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摘 要 风力作为一种清洁可再生的能源，已经成为世界范围内重点扶持和发展的替代能源。随着我国近几年风力发电的发展。并网的风电机组逐年增加，以及我国风电大规模高集中的开发模式，给电力系统规安全稳定运行带来的挑战。本文研究将对比分析风力发电机内部系统模型对输电网的电压稳定性的影响。
关键词 风力发电机；变流器
中图分类号：TM76 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）15-0055-01
在能源危机和环境污染的双重背景下，风力作为一种清洁可再生的能源，已经成为世界范围内重点扶持和发展的替代能源。我国近几年风力发电发展迅速，建立了多个百万千瓦级风电基地。风力发电不稳定性和随机性的技术特点，以及我国风电大规模高集中的开发模式和大容量、高电压、远距离的输送模式，给电力系统的安全稳定运行带来的挑战。电力系统由发电、输电、配电、用电同时完成，具有不能大规模储存和实时平衡的特点，电力系统稳定运行是保证电力系统安全的前提和基础。由于风力发电与传统发电机具有完全不同的自身特点，导致大容量的风电机组并网运行对系统的稳定运行产生明显的影响，不仅仅由于风电的有功功率的注入改变了电力潮流的分布，电力线路传输功率的能力，而且由于风能的随机性、间歇性的特点，风电场送出的能量随时波动，因此，输电网的电压稳定性分析已成为风电场并网发电迫切需要解决的关键问题。
为了实现风电机组的并网运行，必须保证其输出交流电的频率和电网电压一致，在发电机的极数保持不变的情况下，则必须要求发电机在恒速恒频的条件下工作。由于自然界中风速的频繁变化，在恒速运行条件下则输入到风机的功率也跟随风速而随机变化，因此风机大部分时间运行在吸收功率低于可利用最大功率的状态，造成了资源浪费。
当风机运行时，通过控制无功功率来适应发电量输出。正常情况下，追求最大功率的有功功率控制，这些控制也会影响电力系统的频率控制。在很短的时间功率会产生超过有功功率，出线超额发电现象。在这段时间中，主要是风机转子超额发电。现在很多配备有变频器的风机可以不考虑超发现象的影响，通过控制风机无功功率，从而控制的公共耦合点处的电压，实现电压稳定。下面将重点对风机内电压稳定模型的应用研究进行对比分析。
风机系统中发生的三个主要动态物理现象是空气动力学、机械载荷和电气现象。这些现象的数学模型有以下几种。1）这三个动态现象的任何方面在局部电压稳定研究中不一定都适用。2）每一个模型要求非常大的计算量。3）建立数学模型要求用风机运行系统参数来构建知识体系，而这些参数的细节知识不容易被估计。下文将分别对风机系统的主要部分的相关方面进行对比，来确定进行电压稳定性研究的模型。
1 发电机
风机系统中发电机是研究电压稳定性的重要环节，目前广泛应用的并网型发电机对电网电压的影响尤为重要。现在已经运行的主流风机为带感应发电机的恒速风机和带双馈感应发电机的变速风机，还有近些年兴起的直驱风机。发电机的代替模型主要可被划分成：电磁暂态（涉及定子和转子暂态的五次模型）、电机（代表发电机转子暂态的三次模型，因此该模型假设转子磁通量能够瞬间改变；）和稳态（一次模型，感应发电机最简单的代表，忽略所有的电气动态，因此该模型中只考虑最慢的转子速度动态）。一般来说，五次模型的暂态电流响应高于三次模型，而在一次模型中则完全无法看出该现象。五次模型提供了最精确的结果，然而它要求最多的计算量。此外，五次模型不能直接应用在基本的频率仿真工具里，而这些工具一般是用来做稳定性研究的。
对短期电压稳定研究而言，瞬间动作的保护系统也需要被考虑，可以使用五次模型。然而，如果在研究中保护模型的精确度不是很重要的话三次模型也足够了。而对于长期电压稳定性研究，一般采用三次模型就足够了。在带全功率变流器的风机的例子中，用于电压稳定研究的发电机代表相对来说意义不大，因为发电机的动态特性和电网的动态特性基本都被变流器阻隔了。
2 变流器
