十分必要的 。 文章提出了不同控制方式下的双馈机组风电场节点在潮流计算中的处理方法以及潮流计算的具 体步骤 ， 给出了节点间的转化方法 。 运用 PSASP 进行仿真验证 ， 证实了所提方法的可行性 。 关键词 ： 风电场 ； 潮流计算 ； 双馈风电机组 中图分类号 ： TK89; TM74 文献标志码 ： B 文章编号 ： 1671-5292 （2010 ）02-0105-05
第 28 卷 第 2 期 2010 年 4 月
可再生能源
Renewable Energy Resources
Vol.28 No.2 Apr. 2010
电力系统潮流计算中双馈式风电场节点的 处理方法
苏 平 ， 张靠社
710048 ）
（ 西安理工大学 水利水电学院 ， 陕西 西安 摘
要 ： 潮流计算是风电场接入系统设计的重要环节之一 。 准确的潮流计算结果对于建立风电场稳态模型是
引言 稳态潮流计算是风电场规划设计中的重要 环节之一 。 精确的潮流计算结果对建立能够准确 描述风电场特性的风电场稳态模型是十分必要 的 [1] 。 文献 [2] 通过建立风电场的稳态数学模型和 已知感应电机的参数求解潮流 ， 但没有给出风电 场节点的具体处理方法 。 文献 [3] 建立了计及风电 场的尾流效应和风力发电机功率特性的数学模 型 ， 并结合常规 PQ 简化模型进行潮流计算 。 目前， 风电机组一般采用双馈感应发电机 （DFIG ）， 其工作原理如图 1 所示 。 双馈感应发电 机在发出有功功率的同时要消耗无功功率 ， 其输 出的有功功率取决于风速大小 ， 而消耗的无功功 率则和并网点的电压有关 。 因此 ， 在电力系统潮流 计算中 ， 风电场节点电压和无功功率均为待求量 ， 风 电 场 所 在 节 点 不 能 简 单 处 理 为 PQ 或 PV 节 点 。 换言之 ， 当风电机组有功输出一定时 ， 双馈电 机消耗的无功功率和机端电容器组补偿的无功功
收稿日期 ： 2009-10-09 。 作者简介 ： 苏 平 （1985- ）， 男 ， 甘肃庄浪人 ， 硕士研究生 ， 从事电力系统分析和风力发电研究 。 E-mail ：suping-1214@
·105·
可再生能源
率取决于系统节点电压 。 但是 ，由于双馈机组普遍 采用了双 PWM 变频器的控制 ， 其发出的有功与 无功功率能够得以解耦控制 ， 具有类似于同步发 电机的特性 ，在实际运行当中 ，其有功与无功都是 可控的 。 由于采用运行模式的不同 ，可以将双馈
Xss =Xs + Xm ，Xrr =Xr + Xm
其中 ：Xs 为定子电抗 ，Xr 为转子电抗折合到定子 侧的折合值 。
1
风电场的数学模型 风机的功率特性曲线如图 2。
P
r rr rr r
Ed′ Eq′ = Udr′ Uqr′ s 0 Xm2Rr/Xrr2
Rr/Xrr -s Rr/Xrr
-XmRr/Xrr2 0
衡量 ， 并获得雅可比矩阵元素 ； ⑧ 用 牛 顿 — 拉 夫 逊方法求解修正方程 ， 并修改各节点电压和相角 ；
Pr=
r x (Q +P ) 2rrxssQs ru + -sPs x u xm2 x Pe=Ps+P
2 s 2 2 m s 2 s
2 1 ss
2 s 2 2 m s
2 s
2 r s 2 m
1.2 双馈发电机的功率关系
双馈式风力发电系统首先由风力机吸收风能 产生机械转矩 ， 然后通过机械传动装置带动发电 机转子运转 ，从而将机械功率传递给发电机 ； 转子 绕组接入励磁电流建立磁场 ， 由于转子的旋转在 定子绕组中感应出电流 ，功率又传到了定子侧 。 双 馈发电机的功率流向如图 3 所示 。 双馈电机的等 效电路如图 4 所示 。
r r r r r r r r r
觶 ′觶 Pe=-Re r E Is Tc=Pc/ωc
r
(6）
1 Pm= CpAρv3 2
（1 ）
式 中 ： Pm 为 风 机 的 机 械 输 出 功 率 ； C p 为 风 能 利 用 系 数 ；A 为 风 力 机 的 扫 风 面 积 ；ρ 为 空 气 密 度 ；v 为 风 速 。
（7 ） （8 ）
⑨ 校验潮流是否收敛 ， 若收敛 ， 则计算结束 ， 否则
用新的电压值作为初值 ， 返回 ⑥。
Pe=
r x (Q +P ) 2rrxssQs ru + +(1-s)Ps x u xm2 x Qs=Pstanφs
2 1 ss
2 r s 2 m
（9 ） （10）
2.2 风电场节点视为 PV 节点
rr r rr r
Ed′ Eq′ + Ids Iqs
（4 ）
转子运动方程 ：
Tm-Te=-TJ
ds dt
（5 ）
其 中 ： Tm 为 发 电 机 输 入 的 机 械 转 矩 ； Tc 为 发 电 机 输 出 的 电 磁 转 矩 ； TJ 为 转 子 惯 性 时 间 常 数 ； Tm 由 风机的功率特性曲线一般由风机制造厂商随 风机产品提供给用户 。 风机的功率特性可以用式 （1）所示的函数表示 。 机械部分参数确定 ；Te 可由下式计算得到 ：
