试论风电场模型及其对电力系统的影响

郭帅

摘 要：随着社会的不断的发展和科学技术的进步，世界上逐渐广泛的开发风电资源，其具有较广的分布，但是同时具有很多的缺点，对风电系统的开发造成不利影响。因此文章对风电场建模及其对电力系统的影响进行了具体的分析。

关键词：风电场模型；电力系统；影响

中图分类号：TM7 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）28-0180-02

前言

可再生资源里包括风电资源，较广的分布和相对成熟的开发技术是其主要的特点。风电与环境具有明显的友好性，这是其主要的优势，但是同时其也具有明显的缺点，输出电力的平稳性受到其随机性和间接性的影响，从而对电力系统的稳定性和发电的正常运行造成不利影响[1]。因此具体研究风电模型及其对电力系统的影响具有非常重要的现实意义。

1 风电场模型的论述

1.1 风力发电组动态建模

1.1.1 风的统计理论和风速建模

在风力发电过程中将风作为主要的动力。风向和风速、间接性、不可预测性和随机性是风的自然特性。风力发电机建模的重要组成部分之一是风向与风速的建模。在研究风力发电系统中，人们对风速的特性更加重视，其中Weibull是风速描述中经常见的分布，其分布函数主要是：

Fw（V）=1-exp（-VIC）k

其中C、k、V分别是尺度参数、形状参数和风速。

当前在简单的模拟计算中适合这种模型，造成这种现象的主要原因是其没有将阵风分量参数的方法确定下来。一般平均风速与湍流分量相叠加的风速模型是风力发电系统研究中主要使用的[2]。在该模型中风速的均值可以在一分钟到十分钟内保持不变，内由湍流分量提供风速的变化情况。

1.1.2 风力发电机组的建模

风力机、发电机、相应控制系统的4个模块和傳动机构是典型风力发电系统主要包括的内容。复杂性是风力机结构的特点，所以在模型中人们对风速与机械出力的关系更加重视，其中通过推导理论得到风能-机械能的传递公式是经常见到的处理方式。

风力机、低速轴和高速轴是组成风力发电机组机械传动系统的主要部分。复杂性是传动机构机理建模所具有的特点，因此人们会简化其建模[3]。而且研究的目的不相同，人们对其简化可以加大力度，如可以将整个传动机构作为一个刚体，其特性可以用1阶惯性环节来表示，其表达式如下所示：

其中M、Mm与Th分别为传动机构的输入、输出的转矩和轮彀时间常数。

定桨距、变桨距和变恒速频三种风力发电机组主要是根据风力发电过程中变化的浆距和发电机的运行特点分类的。国外风力发电机的主导产品是变速风力发电机组，其中兆瓦级是主要的容量。

恒速恒频发电机组中包括定桨距和变桨距风力发电机组。当前在风力机组中恒速恒频发电机组占据较大的百分比，但是其具有很差的电网功率因数，造成这种现象的主要原因是其在建立磁场的过程中使用的无功电流主要是从电网中吸收的。双馈发电机的并速风力发电机组的网络兼容性比较好，同时可以将系统的机械负载降低，从而使风力机的机械应力减小，将风能最大限度的捕捉，要想将最佳的运行效率保持住，需要在最大范围内保持其最大的运行速度，这样可以尽量避免影响输出功率的阵风和塔影效应等相关因素，从而改变变桨距系统的要求，使其快速性降低，所以在大型风力发电机组中普遍的应用。

1.2 风电场整体建模

1.2.1 风电场的单机等值

风电场内具有多台风机，其之间具有非常紧密的联系，在系统发生故障后，各台风机具有相似的反应，所以在模拟风电场的反应工程中使用的方法主要是加权求和方法[4]。风电场模型的参数相同于单个风机的，但是组成所有风电机的和是其额定的功率。

1.2.2 风能-电能的转换的描述

在风电场输出随风速变化波动性的研究过程中，主要使用的描述法是风机功率的特性曲线，由于其对发电机和传动机部分的特性以及风机之间的影响比较小，所以可以完全忽略不计这些影响，直接联系将输出功率和风速直接联系起来。由于这种方法具有有限的精确度和应用范围，所以这种方法只用来描述风电机组出力与风速变化之间的关系。

1.2.3 将风力发电机组看做PQ节点

在稳态的分析中一般使用的两种模型主要是PQ或RX，简洁性是其主要的优点。在风电场的建模中，可以使用的另一种方法主要是辨识系统的方式。由于系统许多的特点，如可测的输出和无法定义的输入等，所以建模方法可以是随机和时间序列的。“灰箱”建模主要是将测试法建模融入到机理建模当中，使用这种建模方法的主要原因是随机和时间序列的建模方法在物理本质的实验中无法将其动态过程反映出来。

