风力发电

文章编号：1000-3673（2005）12-0027-06 中图分类号：TM614 文献标识码：A 学科代码：470·4047

国外风力发电导则及动态模型简介

雷亚洲1，Gordon Lightbody2

（1．爱尔兰国家电网公司，爱尔兰 都柏林；2．爱尔兰国立科克大学，爱尔兰 科克）

AN INTRODUCTION ON WIND POWER GRID CODE AND DYNAMIC SIMULATION

LEI Ya-zhou1，Gordon Lightbody2

（1．ESB National Grid Co.，Dublin，Ireland；2． National University of Ireland，College Cork，Ireland）

ABSTRACT：The grid codes being introduced by the TSOs in USA, Denmark, Germany, Scotland and Ireland are analyzed with a special view to the requirement on the dynamic modeling of wind turbine generators. The basic aspects of four typical of wind turbines types are discussed. As an example, the simulation results on a fixed-speed induction generator wind turbine and a variable-speed doubly-fed induction generator wind turbine are presented respectively. The studies indicate that wind turbine generator has a lot of unique characteristics different from that of synchronous generators or motors. Their impact on the power system planning and operation should be studied carefully with appropriate models. Therefore, the grid coded updating and the wind turbine dynamic modeling are important topics in the power system nowadays.

KEY WORDS：Power system；Wind power；Grid code；Dynamic modeling

摘要：分析了美国、丹麦、德国、苏格兰以及爱尔兰等欧美国家输电网运行公司针对风力发电制定的电网导则及其对风力发电动态仿真提出的要求，讨论了四种典型风力发电机组的动态建模，并给出了恒速感应式风力发电机组和变速双馈风力发电机组的仿真实例。仿真结果表明风力发电机组具有很多不同于同步电机或马达类负荷的特性，应认真研究其对电力系统规划和运行的影响。电网导则的更新以及风机的动态建模是目前电力系统面临的重要课题。 关键词：电力系统；风力发电；电网导则；动态仿真

欧洲风能协会（Europe Wind Energy Association，

EWEA）和美国风能协会（America Wind Energy Association，AWEA）的统计[1]，截至2003年底止，全世界风电装机容量已达到39.294GW。其中2003年新装机容量为8.133GW，比上一年度增长26%，预计在下一个20年内会继续保持两位百分数的增长势头。欧洲和美国继续主导新增市场份额，尽管市场占有率比上一年的93%下降了3个百分点。在欧美以外，印度的新增装机达到408MW，遥遥领先于其它国家。EWEA预计，2010年欧洲的风电装机容量将从2003年的28.4GW增加到75GW，到2020年将达到180GW，能够满足欧洲半数以上人口的用电需求。

大中型风力发电场（50MW及以上）与小型风电场不同，一般直接接入输电网。在这种情况下电网对风电的要求已经从电能质量进一步发展到暂态稳定、事故后自动恢复、调频调压、直接调度等。尤其是最近美加东部大停电事故[2]、瑞典–丹麦互联系统[3]以及意大利电网[4]等事故已给各国的电网公司敲响了警钟。在电力市场环境下全系统范围内的紧急控制与调度以及与之相应的发电厂的反应能力对维持系统的稳定意义非常重大，风电也不应例外。

在过去的20多年里，风力发电在技术水平、性能价格比以及装机容量等方面都取得了长足的进步[5,6]。从采用“丹麦概念”（即恒速的感应发电机）发展到采用变速恒频的双馈感应电机，风力发电在电能质量、效率、无功控制等关键技术领域都取得了突破，已具备一定的向电力系统提供辅助服务的能力。双馈发电机、同步发电机进入风电市场是大势所趋，它们为风电场参与整个电网的集中调

1 引言

风能是一种洁净的可再生能源，在当今能源和环境问题日益受到关注的情况下，利用风能进行发电越来越受到人们的重视，随着科学技术的不断发展，风力发电技术在世界上得到了飞快的发展，越来越多的大中型风电场相继建成并投入运行。据

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度与控制提供了基础[7]。这对于维持风电在电力市场环境中的竞争力非常重要，它意味着风电场无需从第三方购买辅助服务就可满足新电网导则的要求[8]。

