适用于电力系统全过程动态仿真的风电机组典型模型_刘涛
风电场建模和仿真研究
风电场建模和仿真研究一、本文概述随着全球能源结构的转型和可再生能源的大力发展，风电作为一种清洁、可再生的能源形式，在全球范围内得到了广泛的关注和应用。
风电场作为风电能源的主要载体，其运行效率、经济效益及安全性直接决定了风电产业的健康发展。
因此，对风电场进行精确建模与仿真研究，对于提升风电场的设计水平、优化运行策略、预测和评估风电场的性能具有重要的理论价值和现实意义。
本文旨在全面系统地探讨风电场的建模与仿真技术，通过对风电场各个组成部分的深入分析，构建一个真实反映风电场运行特性的仿真模型。
本文首先对风电场的基本原理和结构进行概述，介绍风电场的主要组成部分及其功能；接着，详细阐述风电场建模的关键技术，包括风力发电机组模型、风电场电气系统模型、风电场控制系统模型等；然后，介绍风电场仿真的基本流程和方法，包括数据收集、模型构建、仿真实验及结果分析等；结合具体案例，展示风电场建模与仿真技术在风电场设计、运行优化和性能评估中的应用。
通过本文的研究，希望能够为风电场的设计、运行和管理提供有益的参考和指导，推动风电产业的可持续发展。
二、风电场建模基础风电场建模是研究风电能转换、风电系统运行及风电场优化布局的重要手段。
建模的准确性直接关系到风电场运行的安全性和经济性。
风电场建模主要基于风电机组的运行特性、风电场的布局、地形地貌、气象条件以及电网接入方式等因素。
在风电场建模过程中，首先需要对风电机组进行单机建模。
这通常涉及风电机组的空气动力学特性、机械动力学特性、电气控制特性等方面的研究。
其中，空气动力学特性主要研究风轮对风能的捕获能力，机械动力学特性关注风电机组在风载荷作用下的动态响应，而电气控制特性则关注风电机组的能量转换和并网控制。
除了单机建模外，风电场建模还需要考虑风电场的整体布局。
风电场的布局直接影响到风能的分布、风电机组之间的相互干扰以及风电场的整体发电效率。
因此，在建模过程中，需要综合考虑地形地貌、风向风速分布、湍流强度等因素，以确保风电场布局的合理性。
风电实验报告-风力发电机组的建模与仿真
实验一 ：风力发电机组的建模与仿真XX ：樊姗 __031240521一、实验目的:1掌握风力发电机组的数学模型2掌握在MATLAB/Simulink 环境下对风力发电机组的建模、仿真与分析；二、实验内容:对风速模型、风力机模型、传动模型和发电机模型建模，并研究各自控制方法及控制策略；如对风力发电基本系统，包括风速、风轮、传动系统、各种发电机的数学模型进行全面分析，探索风力发电系统各个部风最通用的模型、包括了可供电网分析的各系统的简单数学模型，对各个数学模型，应用 MATLAB 软件进行了仿真。
三、实验原理：自然风是风力发电系统能量的来源，其在流动过程中，速度和方向是不断变化的，具有很强的随机性和突变性。
本课题不考虑风向问题，仅从其变化特点出发，着重描述其随机性和间歇性，认为其时空模型由以下四种成分构成:基本风速b V 、阵风风速g V 、渐变风速 r V 和噪声风速n V 。
即模拟风速的模型为：n r g b V V V V V +++= （1-1）（1）基本风速在风力机正常运行过程中一直存在，基本反映了风电场平均风速的变化。
一般认为，基本风速可由风电场测风所得的韦尔分布参数近似确定，且其不随时间变化，因而取为常数（2）阵风用来描述风速突然变化的特点，其在该段时间内具有余弦特性，其具体数学公式为：⎪⎩⎪⎨⎧=00cos v g V gg g g g g T t t T t t t t t +>+<<<1111 （1-2）式中：⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡--=)(2cos 121max cos g g g T t T t G v π （1-3） t 为时间，单位 s ；T 为阵风的周期，单位 s ；cos v ，g V 为阵风风速，单位m /s ；g t 1为阵风开始时间，单位 s ；max G 为阵风的最大值，单位 m/s 。
（3）渐变风用来描述风速缓慢变化的特点，其具体数学公式如下：⎪⎩⎪⎨⎧=00v ramp r V r r r r t t t t t t t 2211><<< （1-4）式中：⎪⎪⎭⎫⎝⎛---=r r rramp tt t t R v 212max 1 （1-5） r t 1为渐变风开始时间，单位 s ；r t 2为渐变风终止时间，单位 s ；r V ，ramp v 为不同时刻渐变风风速，单位 m/s ；max R 为渐变风的最大值，单位 m/s 。
