新计算一下。3.3 集电线路的阻抗的静态等值双馈式风力发电机发出0.69kV的电压，首先经过0.69kV/35kV的变压器将低

36、压转变成中压，而后经过集电线路与其他的风机一起并到母线上，经母线汇集之后，短距离的输送一段时间，然后经35kV/220kV的变压器中压变为高压，经长距离的线路传送并到电网上去，以四台等值为例，集电线路如下Error! Reference source not found.所示。图31 风机并网集电线路图图3-1变压器的右侧接的是风机，图的左侧电源是电网。在风电场中，将多台风机等值成一台风力发电机时，0.69kV/35kV的变压器由多个并联等值成一个，等值过程中变压器的容量要根据需要变大，否则会影响输出的有功和无功的功率大小；对于输电线路，我们主要关注的是风机并网输电线路上损耗的功率，等值过程中

37、如果对风电场并网内部的集电线路进行详细建模也是没必要的。在计算过程中需要把并入母线的集电线路也要由多条并联等值为一条，因此集电线路的阻抗值要根据需要等值，而集电线路阻抗的等值是根据线路损耗功率不变的原理来进行的。本文仿真采用的集电线路是型等效电路，等值计算过程中假设1MW的风机的输出电流为,有台风机需要等值，每台风机的输出功率设为，每台风机到集电线路的阻抗值设为，等值之后的阻抗为，所有风机输出的总功率之和为，根据损耗不变原理，则得到如下计算公式(3-10)：(3-10)根据所计算出的集电线路等值阻抗的大小，来确定型等效电路的输电线路的距离。3.4 本章小结本章涉及到的主要内容是风电场等值方法的

38、研究和等值参数的计算过程，分别介绍了双馈式风力发电系统模型内部参数的等值计算方法、风速等值的计算方法、集电线路阻抗等值的计算方法。本章研究的等值方法是以风速为分群指标的，其中模型内部参数的等值采用的容量加权法，内部阻抗的等值采用的是压降不变原理，集电线路上阻抗的等值采用的是线路损耗不变的原理，风速的等值是根据风机捕获功率不变的原理进行的。第4章 风电场等值的仿真分析4.1 详细模型的搭建详细模型的搭建要以双馈式风力发电机的基本数学模型和控制策略为基础，其中详细模型控制输出的无功功率为零，有功功率满足额定风速以下实现最大功率跟踪，额定风速以上实现恒功率控制的要求。详细模型的搭建分为六个模块：第一

39、个模块是系统的主电路，主要包括发电机、进线电抗器、背靠背式的PWM变换器和网侧与转子侧的变压器；第二个模块是信号的预处理和DQ变换，主要包括信号的滤波处理和网侧电压电流和转子侧电流的DQ变换；第三个模块主要是电压相角和频率的计算，主要包括锁相环PLL的处理；第四个模块主要是风机的桨距角控制、风机捕获功率的计算和风能利用系数的计算；第五个模块主要是风力发电机的最大功率跟踪；第六个模块是转子侧和定子侧的控制系统，电网侧轴电流参考值设定为零。对于双馈式风力发电机双PWM控制系统框图如Error! Reference source not found.所示图41 双PWM的控制系统框图4.2 等值模型

40、的搭建对于等值模型的搭建是在详细模型的基础上进行的，主要研究的是等值参数的计算过程，其次还要考虑风电场的尾流效应造成风力发电机风速不同情况下对于等值风速的计算方法。风电场的等值主要分为以下几个步骤进行：第一步要对发电机和变压器的功率、电容的容量和进线电抗器进行等值；第二步要对电流和容量的基准值进行等值；第三步要对风机半径和齿轮传输比进行等值；第四步要对比例积分环节的比例系数和积分时间常数进行等值；第五步要对风速进行等值；第六步要对集电线路的阻抗进行等值。典型风电场的布局如Error! Reference source not found.所示。图42 典型风电场的布局图4.3 四种情况的风机等

41、值及结果分析风电场中风机类型多，风机等值可以分为四种情况，分别为同风速同型号、不同风速同型号、同风速不同型号和不同风速不同型号的等值，主要研究他们在电网正常运行、风速波动和电网故障情况下的等值。4.3.1 十台同风速同型号的风机等值结果对于风电场中同风速又同型号的风机，由于其参数类型完全相同，风速保持原来的值不变，按照第三章的等值方法对其进行等值，等值过程与结果如下。十台同型号的风机在同风速下，等值参数的计算如Error! Reference source not found.所示，研究了持续三秒的风速波动下和电网三相短路故障下的等值波形，分别测出了等值前后的有功波形、无功波形、电压波形和电流