随着风电在电力系统中的比重逐步增加以及新电网导则的实施，大中型风电场的并网规划及其所在电力系统的规划和运行都需要相当的技术支持；从风电场动态模型开发到整个系统的优化规划与运行都需要相当的科研投入。欧盟为保持其在风力发电领域的世界领先水平，制定了专门的发展计划，欧盟及其成员国都有专项科研赞助基金[9,10]。在这些的激励下，欧盟的风力发电机组/场的动态模型、风电预报软件都已达到较高水平，并在一些欧洲国家电网中实际投入应用；然而在相当长的一段时期内，这些成果都属于商业秘密并集成到商业分析软件中[11]。在国产电力系统分析软件继续主导我国电力市场的条件下，自主研发风力发电机组/场实用模型进而开展相应的并网规划、分析是大力发展并网风电的前提之一[12-18]，这对于避免盲目发展、保证电网的安全稳定运行具有重要意义。

本文将介绍丹麦、德国、美国、瑞典、苏格兰及爱尔兰输电网运行公司（Transmission System Operator，TSO）对风电并网的要求，以及目前四种风电市场主导机型的动态模型[19]，并给出一个典型风力发电机组的参数及其仿真实例以供读者进一步参考研究。

2 相关电网导则

丹麦东部电力系统TSO-Elkraft和西部电力系统TSO-Eltra[20]、德国五个TSO之一的E.ON Netz[21]、爱尔兰TSO-ESBNG[22]以及苏格兰输配电&苏格兰水利电力公司[23]等都针对风电并网制定了相关导则。这些导则归纳起来包括以下几方面：

（1）有功功率控制。要求风电场的出力变化速度（细分为爬坡/下降速率）低于一定限值；在极限风速条件下一个风电场内的风机不可以同时退出运行，以确保其它常规机组有足够的反应时间拾取负荷。不同容量风电场的标准也各不相同。

（2）频率调节。由于风速的不可控性，要求风电场的实际出力水平将当时风速条件下的可出力水平下调一定的百分点，以保证在系统频率偏低的情况下风电场具备一定的有功备用参与一次调频。在频率偏高的情况下通过切机实现风电场参与二次调频。

（3）电压控制。对风电场的无功补偿、电压波动/闪变/谐波、变压器分接头的调节提出明确要求，以确保风电场母线电压稳定在一定范围内，电能质量合格。

（4）保护配置及整定。只要系统电压、频率的偏离没有超出一定范围，确保风电场在线运行以便向系统提供有力支持，帮助系统在事故后尽快恢复稳定运行。

（5）风电建模及验证。要求建立准确的风电场/机模型用于电力系统动态仿真分析，并与实际测量结果相验证。笔者正在参与爱尔兰TSO-ESBNG组织的多家风机制造商、风电场开发商、电力系统仿真软件公司以及电力系统咨询公司参与并已取得重大进展的风电机组/场的动态建模工作。

（6）通信能力。要求风电场能够向调度中心实时输送气象数据，如风速、风向、气温、气压、母线电压、有功功率及无功功率等信息，同时能够实时接收来自调度中心的指令。

美国风能协会（AWEA）针对风电场并网标准向联邦能源管理委员会（FERC）提交建议草案[24]，主要包括以下内容：

（1）低压渡过能力。在系统发生事故、电压水平降低的情况下，风电场仍然能够在线运行以确保系统的完整性和稳定性。AWEA建议采用新的欧洲标准以便允许较高的风电穿透功率水平。

（2）电压控制/无功补偿。AWEA建议对风电场采用FERC提出的普遍电压标准以确保输电系统的可靠性，但并不严格要求对系统没有直接影响的每一台风机。

（3）通信及控制。AWEA建议安装监视控制与数据采集（SCADA）系统以便于风电场与TSO之间的通信协调和远程控制实现。

AWEA同时还建议TSO和风机制造商积极开发、维护并不断改进风机的工程实用模型，进行风机并网的可行性研究。

3 风力发电机组模型

3.1 模型基本模块

简言之，一个风力发电机组动态模型应包括以下基本模块[25]：风速模型（如只研究风机的暂态稳定性，可省略）、风机模型、发电机模型和控制系统模型（例如桨矩控制、转子电阻或电压控制等），见图1。

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控制系统模型 29

风速模型 风速 风机模型 机械 功率 电电功功率率 发电机模型 电力系统 电压分析软件 转子速度 图1 风力发电机组基本模块 Fig. 1 Basic structure of a wind power generator

风机可以通过调节桨叶的迎风角度，在风速高于额定值时保证风机的出力水平维持在额定值附近，从而提高了风机的效率。如图3所示，变桨矩风机一般采用比例积分型控制器，在机械转矩大于参考值时增加桨矩角；反之减小桨矩角。 参考值 参考值 _ 桨矩角 机械转矩 + + + 伺服系统 比例积分控制器 3.2 定桨矩风机+感应发电机