利用CAD技术的风力发电机组三维模型设计与制造
利用CAD技术的风力发电机组三维模型设计与制造风力发电机组是利用风能转化为电能的装置，它由风力发电机和支架组成。
而CAD技术（计算机辅助设计）是一种利用计算机进行工程图形的辅助设计方法。
本文将重点介绍利用CAD技术进行风力发电机组的三维模型设计与制造的过程。
1. 需求分析在进行风力发电机组的三维模型设计与制造之前，首先需要进行需求分析。
我们需要考虑的因素包括风力发电机组的功率、转速、叶片数量等。
通过确定这些参数，我们可以根据实际需求进行三维模型的设计与制造。
2. 三维建模利用CAD技术进行风力发电机组的三维建模是设计与制造的基础。
我们可以根据需求和设计要求，采用CAD软件中的建模工具进行对风力发电机组的建模。
首先，我们需要绘制整个风力发电机组的骨架结构，包括支架和发电机等，然后再逐步添加叶轮、传动系统等细节。
确保模型的每个部分都符合设计要求，并且能够实现正常运转。
3. 材料选择在进行风力发电机组的制造之前，需要选择合适的材料。
这些材料需要具备一定的强度和耐久性，以及适应各种环境条件的要求。
根据模型设计，我们可以确定所需要的材料种类和尺寸，然后选择高质量的材料进行制造。
4. 制造工艺制造风力发电机组的过程需要考虑到材料的加工、组装以及质量控制等问题。
根据三维模型设计，我们可以将模型分解为各个零件，并制定相应的制造工艺流程。
例如，通过数控机床对金属零件进行加工，利用3D打印技术对塑料零件进行制造等。
此外，还需要进行合适的组装过程，确保各个零件的拼接紧密无缝。
5. 模型测试与改进制造完成后，对风力发电机组的三维模型进行测试和改进是必要的。
我们可以利用计算机模拟软件对模型进行动力学分析，检测其在不同工作条件下的性能表现。
根据测试结果，我们可以对模型进行必要的改进和优化，以达到更好的发电效果和可靠性。
综上所述，利用CAD技术进行风力发电机组的三维模型设计与制造需要进行需求分析、三维建模、材料选择、制造工艺和模型测试与改进等步骤。
风电装备载荷仿真系统简介
风电装备载荷仿真及系统简介风电装备载荷仿真系统是一个涉及多个学科的复杂技术领域，主要包括空气动力学、机械工程、电机学、电力电子技术、电力系统自动化、运动控制系统以及计算机及DSP技术等。
在风电装备载荷仿真方面，主要研究风力发电机组的动力学特性，以及风能转换过程中各种载荷的仿真分析。
通过建立风力发电机组的动力学模型，结合风场的风速、风向等气象数据，可以预测和模拟风力发电机组的运行状态和载荷情况。
这种仿真技术有助于优化风力发电机组的设计，提高其可靠性和稳定性，同时也可以为风力发电机组的维护和检修提供重要的技术支持。
在系统控制技术方面，风电装备的控制系统是实现高效稳定运行的关键。
控制系统需要实时监测风力发电机组的运行状态，并根据不同的工况和载荷情况，通过调节叶片角度、发电机转速等方式，对机组进行精确的控制。
此外，风电装备控制系统还需要具备故障诊断和保护功能，能够在出现异常情况时及时采取保护措施，保证机组的安全稳定运行。
风电装备载荷仿真及系统控制技术的应用范围非常广泛，包括风力发电机组的设计、制造、安装、运行和维护等各个环节。
通过这些技术的应用，可以进一步提高风电装备的运行效率和稳定性，降低运行成本和维护成本，同时也有助于推动风电产业的可持续发展。
风电装备载荷仿真系统主要由载荷仿真及控制系统两部分组成：一、载荷仿真的主要功能1、建立风力发电机组模型：根据风力发电机组的结构和动力学特性，建立相应的数学模型，包括叶片、塔筒、发电机等关键部件。
2、气象数据输入：收集风场的风速、风向等气象数据，作为仿真模型的输入条件。
3、载荷计算：根据风速、风向和风力发电机组的运行状态，计算出风力发电机组在不同工况下的载荷情况。
4、仿真结果分析：对仿真结果进行分析，评估风力发电机组的性能和安全性，优化机组的设计和配置。
二、控制系统的主要功能1、控制系统硬件配置：选用可靠的硬件设备，如传感器、执行器、控制器等，搭建起风电装备的控制系统。
风力发电机组多领域耦合建模与分析
风力发电机组多领域耦合建模与分析随着全球对可再生能源的日益重视，风力发电已经成为了现代能源领域不可或缺的一部分。
其中，风力发电机组作为风力发电的核心装置，其在能源产业中的重要性也不容小觑。
然而，要使风力发电机组能够更高效地工作，避免故障和损坏，必须对其进行深入的研究和分析。
