风力发电机建模和风电并网研究现状

文／神华准格尔能源有限公司 曲忠伟 ／

1 风力发电发展现状

20 世纪70 年代发生世界性能源危机以来，许多国家都更加重视新能源和可再生能源的研究、开发和利用工作。在新能源领域风力发电技术比较成熟，商品化大型风力发电机组单机容量已由80年代初期的几十千瓦发展到1兆瓦 以上；风力发电的经济指标逐渐接近清洁煤发电。由于化石燃料的有限性和使用化石燃料发电对环境产生污染，各国政府都在积极开发利用洁净的新能源和可再生能源。许多国家把发展风力发电作为改善能源结构、减少环境污染和保护生态环境的一种措施，纳入国家发展规划。虽然近年来我国风电有了较大水平的发展， 但与发达国家风电相比，发展规模还很小，速度也较慢。制约我国风电发展的突出问题主要在政策和技术两个方面。从技术角度来讲，风电机组的制造水平较低，同时风电机组性能测试设备和技术相对落后，并缺少相应的认证机构。风电场的运行和维护水平与国外风电场及国内火电生产和运行相比有明显的差距，缺乏对运行过程中出现的问题和故障的详细记录和分析。但近年来我国风电也得到了较快的发展，初步具备了规模开发和建设大型风力发电场的能力。从单机容量来讲，我国已经能够独立研制600kW的风力发电机组。风电机组的国产化水平是反映一个国家风电发展的重要指标，我国从上世纪70年代开始研制大型并网型风电机组，但直到1997年在国家“乘风计划”的支持下才真正从科研走向了市场。目前我国已基本掌握了200～600KW 大型风电机组的制造技术，主要零部件国内都能自己制造，并开始研制兆瓦级风电机组。

2 主流风力发电机模型

过去的20年间，风力发电机的主要特点是采用异步发电机,装机规模较小，与配电网直接相连。尽管目前风电场大多使用恒速风力发电机，但是有趋势表明，未来几年变速风力发电机将逐渐取代恒速风力发电机，以达到最大限度地提高风能的利用效率。使用变速风力发电机有几种方案可供选择：采用通过电力电子装置与电网相连的同步电机，如果进一步采用多极同步电机，甚至有可能取消风机上常用的变速齿轮箱，减少风力发电机的故障率。或者是采用双馈异步电机，可以实现风力发电机以最佳叶尖比运行。

2.1 几种主流风力发电机模型

2.1.1 恒速型风力发电机

此模型包含一个直接联接电网的鼠笼异步发电机。风力发电机叶轮通过一个齿轮箱和异步发电机直接相连。使用安装效果决定了风能的利用效率，这意味着在高风速条件下，风力发电机叶轮的效率会有所降低，从而使叶轮从风力中获取的机械功率不会过大。如下图：

图1 恒速型风力发电机

2.2.2 直驱型变速同步风力发电机

同步发电机配有叶轮以及永磁体作为励磁。通过一个电压源变频器与电网相连。模型的同步发电机是低速多极发电机，因此没有必要安装齿轮箱。在高风速条件下，从风力获得的功率可以通过减少风力发电机叶轮的叶片数量来得到限制。如下图：

图2 直驱型变速同步风力发电机

2.2.3 双馈型变速异步风力发电机

该模型包含一个双馈型异步发电机。转子绕组由一个电压源变频器供电。和上一个模型一样，风力发电机的轮通过一个齿轮箱和异步发电机相连。和第二种模型一样，在高风速条件下，从风力获得的功率可以用减少风力发电机叶轮的叶片数量或者改变桨距角来得到限制。如下图：

图3 双馈型变速异步风力发电机

2.2 对三种风力发电机模型的评价

不同的风力发电机模型有着各自的优点和缺点。恒速型风力发电机相对来说设计比较简单而且结实耐用，而它的缺点也是很明显的：无法控制有功或无功功率的输出；因为功率波动被转移到转矩波动从而导致机械负荷过大，这会导致齿轮箱的故障；输出功率波动过大。