在风电发展初期，由于结构简单、维护方便、成本较低曾一度主导市场；随着新型风力发电机组性能价格比的逐渐降低以及新电网导则的引入目前已逐步退出风电市场。但在电网中还运行着大量这类风电机组，其模型仍然必不可少。

这种风电机组[26]主要由一个定桨矩的风机、一个普通感应式发电机和一组用于无功补偿的并联电容器组成，风机和发电机的轴系通过齿轮箱连接。对于暂态稳定分析而言，发电机转子的行为以及与之相应的功率振荡应该是模拟重点。发电机模型中可以忽略定子绕组动态，只考虑转子绕组动态。由于齿轮箱的机械强度不是很大，应采用双质块模型模拟整个轴系。作用于转子的机械功率在稳态情况下等于风机捕获的风能功率，但在动态过程中由于风机轴系与发电机转子相对扭转，两者不再相等，风机捕获的风能不但与风速有关，还与转子速度有关，风机只能在某一个特定的叶尖速比（风机桨叶叶尖速与风速的比值）情况下达到最大效率，二者之间的关系如图2所示（图中的刻度只是示例）。换言之，在风速不变的前提下，如果动态扰动导致转子转速偏离正常值，风机捕获的风能（即原动机功率）会随之发生改变，这一点与传统机电暂态分析中假设原动功率恒定的假设有很大区别。

0.5 效率 桨矩角最小 桨矩角中等 桨矩角最大 图3 比例积分型桨矩控制系统

Fig. 3 Proportional-integral type pitch control system

普通感应发电机只能运行在某一固定滑差（与转子电阻值近似相等）附近，这一特点决定通过齿轮箱与之直接相联的风机也只能恒速运行。根据图2所示曲线，在转速不变的前提下风机只能在某一特定风速下达到最大效率；在多数风速下风机只能低效运行。这种发电机在转子绕组中串接入一个可控电阻，通过调整该电阻值可以达到调整风机转速的目的，从而实现了一定程度的变速运行，确保风机在各种风速下都能够高效运行。 3.4 变桨矩风机+双馈发电机

变桨矩风机+双馈发电机是一种采用脉宽调制技术的新型风力发电机组，也是目前风力发电分析与控制的研究热点之一[27-30]。与普通感应发电机采用鼠笼式转子不同，双馈发电机转子采用绕线式绕组（如图4所示）。 风机 定子 变压器 电网

转子 变频器

图4 双馈发电机基本结构图

Fig. 4 Basic structure of a doubly fed induction generator

0.3 这种发电机的定子绕组与电网有电气联接，其转子绕组也通过变频器（一般由转子侧逆变器、直流电容及电网侧逆变器组成）与电网相联。风速较低时风机必须运行在低于同步速的状态才能达到较高效率。为维持发电机机械转矩与电磁转矩的平衡，转子绕组从电网吸收一定数量的功率再通过定子绕组送回电网；风速较高时风机需要运行在高于同步速的状态才能达到较高效率。在这种情况下一部分功率将直接通过转子绕组送入电网；当风机运行在同步速时，如果忽略损耗，转子绕组通过的功率为零，风力发电机组与电网的全部功率交换都通

0.1 0 5 10 15 叶尖速比

图2 风机效率与叶尖速比及桨矩角的关系曲线 Fig. 2 Relationship between the wind turbine,

tip speed ratio and pitch angle

3.3 变桨矩风机+可变电阻感应发电机

风速高于额定值时，由于桨叶失速定桨矩风机将分流一部分过剩功率；但在风速很高时分流的功率会过多，使得风机运行在额定功率以下。变桨矩

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过定子绕组完成。额定状态下通过转子绕组及变频器的功率约占全部功率的20%。 3.5 变桨矩风机+同步发电机

与普通同步发电机不同，变桨矩风机+同步发电机将变速运行并通过功率变频器与电网间接相联，以防止风电功率波动对主电网的电能质量造成不良影响（如图5所示）[31]。与双馈电机相比，这种电机需要配备100%容量的变频器，因此造价较高，损耗也比较大。单就建模而言，这种风机并不复杂，完全可以参照双馈电机及传统同步电机的模型，同步发电机及其励磁系统在电力系统分析软件中已有很成熟的模型，而变频器和与双馈电机的类似，只是容量更大。 风机 励磁系统 定子 变频器 变压器 电网

转子 表1 风机基本参数

Tab. 1 Parameters of the wind turbine generators

参数名称 视在功率/MVA 定子电阻Rs/pu 定子电抗Xs/pu 转子电阻Rr/pu 转子电抗Xr /pu 激磁电抗Xm/pu 转子转动惯量/s 风机转动惯量/s 轴系扭转系数/(pu/rad) 轴系阻尼系数/(pu/(rad/s))