本文将介绍风力发电机组多领域耦合建模与分析的相关内容。
一、风力发电机组的多领域耦合为了更好地理解风力发电机组的多领域耦合，我们先来看一下风力发电机组的基本工作原理。
风力发电机组通过将风能转化为机械能，再由电机将机械能转化为电能，最后将电能输送到电网中。
其中，风力机、变速器、发电机、变流器等部件相互协同工作，完成了风力发电机组的转换过程。
由于风力发电机组是由多个不同领域的部件组成的，各个部件之间存在着相互作用和影响。
换句话说，风力发电机组的各项参数之间相互联系，它们之间的耦合作用非常显著。
例如，风力机的风速和方向会影响到变速器、发电机的工作效率；变速器的质量和齿轮系统的损耗会影响发电机的输出功率；变流器的电网电压和负载特性直接影响到风力发电机组的发电效率及其稳定性等等。
这样看来，仅仅对每个部件的性能进行分析是远远不够的。
只有建立一种全面综合的模型才能更好地研究风力发电机组多领域耦合的现象。
二、风力发电机组的多领域耦合建模建立风力发电机组的多领域耦合模型，需要考虑到多个方面的因素。
通常情况下，可能涉及到机械传动、流体动力学、电磁场等多个领域的知识。
因此，建模会涉及到不同的技术手段和工具。
在建模过程中，要首先将各个部件的单独模型建立起来。
例如，可以考虑机械传动的建模，通过力学的知识，可以建立各个部件之间的转动传动模型。
同样地，电磁场模型建立，也可以考虑传统的电磁场理论和实验测量等。
在流体动力学建模方面，可以通过CFD（计算流体力学）和实验分析等手段，对流场和风场进行建模，甚至可以应用人工神经网络、遗传算法等人工智能技术。
对于上述各种单独模型，需要完成参数校准、验证和调优，以便能够使用它们建立多领域耦合模型。
风电发电系统建模与控制策略研究
风电发电系统建模与控制策略研究随着全球对可再生能源发电的需求日益增长，风能成为了最受关注的一种可再生能源之一。
风电发电系统已经成为了全球主流的电力生产方式。
控制策略和系统建模是风电系统设计中最关键的方面之一，也是未来风能行业发展和实现高效利用的关键。
一、风电系统建模风电系统模型是对系统的数学描述，用于分析系统性能和特性的工具。
风电系统模型一般包括机械子系统、电气子系统和电网子系统三个方面。
机械子系统包括风轮、转子、齿轮箱、发电机和塔架等部分。
电气子系统包括变流器、变压器、电容器等部分。
电网子系统包括机组出力或网络气象条件的变化、电网负荷和运行工况等因素。
对于风电系统的建模，需要考虑到系统各种子系统及其之间的耦合关系，并确定合适的模型参数和模型形式。
各子系统之间不同类型成分之间的耦合关系是非常关键的，例如机械子系统中风轮和发电机间的转矩耦合、电子系统中变流器与发电机的电气耦合以及电气系统中负荷改变和电容器的影响等。
为了更好地模拟风电系统的行为，建模还需要考虑稳态与瞬态两种特性。
通常在建模时，使用等效电路模型或者传递函数模型的方法，这两种方法也是目前风电系统建模的主要方法。
二、风电控制策略风电系统控制是保证风电系统稳定运行和高效工作的关键。
风电控制策略是提高风电系统全局性能的关键规则和指导方针。
常用的风电控制策略包括：（1）桨叶安装角度控制策略该策略根据风速和机组状态来调节桨叶安装角度，控制风轮的收集力，从而保证系统的电能贡献和安全性。
（2）切除/ 自动故障检测策略该策略用于检测异常事件，如大风或系统故障，以及监测机组内层子系统和外层子系统之间的互动行为，有效降低系统失效风险并保证电网稳定性。
（3）功率跟踪为了维持电网系统的电能贡献，风电系统需要基于当前风速和电网反馈信息来跟踪机组出力。
三、风电系统发展趋势未来，随着风电系统的技术改进和不断的经验积累，风电系统将在可靠性和控制策略等方面得到进一步的改进。
风力发电系统建模与仿真
风力发电系统建模与仿真风力发电系统建模与仿真摘要：风力发电作为一种清洁的可再生能源利用方式，近年来在世界范围内获得了飞速的发展。
本文基于风力机发电建立模型，主要完成了以下工作：（1）基于风资源特点，建立了以风频、风速模型为基础的风力发电理论基础；（2）运用叶素理论，建立了变桨距风力机机理模型；（3）分析了变速恒频风力发电机的运行区域与变桨距控制的原理与方法，并给出了机组的仿真模型，为风力发电软件仿真奠定了基础；（4）搭建了一套基于PSCAD/EMTDC仿真软件的风力发电系统控制模型以及完整的风力发电样例系统模型，并且已初步实现风力机特性模拟功能。
