基于风电模型的无功优化研究

1.双馈感应风力发电机风电场并网方式

目前，国内外新建的风电场主要采用双馈感应风力发电机组。风电场内各台风电机组按一定的顺序排列在不同的位置上，各台风电机组通过一台升压变压器接入风电场，风电场再经升压变压器接入大电网，如图7-10所示。

图7-10 风电场接线图

双馈感应风力发电机组一般通过电压源变换器VSC接入电网，VSC可作为无功源对电压进行控制。双馈感应风力发电机组具有恒功率因数控制（PLC）和恒电压控制（LVC）两种电压控制方式。恒功率因数控制通过调节转子绕组外接电源电压的幅值和相角使风电机组终端功率因素恒定不变，恒电压控制即通过风力发电机向系统提供一定的无功功率，以保持风力发电机组机端电压恒定不变。传统的风电场中每台风力发电机机端都配有并联电容器，为风力发电机的正常运行提供所需的无功功率。由于双馈感应风力发电机具有无功电压控制能力，因此无须在双馈风力发电机机端安装无功补偿设备。为解决风电场并网引起的风电场出口母线电压波动和电网电压不稳定等问题，通常需在风电场出口母线处安装无功补偿装置。图7-11双馈感应发电机风电场并网结构图。

2.风电场的风速功率预测

对风速进行比较准确的预测，可以有效地减少风电场对电力系统的不良影响。目前对风速预测有很多方法，如持续法、ARIMA法、人工神经网络法、卡尔曼滤波法和模糊逻辑法等。

一般情况下，风速是由平均风速和脉动风速组成的，即

V（t）=U（t）＋u（t） （7-14）

式中，U（t）为平均风速；u（t）为脉动风速。

对于平均风，其周期远高于一般结构的自振周期，作用性质可以作为静力。平均风速沿高度的变化可用指数法则公式或对数法则公式计算，工程上一般使用指数法则公式，即

式中，h、h₁为欲求和已知离地面的高度（单位为m）；U₁为已知离地面高度为h₁处的风速，（单位为m／s）；U为欲求的离地面高度为h处的风速（单位为m／s）；指数n与地面的粗糙度以及大气的热稳定度有关，其值为1／8～1／2，在开阔、平坦和稳定度正常的地区一般取1／7。

图7-11 双馈感应电机风电场并网结构

对于脉动风，它反映了风的随机性和紊乱性，它在一段时间内在均值附近波动，可以用其功率谱函数进行时域上的脉动风速模拟。目前主要采用的方法有线性滤波法、谐波叠加法、逆傅里叶变换法、小波分析方法等。(www.xing528.com)

3.风电场建模

基于目前所提出的双馈感应风力发电机数学模型，通常采用以下两种风电场建模方式。一种方式是将风电场中所有风力发电机等效为一台风力发电机，另一种方式是对风电场中每台风力发电机进行详细的建模。

（1）风电场集总模型

风电场集总模型将风电场中所有风力发电机等效为一台风电机模型。该模型无需对每台风力发电机进行建模，大大减少了风电场建模的计算量。假设风电场中所有风力发电机都运行在相同的风速条件下，风速取各台风力发电机处风速的平均值。设风电场由N台型号相同的双馈感应风力发电机组成，各台风电机定子端并联，然后接入大电网。此时风电场等效模型参数和单台双馈感应风力发电机模型参数关系如下：

由式（7-16）可得到风电场集总等效模型，并可推断得知流入风电场等效模型电路中的定子、转子电流值是单台双馈风力发电机定子、转子电流的N倍。

（2）风电场详细模型

研究风电场模型时，由于各台风力发电机排列在不同的位置上，所以其所处位置的风速一般也不相同。各台风力发电机在不同风速条件下转速不同，因此其输出功率也不相同。为准确地反映风电场实际情况，可通过对风电场中每台风力发电机进行建模来建立风电场模型。假定风电场中包含N台型号相同的双馈感应风力发电机，其定子并联后连接到无穷大母线。该模型首先应分析风电场中每台风力发电机处的风速条件，由每台风力发电机处的风速计算出每台风力发电机的转速，从而得到每台风力发电机的输出功率，然后将各台发电机输出功率结果累加得到风电场输出功率。但由于风电场中风力发电机数量众多，考虑风电场中每一台风力发电机模型将增加风电场建模的计算负担。

图7-12 双馈风力发电机风电场集总模型等效电路

4.风电场输出功率

采用风电场详细模型进行分析时，设风电场包含N台双馈感应风力发电机组，其中第i台风力发电机组向电网输送的有功功率和无功功率分别为P_Ti、Q_Ti，整个风电场的功率为各台风电机组功率累加之和。风电场有功功率和无功功率表示为

由式（7-17）和式（7-18）可得风电场功率因数为