[两种常用风电机组的特性介绍] 幅频特性与相频特性
时间：2020-03-28 07:21:33 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘要：恒速恒频风力发电机组、变速恒频风力发电机组是我国目前常用的两种机型，了解其机组特性是对电力系统分析工作者研究、把握其机理及运行时发电机与系统间的相互影响特性的基础。
关键词：风力发电 机组 特性 介绍
1 概述
一种新型的可再生能源，风力发电具有环境友好、技术成熟、全球可行的特点，并且具有超过20年的良好运行记录，越来越被广泛认可，国家十一五电力规划也明确提出了全面发展新能源的目标，风力发电作为新能源的主力已得到业界广泛重视，发展日趋迅速。
随着风电场的容量越来越大，对系统的影响也越来越明显，分析风电并网对系统的影响成为电网运行的必要课题。风电的随机性给发电和运行计划的制定都带来许多困难，诸如风电场出力变化对系统频率的影响；风力发电功率及无功特性对系统电压的影响；风力发电对电网暂态稳定的影响；因此对电网某一接入点能够接纳风电的最大容量等内容都亟需深入研究。要进行机理的研究必须把握风力发电的机理，本文通过对恒速恒频风力发电机组、变速恒频风力发电机组特性进行介绍，以帮助从事电力系统分析工作者简单了解。
2 风力发电模型
2.1 恒速恒频风力发电机组模型 鼠笼异步风力发电机属恒速恒频风力发电系统，其转子转速基本恒定，并网后电机定子频率与电网一致，且大多数鼠笼式风机设计为定桨距，模型如图1所示。其基本环节包括：风能的吸收和转换装置――风力机，起连接和传动作用的装置――轮毂、齿轮箱和传动轴，能量转换装置――异步发电机。其能量转换过程是：风能→机械能→电能。
2.1.1 标幺值系统的选取 风电机组的数学模型可以分为电气部分和机械部分。电气部分模型和网络方程接口，为了计算的方便，应将各变量归算为系统统一基准值下的标幺值。机械部分模型中，各参数及状态变量若采用有名值，则其物理意义更加明确，但在计算过程中不可避免的需要经常进行有名值与标幺值之间的转换。另外，风电场中各种型号风力机的机械特性（比如叶轮直径，额定叶轮转速）有所不同，同一台风力机齿轮箱两侧高低速轴的额定转速的大小也不相同，因此这里对机械模型中的各个变量也采用统一的标幺值系统。
2.1.2 风力机转矩模型 对于恒速风机来说，不同出力时的转速变化很小，实际投运的风电一般不配备桨距角调节功能，因此可用三次函数拟合风速―功率曲线，如式（2-1）所示。
其中，P为风力发电机叶轮输入机械功率，Pr为风电机额定功率，vr、vci和vco分别为风电机的额定风速、切入风速和切出风速。
2.1.3 传动部分模型 在电力系统机电暂态仿真中，不需要详细建立机械部分传动机构各个环节的数学模型，并可忽略传动部分的损耗。用一个一阶惯性环节来表示风能通过叶片到达发电机处做功的时滞。简化的传动部分模型如式（2-2）所示。
其中，Tae为风力机的输出转矩，Tm为输入到发电机的机械转矩，τh为传动部分的惯性时间常数。
2.1.4 异步发电机模型 异步发电机的等值电路如图2所示，为考虑转子回路电磁暂态过程和转子机械运动暂态过程的数学模型。
异步发电机采用考虑转子暂态的三阶机电暂态模型，如式（2- 3）所示：
2.2 变速恒频风力发电机组模型 双反馈和直驱风力发电机属变速恒频风力发电系统，其转子转速可以在较大范围内变化。双反馈风机并网后电机定子频率与电网一致，转子通过变频器与电网相连。直驱风机一般采用多极永磁同步发电机，定子通过变频器与电网相连。大多数变速恒频风机设计为变桨距，模型如图3所示。其基本环节包括：风轮叶片、起连接和传动作用的装置、发电机、风电机控制系统。其能量转换过程是：风能→机械能→电能。
2.2.1 发电机模型 发电机/变频器模型如图4所示。
发电机/换流器模型是风力机和网络的接口。与传统的发电机模型不同，模型中不包含发电机转子的机械状态变量，这部分在风力机模型中描述。另外，与传统发电机模型不同，由于换流器的电气控制响应速度快，简化了励磁系统动态。
发电机模型从系统中读取电压Vterm，根据电气控制部分提供的控制变量E”qcmd、Ipcmd，计算注入并网点的电流I。输入量为E”qcmd、Ipcmd和Vterm，输出量为I。其中x”是发电机等效次暂态电抗。
2.2.2 控制系统模型 控制系统构成如图5所示。其中有功功率需求Pord由风力机模型提供。无功功率控制信号Qcmd由风电场管理系统（Wind Park Management System，WPMS）模型提供。
WPMS模型模拟整个风电场电压无功控制作用，它监测某节点电压，控制另一节电的电压（叠加线路压降补偿），将这个电压与参考电压进行比较。调节器本身是一个PI控制器加上一阶惯性环节，时间常数为Tv，Tv是考虑通信等相关环节的延迟以及稳定性的需要（待高频分量衰减）。测量延迟由Tr表示。增益系数是现场调节得到的，其目的是为了改善系统性能，如果需要的话可以在模型中进行调节。
励磁控制器模拟变流器/励磁系统。控制器监测发电机无功功率Qgen和端电压Vterm，计算励磁电压和有功电流命令E"qcmd和IPcmd。为了调节Qgen为给定值，对Vterm进行闭环控制。电压偏差通过一个比例积分环节得到电压命令信号E"qcmd。增益的大小决定了与电压控制环有关的有效时间常数。
有功电流命令IPcmd由风力机模型输出的Pord除以发电机端电压Vterm得到，IPcmd受换流器的短时有功电流输出能力的限制。
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