42、波形。表41 十台同型号同风速风机的等值参数计算参数单个具体模型等值模型直流侧电容（pF）10000电流基准值(kA)1.25512.55发电机惯量(J)0.6856.85网侧变压器容量(MW)0.55转子侧变压器容量(MW)2200.69/35kv变压器容量(MW)1.7517.5容量基准值(MW)1.515风速（m/s）1515狂风最大值（m/s）55下Error! Reference source not found.、Error! Reference source not found.、Error! Reference source not found.、Error! Referenc

43、e source not found.分别是等值前后向电网输出的无功功率、有功功率、电压、电流曲线比较图，下标是的表示等值后的曲线，1s的时候有持续3s的狂风，16s时有持续0.05s的三相短路故障。等值前后曲线基本重合图43 等值前后的无功功率曲线等值后曲线等值前曲线图44 等值前后有功功率的曲线图等值前后曲线基本重合图45 等值前后电压的曲线图等值前后曲线基本重合图46 等值前后电流的曲线图对于十台同风速同型号的双馈式风力发电机组进行等值，在仿真平台上搭建详细模型和等值模型，分别比较电网正常运行条件下、风速波动和电网发生三相断路故障下的输出动态特性。由Error! Reference so

44、urce not found.、Error! Reference source not found.、Error! Reference source not found.、Error! Reference source not found.四个曲线图可以看出，当出现狂风时，风机和发电机的转速会随之上升，转速控制环节会使电流上升，进而双馈式风力发电机定子侧输出的有功功率、无功功率和电压都会上升，在风速波动结束后，控制环节会控制有功功率、无功功率和电压恢复稳定状态，在恢复的过程中还会存在超调现象；当电网出现三相电压短路故障时，风机会输出无功功率，电压跌落接近为2.6KV左右，风机有向电网吸收有功功

45、率的趋势，输出电流突然上升到很大值，之后慢慢下降，故障消除时，风机向电网吸收无功功率，电压电流和有功都在逐渐恢复。跟踪效果良好，等值基本符合要求。4.3.2 十台不同风速同型号的风机等值结果（1）等值参数的计算对于同型号不同风速的风机，这里所说的不同风速，是指小的风速差异，在一定的允许范围之内，如果风速差异过大，会导致风机运行特性有很大差异，影响等值效果，风速差异的引起与风机所在地形和风机安装位置有关，因此在等值过程中，我们假设地形平坦，安装位置在同一排上或者两排。等值参数的计算与Error! Reference source not found.一样，十台风机的不同风速如Error! Ref

46、erence source not found.所示：表42 不同风机的不同风速统计表风机编号每台风机风速(m/s)每台风机的狂风最值(m/s)1号风机1552号风机1553号风机1554号风机1555号风机1556号风机14.54.83337号风机14.54.83338号风机14.54.83339号风机14.54.833310号风机14.54.8333假设这十台风机每五台在同一排上，所以风速差异是由尾流效应引起的，并且影响并不是很大，那么这十台风机就可以分为同一个群组进行等值，等值风速为：；等值狂风为。 （2）等值结果曲线图如Error! Reference source not found

47、.、Error! Reference source not found.、Error! Reference source not found.、Error! Reference source not found.就是等值前后无功功率、有功功率、电压和电流的曲线图，下标是的表示等值之后的曲线：等值前后曲线基本重合图47 等值前后无功功率的曲线图等值前后模型曲线基本重合图48 等值前后有功功率的曲线图等值前后模型曲线基本重合图49 等值前后电压的曲线图等值前后模型曲线基本重合图410 等值前后电流的曲线图不同风速风机的等值涉及到等值风速的计算，其余等值参数的计算方法和同风速的风电机组相同，由Err

48、or! Reference source not found.、Error! Reference source not found.、Error! Reference source not found.、Error! Reference source not found.四个曲线图中可以看出，当出现狂风与电网发生三相短路故障时，等值前后风电场的输出特性基本一致，等值效果良好，狂风的出现，对电网电压和无功功率也产生了影响，在调节作用之下恢复了稳定状态，可以看出，在调节的过程中出现了超调现象，短路故障下等值效果依然良好。综上所述，风速等值方法符合要求，对于风速差异不大的同类型同型号的风电机组可以合