风机中变流器较风机中的其他系统的动态特性更快。因此，通常将风机变流器视为一个理想的动态元件，其可以完全地控制风机的有功和无功。如果在全功率变流的风机中，其余动态元件，例如发电机和机械系统的动态特性落后于变流器，可以完全被忽略。
3 空气动力系统
风机的空气动力系统决定了输送给发电机的机械功率。然而，空气动力系统的响应带宽通常很低。代表空气动力系统的最简单的方式是将风机模型建立为与给定风速相一致的恒转矩或恒功率输入的模型。更精确的模型使用静态特性Cp（）曲线或使用桨叶元素理论来精确计算在任意风速下的实际功率。在桨叶元素理论中，沿桨叶的受力被完整地计算以获得风机机械功率；然而，这要求相当耗时的计算量，不被推荐给电压稳定性研究。在被动失速型风机的短期电压稳定研究中，一般把空气动力模型建立为恒定机械功率输入的模型就足够了。然而，对主动失速型和变桨调节型风机，空气动力部分的建模必须使用Cp（）曲线。如果仿真时间长达若干秒，一个稳态机械功率查询表可以作为风速的函数被使用。
4 传动系统
风机中的传动系统涉及到风机（低速）和发电机（高速）机械旋转部件，彼此之间通过齿轮箱连接。齿轮箱的出现让这两个旋转部分的连接相对平滑。因此，普遍用两个通过平滑连接的元件块来代表该系统。这种表示被称为两块模型。这样的模型对短期电压稳定性研究是十分重要的，因为储存在这两个旋转块中的能量很高，因此能描述风机输出电气功率中的低频震荡特征。在某些种类的风机中，比如说带永磁发电机的全功率变流风机中，传动系统就把齿轮箱给移除了。在这种情况下传动系统的模型可以被简化为一个集总块，它的参数值是风机和发电机中所有旋转块的总和。在长期电压稳定性研究中由传动系统引起的震荡最终将被阻尼给消除，有一个传动系统的集总块模型就足够了。
5 结论
针对上述模型的对比分析，能够对研究电压稳定性方面起到积极的推动作用，随着风机并网数量的增加，在此方面的研究将逐步加深。
参考文献
[1]陈宁，朱凌志，王伟.改善接入地区电压稳定性的风电场无功控制策略[J].中国电机工程学报，2009（10）.
[2]李中成，张步涵，等.含大规模风电场的电力系统概率可用输电能力快速计算[J].中国电机工程学报，2014（04）.
作者简介
张志成（1982-），男，内蒙古人，硕士，工程师，从事新能源发电规划和设计工作。
关键词 风力发电机；变流器
中图分类号：TM76 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）15-0055-01
在能源危机和环境污染的双重背景下，风力作为一种清洁可再生的能源，已经成为世界范围内重点扶持和发展的替代能源。我国近几年风力发电发展迅速，建立了多个百万千瓦级风电基地。风力发电不稳定性和随机性的技术特点，以及我国风电大规模高集中的开发模式和大容量、高电压、远距离的输送模式，给电力系统的安全稳定运行带来的挑战。电力系统由发电、输电、配电、用电同时完成，具有不能大规模储存和实时平衡的特点，电力系统稳定运行是保证电力系统安全的前提和基础。由于风力发电与传统发电机具有完全不同的自身特点，导致大容量的风电机组并网运行对系统的稳定运行产生明显的影响，不仅仅由于风电的有功功率的注入改变了电力潮流的分布，电力线路传输功率的能力，而且由于风能的随机性、间歇性的特点，风电场送出的能量随时波动，因此，输电网的电压稳定性分析已成为风电场并网发电迫切需要解决的关键问题。
为了实现风电机组的并网运行，必须保证其输出交流电的频率和电网电压一致，在发电机的极数保持不变的情况下，则必须要求发电机在恒速恒频的条件下工作。由于自然界中风速的频繁变化，在恒速运行条件下则输入到风机的功率也跟随风速而随机变化，因此风机大部分时间运行在吸收功率低于可利用最大功率的状态，造成了资源浪费。
当风机运行时，通过控制无功功率来适应发电量输出。正常情况下，追求最大功率的有功功率控制，这些控制也会影响电力系统的频率控制。在很短的时间功率会产生超过有功功率，出线超额发电现象。在这段时间中，主要是风机转子超额发电。现在很多配备有变频器的风机可以不考虑超发现象的影响，通过控制风机无功功率，从而控制的公共耦合点处的电压，实现电压稳定。下面将重点对风机内电压稳定模型的应用研究进行对比分析。