Abstract： The flow calculation is one of the important sectors in wind farm integration system. The accurate flow calculation results are necessary for establishing the steady-state model for the wind farm. The paper proposes the processing method for the nodes of the doubly fed induction generator wind farms, which are under different control measures, in the flow calculation and the detailed approaches for flow calculation, also, put forward the method for nodes transformation. Simulating by using PSASP, the feasibility of the processing method is verified. Key words： wind farm; flow calculation; doubly fed induction generator 0
[4]
2010 ，28 （2 ）
其中 ：Uds，Uqs，Udr，Uqr 分别为定子绕组和转子绕组 电 压 的 d 轴 和 q 轴 分 量 ；Ids，Iqs，Idr，Iqr 分 别 为 定 子 绕组和转子绕组电流的 d 轴和 q 轴分量 ；φds，φqs，
φdr，φqr 分别为定子磁链和转子磁链的 d 轴和 q 轴
Processing method for the node of the doubly fed induction generator wind farm in flow calculation of the power system
SU Ping ， ZHANG Kao-she
（The Faculty of Water Resources and Hydraulic Power ，Xi'an University of Technology ，Xi'an 710048 ， China ）
① 形成节点导纳矩阵 ；② 设定各节点的电压
初值 ： 相角和幅值 ；③ 给定风电场风速 ；④ 根据双 馈发电机功率曲线求出注入系统的有功功率 Pe；
⑤ 根据风电机组转速控制规律 ， 求出滑差率 s；⑥ 根据式 （7）～（11） 求 Ps， 根据给定的恒功率因数求 Qs， 从 而 得 出 Pr 和 Qr； ⑦ 把 风 电 场 节 点 作 为 PQ 节点 ， 其中 P 为 Pe，Q 为 Qs， 求修正方程式中不平
① 形成节点导纳矩阵 ；② 设定各节点的电压 初值 ： 相角和幅值 ；③ 给定风电场风速 ；④ 根据双
分量 ；rs 为定子绕组电阻 ；Rr 为转子绕 组 电 阻 ；Xm 为激磁电抗 ；s 为转差率 ；P 为微分算子 。
风电机组 ， 甚至整个风电场看作 PQ 节 点 或 PV 节点 。 基于此 ，本文提出了两种节点下风电场潮流 计算的具体方法和适用条件， 经过仿真软件 （PSASP ）的仿真验证 ，其具有较好的准确性 。
φds φqs φdr φqr
r r r r r r r r r r r r r r r
r r r r r r r r r r r r r r r
-
r r r r r r r r r r r r r r r
-r s
Xss
0
Xm
-Xss -rs -Xm 0 0 -sXm -Rr sXrr -sXm 0 -sXrr -Rr 0 Xss 0 Xm Xm 0 Xrr 0 0 Xm 0 Xrr
1.1 双馈机的动态数学模型
由于分析的需要 ， 双馈机的动态模型以定子 旋转磁场坐标为参坐标 （即 dq0 坐标 ）[5]。 电压 ：
r r r r r r r r r r r r r r r
Uds Uqs Udr Uqr
r r r r r r r r r r r r r r r
=P
r r r r r r r r r r r r r r r
当风电场并网电网为弱电网时 ， 风电场输出 功率的变化对电网电压的影响较大 。 此时可以通 过控制风电场发出或吸收无功功率来实现对电网 电压的调整 ， 维持电网的稳定 ， 即采用端电压恒定 控制的方式 ， 把风电场母线节点作为 PV 节点 ， 其 潮流计算的具体步骤如下 。