49、为同一群体进行等值研究。4.3.3 六台同风速不同型号的风机等值结果（1） 等值参数的计算对于同一类型不同型号的风机，其运行特性在同一风速下基本相同，等值方法与同型号风机组的等值方法类似，下面是其等值参数计算，如Error! Reference source not found.所示：表43 六台同风速不同型号风机的等值参数表参数1.5MW2MW2.5MW等值模型电容（pF）10000133331666780000电流基准值（kA）1.2551.6732.09210.04发电机惯性(J)0.6850.91331.1425.48网侧变压器（MW）0.50.6670.8334转子侧变压器（MW）2

50、2.6673.33316线路变压器容量（MW）1.752.5314.5容量基准值（MW）1.522.512风速（m/s）15151515狂风（m/s）5555（2）等值对比结果的曲线图测量了在电网正常，狂风影响和三相短路故障这三种情况下等值前后的曲线图，如Error! Reference source not found.、Error! Reference source not found.、Error! Reference source not found.、Error! Reference source not found.所示；其中下标带的是等值后波形：等值前后曲线图基本重合图411 无

51、功功率等值前后曲线图等值前后曲线基本重合图412 有功功率等值前后曲线图等值前后曲线基本重合图413电压等值前后曲线图等值前后曲线基本重合图414 输出电流等值前后曲线图对于六台不同型号的风机，通过等值，对比输出的波形，发现等值效果良好，等值前后的曲线图基本重合。 4.3.4六台不同风速不同型号的风机等值结果（1）等值参数的计算对于六台不同风速不同型号的风机等值，内部模型和集电线路的等值参数和同风速不同型号的一样。我们这里采用的是2台1.5MW的风机、2台2MW的风机和2台2.5MW的风机，他们的风速分别为15m/s、14m/s、13m/s，他们的狂风指标分别为5m/s、4.667m/s、4.

52、333m/s。不同风速的风机就涉及到风速的等值计算，既要对稳定风速进行等值，也要对狂风之后的风速进行等值，然后二者进行相减就能得到等值风速。对于风速的等值，计算所需参数如Error! Reference source not found.所示：表44 风速等值所需参数风机编号风速（m/s）Cp狂风（m/s）Cp1半径（m）1.5MW1号150.204050.0859351.5MW2号150.204050.0859352MW1号140.18864.66670.081446.29362MW2号140.18864.66670.081446.29362.5MW1号130.20204.33330.127

53、2452.5MW2号130.20204.33330.127245通过计算风能利用系数为：，；等值半径的计算利用容量加权法得到的结果为：42.078m；等值风速：。（2）等值结果曲线图不同风速同型号的风机等值曲线对比如下Error! Reference source not found.、Error! Reference source not found.、Error! Reference source not found.、Error! Reference source not found.所示，其中曲线名称中下标标号是的曲线是等值之后的曲线图：等值前后曲线基本重合图415 等值前后有功功率曲

54、线图等值前后曲线基本重合图416 等值前后无功功率曲线图等值前后曲线基本重合图417 等值前后输出电压曲线比较图等值前后曲线基本重合图418 等值前后输出电流曲线比较图不同风速同型号的风机的等值跟踪效果满足要求，因风速差异不是很大，利用风速等值方法进行的等值效果良好，在风速等值过程中需要对风能利用系数和风轮机扫风面积的半径进行等值。4.4 对于不同功率的双馈式风力发电机不同风速下风能利用系数的测量不同功率的双馈式风力发电机在不同风速下，为了对不同风速的风机进行风速等值，实际风能利用系数是需要测量的，1.5MW、2.5MW、2MW风机在不同风速下的风能利用系数实测表如Error! Referen

55、ce source not found.所示：表45 实测风能利用系数风速(m/s)1.5MW的Cp2.5MW的Cp2MW的Cp90.43780.17810.43089.50.43750.22520.4366100.43320.26540.437910.50.42580.29020.4348110.41590.31960.387611.50.40420.35160.3392120.39110.39520.298612.50.35200.34960.2641130.31350.31070.234713.50.27800.27760.2100续Error! Reference source not found.风速(m/s)1.5MW的Cp2.5MW的Cp2MW的Cp140.25000.24880.188614.50.22500.22390.1692150.20400.20200.152815.50.18500.18340.1385160.16800.16670.125916.50.15320.15210.1148170.14120.13