风力发电设备制造商正在加速向生产变速型风力发电机设备，变速风力发电机将逐渐取代恒速风力发电机。这种变化可以通过以下几点来解释：在变速型风力发电机设备中不可或缺的电力电子元件正变得更加廉价和可靠；和恒速型风力发电机相比，变速型风力发电机的能量产出率更高；风力发电机组变得越来越庞大。采用变风速运行可使机械负荷减少；变风速型风力发电机对无功和有功的都有广泛的控制力，在边远地区和近海风电场，这个优点尤为明显；变速型风力发电机比较容易满足电网公司的并网要求，大规模的风电场尤其适应并网；变速型风力发电机在功率输出时波动比较小，因为大型风力发电机叶轮的惯性巨大，能够缓冲风速的变化，这样是电压闪络的几率大大减少。

若要比较两种变风速型风力发电机的优缺点，双馈型异步风力发电机的优点是其电力电子转换器的功率只要风力发电机额定功率的三分之一。而电力电子转换器功率的大小则可以通过风力发电机转子绕组的星三角变换进一步减小。缺点是双馈型异步风力发电机仍然需要一个齿轮箱，使得整机的可靠性有所降低。直驱型变速同步风力发电机没有安装齿轮箱的必要，但是由于它需要大功率、大体积的电力电子转换器，更加复杂、更加昂贵的发电机，这个优点也被抵消了不少。

3 建模平台的开发和模型的验证

3.1 建模和平台开发

风力发电机的建模和风电场的建模和仿真是研究风力发电的重要手段。为了对电气、机械和控制的相互作用进行深入的研究，需要建立包含电力系统所有元素的细致模型。利用“虚拟样机”的仿真是分析和评估风力发电的唯一可行和有效的方法。建立完善准确的风力发电机和风电场的仿真模型，是进行其他研究的重要前提。

到目前为止，还没有公认的用于风电并网分析的专业程序。建模工作一般会应用商业化的软件平台进行。这些软件包一般建立了一系列电力系统常规元件的完善模型，例如燃烧化石燃料的火电站和输电网元件。用于电力系统分析研究的风力发电机动态模型对大多数电力工具软件而言还不是一个标准功能，虽然越来越多的研究机构、大学、企业都在研发这个功能，独立的用户不得不在工作时自己建立风力发电机的模型。常用的软件有：

PSS/E 该软件用于分析大型输电网络的潮流计算及暂态稳定分析，可进一步分析暂态过程结束后的动态稳定性，提供各种类型的锅炉、同步电机、异步电机、调速器、励磁系统、负荷及电力电子元件模型库。更有用户自定义模型的强大功能，只需较少的工作，就可以模拟风电场并入系统以后的情形。ATP/EMTP主要用于分析电磁暂态和谐波问题。PSCAD/EMTDC适合分析风电机组并网带来的暂态现象和谐波以及电压闪变问题。SuperHarm是一个专用的电力系统谐波仿真和分析工具，可以用来分析风电场并网导致的谐波污染问题。MATLAB/SIMULINK用途广泛，可以进行各种风力发电机的建模和仿真。由于建模的目的各不相同，风力发电机模型种类也显得比较复杂。三阶模型往往用于仿真大型电力系统的工具软件中，如PSS/E，而更加细致的模型往往用于仿真小型电力系统的工具软件中，如PSCAD。更加普遍的是应用MATLAB的建模和仿真。

目前兆瓦级变速风电机组多采用双馈感应发电机，有关其模型和仿真方面各个科研机构和大学已做了一些研究工作，如dq/abc 混合坐标下的电机模型考虑了双馈电机转子绕组与系统间变流器的作用，可以建立适用于谐波分析的双馈电机动态模型，但模型阶数较高，不适用于变速恒频风机（VSWT）整体动态特性的分析；将描述双馈电机动态过程的复数形式数学模型线性化，可以建立“小干扰稳定”数学模型，通过分析转子励磁绕组电压幅值和相角变化对双馈电机稳定域的影响，说明这种模型也适用于电网发生大扰动后的稳定分析，但这种模型是在假设扰动过程中发电机转子转速变化不大的前提下得到的，因此不适用于转子转速变化范围较大的变速恒频风电机组的建模。在大型电力系统仿真软件中，为了节省计算时间，往往用到三阶模型,用于仿真小型电力系统的软件往往使用更加细致的发电机模型，比如包含定子动态特性的五阶模型,更有描述全部三相电路的发电机模型。在大型电力系统仿真软件中，变频器可以认为是理想元件，可以忽略功率损耗和开关暂态过程。在更细致的研究中，如谐波估计中，这些因素必须加以考虑。