关键词：风力发电；风频；风速；风力机；变桨距；建模与仿真1 风资源及风力发电的基本原理1.1 风资源概述（1）风能的基本情况[1]风的形成乃是空气流动的结果。
风向和风速是两个描述风的重要参数。
风向是指风吹来的方向，如果风是从东方吹来就称为东风。
风速是表示风移动的速度即单位时间内空气流动所经过的距离。
风速是指某一高度连续10min所测得各瞬时风速的平均值。
一般以草地上空10m高处的10min内风速的平均值为参考。
风玫瑰图是一个给定地点一段时间内的风向分布图。
通过它可以得知当地的主导风向。
风能的特点主要有：能量密度低、不稳定性、分布不均匀、可再生、须在有风地带、无污染、分布广泛、可分散利用、另外不须能源运输、可和其它能源相互转换等。
（2）风能资源的估算风能的大小实际就是气流流过的动能，因此可以推导出气流在单位时间内垂直流过单位截面积的风能，即风能密度，表示如下：3ω= (1-1)5.0vρ式中,ω——风能密度(2W)，是描述一个地方风能潜力/m的最方便最有价值的量；ρ——空气密度(3/m kg )；v ——风速(s m /)。
由于风速是一个随机性很大的量，必须通过一段时间的观测来了解它的平均状况，一个地方风能潜力的多少要视该地常年平均风能密度的大小。
因此需要求出在一段时间内的平均风能密度，这个值可以将风能密度公式对时间积分后平均来求得。
风力发电机的建模及动态仿真
Ed′= -
xm x2 + xm
Q
E q′=
xm x2 + xm
D
( 12)
Q= -
x
2
+ xm
x
mE
′ d
D=
x
2
+ xm
x
m
E
′ q
( 13)
p
Q= -
x
2
+ xm
x
mp
E
′ d
p
D=
x
2
+ xm
x mp
E
′ q
( 14)
根据转子电压方程 D 轴
R 2iD + x 2 + x mp E ′ q - ( xm
x= x1+ xm 3. 3 电磁暂态过程方程式 从( 5) 式 D 轴转子磁链方程得
iD =
x2
x +
m
x
m
id
+
1 x2 + xm
D
( 6)
把( 6) 式代入 d 轴定磁链方程得
d=-
x ′id +
E
′ q
( 7)
式中 x ′——暂态电抗
x ′=
x1 +
xm -
x2
x
2 m
+ xm
=
x1 +
x2 x2 +
叙词 风力发电机 建模 动态仿真
Building Model and Dynamic Simulation on Windmill Generator
X in Jiang Institute of T echnolo gy Hou Shuhong, Lin Hong, Chao Qin, Zu Lati
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第39卷第3期电网技术V ol. 39 No. 3 2015年3月Power System Technology Mar. 2015文章编号：1000-3673（2015）03-0609-06 中图分类号：TM 721 文献标志码：A 学科代码：470·4051适用于电力系统全过程动态仿真的风电机组典型模型刘涛1，戴汉扬1，宋新立1，仲悟之1，侯俊贤1，叶小晖1，张爽2（1．中国电力科学研究院，北京市海淀区 100192；2．宁夏电力科学研究院，宁夏回族自治区银川市 750001）A Typical Wind Power Generation Set Model of Suitable for Full Dynamic Simulation ofPower GridLIU Tao1, DAI Hanyang1, SONG Xinli1, ZHONG Wuzhi1, HOU Junxian1, YE Xiaohui1, ZHANG Shuang2(1. China Electric Power Research Institute, Haidian District, Beijing 100192, China;2. Ningxia Electric Power Research Institute, Yinchuan 750001, Ningxia Hui Autonomous Region, China)ABSTRACT: The stochastic fluctuation of the output of wind power generation brings adverse impacts on both planning and operation of power