感应风电机 0.6590 0.00 0.0842 0.00 0.1241 4.5291 0.2855 1.4275 1.9184 0.0039

双馈风电机 4.0000 0.0078 0.0794 0.0250 0.4000 4.1039 0.5000 2.5000 0.3500 0.0015

图5 变速同步风力发电机

Fig. 5 Basic structure of a variable

speed synchronous generator

（3）运行仿真到15s停止，风机及其余系统达到新的稳定运行点。

图6为感应恒速发电机在上述仿真过程中的有功功率及无功功率（功率基准为100MVA）波动曲线。在故障发生的初始瞬间，由于电磁惯性的缘故，发电机内电势远高于故障端电压，因此表现为感应发电机向系统倒送无功功率。由于转子磁链的衰减很快，这个过程很快结束。故障清除后，发电机从系统吸收无功功率，端电压逐步恢复正常水平，发电机进入新的稳定运行状态。

无功功率/pu 有功功率/pu

0.020 有功功率

0.030

3.6 风电机群模型

一个大型风电场通常有几十台甚至上百台风电机组，如详细模拟每一台发电机，尽管精度很高，但不适于大规模电力系统分析。由于一个风电场内各台风机之间的电气联系紧密，在系统事故情况下，各台风机的反应十分相似，工程上完全可以采用加权求和的办法近似模拟这个风电场的反应

[32-34]

无功功率

。当

−0.030 2.500

4.500

−0.020 t/s 6.500

然，如果有多种机型并存，可以采用多个集成模型模拟整个风电场。只要单机模型足够准确，这种近似不会造成很大误差，工程上完全可以接受。

图6 发电机有功及无功功率曲线

Fig. 6 Induction generator wind turbine’s

active/reactive power traces

4 仿真示例

表1分别列出了一台600kW感应发电机和3600kW双馈发电机的基本参数，除基准功率和特殊标明单位以外，其它所有参数都是以风机容量为基准的标幺值。本文的仿真模型是在PSS/E上实现的，算例系统是爱尔兰全国电网实际模型[35]，仿真过程如下：

（1）不加任何扰动仿真运行一段时间，确定系统处于稳定状态；

（2）在某系统母线上施加一三相接地故障，持续200ms后清除故障；

图7为感应恒速风力发电轴系（风机及发电机转子）的运动轨迹。由于惯性相差比较大（参见表 1），发电机转子的振荡轨迹表现为依从于风机轴系的运动轨迹（标幺值）。在扰动足够大时发电机转子将表现为增幅的失稳振荡，这也是采用双质块轴系模型的主要原因。

图8为双馈变速风力发电机组在上述系统故障扰动下的动态曲线，与图6比较后发现该机组在故障切除后向系统提供了大量无功功率帮助系统恢复正常运行，这是双馈发电机与感应电机的显著不同点之一。很难设想如果不进行有针对性的动态建模，在该类型风机的并网分析中能否得到正确的

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风机转速/pu

0.070

发电机转速

31

发电机转速/pu

0.070 风机转速

−0.030

2.500

4.500

−0.030 t/s 6.500

图7 发电机转子及风机轴系转速曲线 Fig. 7 Induction generator’s rotor and

wind turbine shaft speed traces

32 Power System Technology Vol. 29 No. 12

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雷亚洲（1973-），男，博士，从事输电网规划和风电场并网分析工作（yazhou.lei@eirgrid.com；yazhou@o2.ie）；

Gordon Lightbody，男，博士，爱尔兰国立科克大学电力电子工程系讲师，研究方向为智能及自动控制技术在电力系统中的应用。

国家电网公司科技期刊第一审读组

审读工作会议在长沙召开

国家电网公司科技期刊第一审读组审读工作会议于2005年4月25－27日在长沙召开。来自第一审读组及其他单位的14种期刊共计25位审读员和代表参加了会议。分析了2004年的审读工作，希望加大编辑出版标准化和规范化执行力度；加强年轻编辑的业务培训。《电网技术》、《电力系统自动化》、《电力安全技术》及《高电压技术》4种期刊的代表介绍了办刊经验。代表们对审读方式和办法提出了很好的建设性意见：（1）要认真负责地对待审读工作，继续加强交流和学习，不断提高审读水平；（2）要正确理解审读工作的意义，把审读工作与提高刊物质量紧密结合起来；（3）充分发挥审读组的优势，做好优秀期刊的评选工作，为国家评刊打下良好的基础。

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