3.2 模型的验证

模型的验证是建模成败的关键所在，当前的情况是：一方面规模不断扩大的风电场项目在提上日程，另一方面各个单位对风电并网模型研究的可靠程度和了解程度参差不齐。在电力系统研究中使用无效的模型会引发严重错误的结论。比如，预测时大大高估或低估风电场对电力系统稳定的影响。目前来讲，由九个欧洲国家参与的国际型工作组IEA Wind R&D Annex 21正在从事这项任务。从国内来看，新疆风能公司在这方面处于领先地位。该公司已经研发成功兆瓦级的风力发电机，规模化的风力发电场和先进的控制和数据监视系统可以为模型的验证提供详实的数据资料。

4 风电并网的研究

4.1 风力发电机和电网相互作用

所有的风力发电机有一个相同的重要特性，就是发出的功率是基于风速的。然而，在与电网相互作用方面，恒速型风力发电机和变速型风力发电机有着显著的不同。引起这些不同的原因是变速型风力发电机装配有电力电子变频器，而恒速型风力发电机则没有。

首先，对于恒速型风力发电机来说，当前的系统中几乎没有任何能量缓冲装置。因为使用了与电网相连的感应电机，任何风力的变化都会马上引起输出功率的变化。对于变速型风力发电机来讲，基于风力发电机叶轮的真实速度，输出功率是由电力电子元件来控制的。风力发电机叶轮的惯性很大，叶轮速度的变化会非常的平稳，由于输出功率由叶轮转速获得，输出功率的变化也是非常平稳的。第二个不同是两者和电网相互作用。恒速型风力发电机包含一个鼠笼异步发电机，而发电机的定子直接和电网相连。所以，诸如发电机阻抗这样的电气属性，诸如轴振荡频率，向定子端的传播都可以由输出功率的类型来得到识别。故障一旦发生，发电机会因为机械功率和电气功率的不平衡而转动过快。当端电压下降时，发电机必须通过电网来实现同步，在实现同步期间发电机会消耗很多的无功功率，这样会导致系统的电压稳定问题。相反，变速型风力发电机的特性不是由发电机的电气和机械特性来决定的，而时由电力电子元件来控制的。发电机是由电力电子元件和其控制器来补偿的，故障发生时，变速型风力发电机会和电网脱离。当电压恢复时，按照事先设计的控制算法，风力发电机会再次和电网相连。在故障期间，风力发电机会加速，叶轮的速度可以通过调节叶片的倾斜角来得控制。

4.2 并网的影响

早期风电的单机容量较小，大多采用结构简单，并网方便的异步发电机直接和配电网相连。而风电场所在地区往往人口稀少，处于供电网络的末端，承受冲击的能力很弱。因此，风电很有可能给配电网带来谐波污染、电压波动及闪变问题。风电的随机性给发电和运行计划的制定带来很多困难，需要重新评估系统的发电可靠性分析风电的容量可信度，研究新的无功调度及电压控制策略以保证风电场和整个系统的电压水平及无功平衡及对孤立系统的稳定性影响等。随着电力电子元件的性价比不断提高变速恒频电机等新型发电机组开始在风机上推广应用，风电场可以像常规机组一样承担电压及无功控制的任务正逐渐成为新的研究热点。

5 结语

风力发电机的建模和仿真是研究风力发电的重要手段，本文对目前主流风力发电机模型的种类、建模平台的开发、模型验证的手段的研究现状做了介绍。随着单机功率和风电场容量的增大，风电场对系统的影响也越来越明显，风电并网已成为重要课题。随着新一轮风力发电建设的到来，随着国家各项政策支持得到落实，和风力发电相关的研究将成为新能源发电领域的一个亮点。

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