grid. In allusion to the defects in the model used in domestic wind power generation simulation, including insufficient accuracy of electromechanical transient simulation results and lacking of the model for medium- and long-term dynamic simulation, a typical wind power generation set model suitable for full dynamic simulation of power grid is established. Since the generator model and converter control model that can reflect the electromechanical transient characteristic of wind power generator set and low-voltage ride-through (LVRT) control strategy and protection model as well as the wind speed fluctuation and active power control model that can reflect the medium- and long-term dynamic characteristics of wind power are included in the established model, so using the established model the electromechanical transient characteristics of wind power generation sets, especially the operating characteristic during the LVRT process can be accurately simulated; by means of presetting the input of wind speed fluctuation, both the output variation of wind power generation set in a long-term and its impact on power grid can be accurately simulated. Comparing simulation results of actual large-scale power grid by the proposed wind power generation set model with the measured data of the same large-scale power grid, the effectiveness of the proposed wind power generation set model in the electromechanical transient simulation and in the medium- and long-term dynamic simulation is validated.KEY WORDS: electromechanical transient characteristics;基金项目：国家863高技术基金项目(2011AA05A103)；国家电网公司科技项目资助(SGHB0000KXJS1400040)。
The National High Technology Research and Development of China (863 Program)(2011AA05A103).medium- and long-term dynamic simulation; converter control; low voltage ride-through control strategy; wind volatility fluctuation model; active power control model摘要：风电的随机波动性给电网的规划运行带来了不利的影响。