2 风电并网

2.1 计算含风电场的电力系统潮流

对电力系统的规划、运行和继电保护等方面的影响主要是由接入电力系统中大容量的风电场造成的，而对这种问题进行量化分析的基本方法是潮流计算[5]。在将风力发电组加大以后，主要的是研究电力系统潮流和网损，造成这种现象的主要原因是在配电网中将小容量的风电机组直接接入，会使传统电源功率单项流动的特点发生重大改变。

当前，只有很少的研究是关于含风电电力系统潮流计算的。异步机是风力发电机组主要使用的，其电流具有很大的输出波动性，一般在计算潮流时的PQ节点主要是风力发电机组，变量主要是有功功率和无功功率作为主要的处理方法。在这种处理方法中，各变量之间的关系是用异步机的模型来处理的，在对风电的PQ模型进行建立时，风速的函数主要是风电的有功功率，其表达式如下：

P=？籽cpAV3/2

其中cp、A和V分别是风能利用系数、风轮扫过的面积和风速。

变化性是风速的特点，所以其中的变量是P。发电机稳态模型的参数是无功功率主要的基础，而且机端电压、转差和吸收的有功功率等因素会对其造成一定的影响，同时由于发电机组的不同以及其具有不同的精度要求，所以其表达形式也是不同的。endprint

2.2 风电接入对电力系统稳定性的影响

风电机场的规模和复杂性是随着风电的进一步发展而逐渐增加的。由于经济和环境的影响，一般在比较偏远的地方建立风电场，而且由于异步发电机是风电场主要使用的，其无功功率主要是从电网中吸收的，而风力发电系统表现出来的特点与传统发电机不同主要是由这些因素造成的，所以如果当具有较高的风电渗透率或者将较弱的电网接入时，同时系统出现扰动或故障的情况下，这时最重要的一个课题主要是风电场的反应及其对系统稳定性的影响。

对风电机组的风电机场进行可靠性的建模是分析含风电电力系统稳定性的首要问题。从风电场本身方面来说，最重要的就是对风电场内各个机组间的相互影响及其电压控制和无功补偿特性进行研究，所以将详细的风电场暂态模型建立起来是非常有必要的[6]。在这样的状况下，处理方式主要是降阶，至少需要7个变量才能描述一台感应机电，如果再对风力机、传动机构的特性和多个风机的组合特性进行考虑，这时就会加大了风电场的建模难度。所以在研究风电稳定性的过程中，一般将整个风电场的特性用单机模型来代替，但是如果只是研究单机模型，又会过于简化风电场的稳定性，因此需要将一种综合模型建立起来，这种模型不但能够将风电场内部机组之间的相关联系反应出来，同时可以将其复杂性大大降低，而且能够有效性的分析风电模拟提供保障。

3 结束语

由此可见，相关专家和学者们长期重视的重要问题就是风电场模型及其对系统影响的分析方法。而且含风电电力系统的规划和优化控制的重要基础是可靠、有效的分析方法。但是由于风电本身具有的缺点，对其开发也造成了不利影响，所以要不断拓展风电的研究领域，同时要将其开发技术水平不断提高。

参考文献：

[1]夏安俊，乔颖，鲁宗相，等.直驱型风电场聚合模型误差对电力系统暂态稳定分析的影响[J].电网技术，2016（02）：341-347.

[2]柳杰.含风电场电力系统概率潮流模型研究及其在无功优化中的应用[D].西南交通大学，2012（02）.

[3]娄素华，李志恒，高苏杰，等.風电场模型及其对电力系统的影响[A].中国电力企业联合会科技服务中心、全国风力发电技术协作网、中国电力科学研究院新能源研究所.2009年风电场接入电网技术专题研讨会论文集[C].中国电力企业联合会科技服务中心、全国风力发电技术协作网、中国电力科学研究院新能源研究所，2009（03）：10.

[4]王敏.分布式电源的概率建模及其对电力系统的影响[D].合肥工业大学，2010（04）.

[5]庞金华.风电场并网穿透功率极限及其对电力系统的影响[A].中国工程院能源与矿业工程学部、上海市中国工程院院士咨询与学术活动中心、上海市能源研究会.推进雾霾源头治理与洁净能源技术创新——第十一届长三角能源论坛论文集[C].中国工程院能源与矿业工程学部、上海市中国工程院院士咨询与学术活动中心、上海市能源研究会，2014（06）：8.

[6]陈长云.市场条件下含风电场的电力系统优化运行研究[D].北京交通大学，2008（10）.endprint