风机系统中发生的三个主要动态物理现象是空气动力学、机械载荷和电气现象。这些现象的数学模型有以下几种。1）这三个动态现象的任何方面在局部电压稳定研究中不一定都适用。2）每一个模型要求非常大的计算量。3）建立数学模型要求用风机运行系统参数来构建知识体系，而这些参数的细节知识不容易被估计。下文将分别对风机系统的主要部分的相关方面进行对比，来确定进行电压稳定性研究的模型。
1 发电机
风机系统中发电机是研究电压稳定性的重要环节，目前广泛应用的并网型发电机对电网电压的影响尤为重要。现在已经运行的主流风机为带感应发电机的恒速风机和带双馈感应发电机的变速风机，还有近些年兴起的直驱风机。发电机的代替模型主要可被划分成：电磁暂态（涉及定子和转子暂态的五次模型）、电机（代表发电机转子暂态的三次模型，因此该模型假设转子磁通量能够瞬间改变；）和稳态（一次模型，感应发电机最简单的代表，忽略所有的电气动态，因此该模型中只考虑最慢的转子速度动态）。一般来说，五次模型的暂态电流响应高于三次模型，而在一次模型中则完全无法看出该现象。五次模型提供了最精确的结果，然而它要求最多的计算量。此外，五次模型不能直接应用在基本的频率仿真工具里，而这些工具一般是用来做稳定性研究的。
对短期电压稳定研究而言，瞬间动作的保护系统也需要被考虑，可以使用五次模型。然而，如果在研究中保护模型的精确度不是很重要的话三次模型也足够了。而对于长期电压稳定性研究，一般采用三次模型就足够了。在带全功率变流器的风机的例子中，用于电压稳定研究的发电机代表相对来说意义不大，因为发电机的动态特性和电网的动态特性基本都被变流器阻隔了。
2 变流器
风机中变流器较风机中的其他系统的动态特性更快。因此，通常将风机变流器视为一个理想的动态元件，其可以完全地控制风机的有功和无功。如果在全功率变流的风机中，其余动态元件，例如发电机和机械系统的动态特性落后于变流器，可以完全被忽略。
3 空气动力系统
风机的空气动力系统决定了输送给发电机的机械功率。然而，空气动力系统的响应带宽通常很低。代表空气动力系统的最简单的方式是将风机模型建立为与给定风速相一致的恒转矩或恒功率输入的模型。更精确的模型使用静态特性Cp（）曲线或使用桨叶元素理论来精确计算在任意风速下的实际功率。在桨叶元素理论中，沿桨叶的受力被完整地计算以获得风机机械功率；然而，这要求相当耗时的计算量，不被推荐给电压稳定性研究。在被动失速型风机的短期电压稳定研究中，一般把空气动力模型建立为恒定机械功率输入的模型就足够了。然而，对主动失速型和变桨调节型风机，空气动力部分的建模必须使用Cp（）曲线。如果仿真时间长达若干秒，一个稳态机械功率查询表可以作为风速的函数被使用。
4 传动系统
风机中的传动系统涉及到风机（低速）和发电机（高速）机械旋转部件，彼此之间通过齿轮箱连接。齿轮箱的出现让这两个旋转部分的连接相对平滑。因此，普遍用两个通过平滑连接的元件块来代表该系统。这种表示被称为两块模型。这样的模型对短期电压稳定性研究是十分重要的，因为储存在这两个旋转块中的能量很高，因此能描述风机输出电气功率中的低频震荡特征。在某些种类的风机中，比如说带永磁发电机的全功率变流风机中，传动系统就把齿轮箱给移除了。在这种情况下传动系统的模型可以被简化为一个集总块，它的参数值是风机和发电机中所有旋转块的总和。在长期电压稳定性研究中由传动系统引起的震荡最终将被阻尼给消除，有一个传动系统的集总块模型就足够了。
5 结论
针对上述模型的对比分析，能够对研究电压稳定性方面起到积极的推动作用，随着风机并网数量的增加，在此方面的研究将逐步加深。
参考文献
[1]陈宁，朱凌志，王伟.改善接入地区电压稳定性的风电场无功控制策略[J].中国电机工程学报，2009（10）.
[2]李中成，张步涵，等.含大规模风电场的电力系统概率可用输电能力快速计算[J].中国电机工程学报，2014（04）.
作者简介
张志成（1982-），男，内蒙古人，硕士，工程师，从事新能源发电规划和设计工作。