针对目前国内在风电仿真分析时使用的模型所存在的问题，包括机电暂态特性仿真不够准确且缺乏中长期动态仿真等，建立了适用于电力系统全过程动态仿真的典型风电机组模型。
该模型包括反映风电机电暂态特性的发电机和换流器控制模型、低电压穿越控制策略和保护模型，以及反映风电中长期动态特性的风速波动和有功控制模型。
该模型能够对风电机组机电暂态特性，特别是低电压穿越过程的运行特性进行准确地仿真；通过设置风速波动输入，能够较准确地模拟风电机组出力的长时间变化过程及其对电网造成的影响。
通过与大电网实测数据的仿真对比，验证了风电机组模型在机电暂态和中长期动态仿真中的有效性。
关键词：机电暂态特性；中长期动态仿真；换流器控制；低电压穿越控制策略；风速波动模型；有功控制模型DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2015.03.0040 引言随着风电装机容量的不断增加，大规模风电场并网将给电网的运行调度带来巨大压力，与其相关的局部电网稳定性、无功电压及低频振荡等问题不容忽视[1-4]；且由于风电的间歇性和不确定性，其大规模接入系统后，系统调频调峰及动态电压稳定性问题将变得突出[5-6]。
电力系统数字仿真技术是分析和掌握风电特性、提高源网协调性能的重要技术手段。
风电机组中的换流器采用的电力电子器件具有快速的响应特性，而从分钟级以上的时间尺度看，风电的动力610 刘涛等：适用于电力系统全过程动态仿真的风电机组典型模型V ol. 39 No. 3系统输入和输出波动特性非常明显，具有慢速动态特性。
因此，对风电系统建模、仿真及相关的源网协调技术的研究是一个多时间尺度的复杂问题。
建立能够精确反映风电机组短期和中长期运行特性的模型[7]，可为研究风电的机电暂态和中长期动态特性、分析风电动态行为对电网造成的影响及研究风电接入后的源网协调技术等提供指导。
现有的仿真模型和软件主要集中在风电的电磁暂态和机电暂态仿真分析方面，难以满足大规模风电长时间波动过程的研究需要[8]。
并且，在对实际电网中运行的风电机组机电暂态特性，特别是低电压穿越(low voltage ride-through，LVRT)特性进行仿真时，存在模拟不够准确或者模型参数和策略配置过于复杂的问题。
为了建立一套反映风电机组暂态和中长期动态特性的典型模型，本文首先研究风电机组建模的现状；然后建立适用于电力系统全过程动态仿真[9]的风电模型，包括双馈和直驱风电机组(permanent synchronous generator，PMSG)的机电暂态模型，以及风电场的中长期风速波动模型和有功控制模型；最后在全过程动态仿真程序中对该模型进行开发，并通过实际电网的算例进行仿真与实测的对比，验证模型的准确性和实用性。
1 风电机组建模研究现状分析目前，国内外许多科研单位、高校、电力公司和风电生产厂家等都进行了大量研究，建立了多种风电模型，并在仿真软件中开发实现。
其中，国外已建立的风电模型主要有3种：WECC(Western Electricity Coordinating Council)联合GE公司(General Electric Company)、EPRI(Electric Power Research Institute)和西门子公司提出的模型[10-11]；IEC(International Electro technical Commission)推荐的计算模型[12]；德国DIgSilent公司提出的模型[13]。
这些模型已在大型电力系统分析软件PSLF (positive load flow program)、PSS/E(power system simulator/engineering)、DIgSILENT PowerFactory中开发实现[14]。
而国内风电建模工作起步较晚，常用的PSD(power system department)电力系统仿真软件包和PSASP(power system analysis software package)中的模型是源于GE公司的模型。
上述模型和软件在对我国实际电网中运行的风电机组进行仿真应用时，仍存在模拟不够准确、模型参数和策略配置复杂的问题，具体表现在：1）WECC提出的模型、PSLF及PSS/E软件中的模型，其发电机采用代数运算的电流源进行模拟，变频器控制相对简单，低电压穿越的控制策略主要使用限幅来实现，且没有考虑Crowbar保护等，不能准确模拟电网故障期间及恢复过程中的发电机动态过程。