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第1章 概述 1

1.1 风力发电系统建模的意义 1

1.2 风电动态模型及分类 2

1.3 动态建模的基本方法 2

1.3.1 机理建模 3

1.3.2 辨识建模 3

1.4 风电动态建模研究现状 4

1.4.1 机组级建模 4

1.4.2 风场级建模 6

1.5 常用的建模仿真工具 7

参考文献 9

第2章 风力发电系统及其控制与保护 12

2.1 典型风力发电系统的结构 12

2.1.1 定速风电机组 13

2.1.2 双馈风电机组 14

2.1.3 感应电机全功率变换风电机组 15

2.1.4 同步电机直驱风电机组 17

2.2 机械动力系统 18

2.2.1 风力机 18

2.2.2 传动系统 21

2.2.3 塔架 21

2.2.4 偏航系统 22

2.2.5 变桨系统 22

2.3 电气系统 23

2.3.1 发电机 23

2.3.2 风电变流器 31

2.3.3 变流器保护电路 48

2.3.4 升压变压器 51

2.4 风电机组的运行、控制与保护 52

2.4.1 风电机组的控制系统 52

2.4.2 风电机组的偏航控制 53

2.4.3 风电机组的变桨控制 54

2.4.4 风电机组的启动 56

2.4.5 风电机组的发电运行 57

2.4.6 风电机组的保护 64

2.5 本章小结 66

参考文献 67

第3章 动力学系统的时间尺度与模型 69

3.1 系统动态时间尺度与模型的关系 69

3.2 风电时间尺度与模型 72

3.2.1 风速时间常数 73

3.2.2 气动时间常数 74

3.2.3 变桨系统时间常数 75

3.2.4 传动系时间常数 76

3.2.5 发电机时间常数 77

3.2.6 变流器及电气控制时间常数 79

3.2.7 风电系统时间尺度划分 82

3.3 风电电力系统时间尺度 83

3.4 本章小结 84

参考文献 84

第4章 风力机及风的动态建模 86

4.1 风电机组模型的划分及其关联 86

4.2 风速的建模 88

4.2.1 风速模型的分类及特点 88

4.2.2 风速的一般模型 89

4.2.3 风速的空间分布 90

4.2.4 用于动态仿真的多时间尺度风速建模方法 92

4.3 风力机的数学模型 102

4.3.1 风轮的空气动力学模型 102

4.3.2 偏航系统模型 107

4.3.3 变桨系统模型 108

4.3.4 机械部分模型 110

4.4 风力机特定动态及耦合问题的模拟 119

4.4.1 风力机的动态入流现象及模拟 120

4.4.2 桨叶面内模态与塔架左右模态的影响与模拟 122

4.4.3 桨叶面外模态与塔架前后模态的影响与模拟 123

4.4.4 风速空间分布不均匀的影响及模拟 124

4.5 本章小结 127

参考文献 128

第5章 风力发电系统电气部分的建模 130

5.1 电磁暂态模型 130

5.1.1 发电机模型 130

5.1.2 变流器及其控制模型 134

5.1.3 变流器保护系统模型 138

5.2 功率控制环和电流控制环时间尺度下的模型 140

5.2.1 发电机变流器组的“三态”特性 140

5.2.2 发电机模型 141

5.2.3 变流器及其控制模型 146

5.2.4 变流器保护系统模型 149

5.3 动态模型中的机组保护 151

5.4 本章小结 152

参考文献 153

第6章 风电机组的动态建模 154

6.1 典型风电机组的详细模型 154

6.1.1 双馈风电机组 154

6.1.2 采用同步发电机的全功率风电机组 154

6.1.3 采用鼠笼感应发电机的全功率风电机组 156

6.2 面向机组分析设计的模型 156

6.2.1 机组有功发电控制模型 156

6.2.2 风电机组整机线性化模型 162

6.2.3 机械振动及气弹耦合研究模型 166

6.2.4 机组机电-电磁耦合分析模型 170

6.2.5 气动-气弹-机电-电磁耦合精细化模型 175

6.2.6 风电机组的阻抗分析模型 182

6.3 面向电网分析的模型 185

6.3.1 电磁暂态模型分析 185

6.3.2 机电暂态模型分析 186

6.3.3 动态模型的性能比较 188

6.4 风电机组的电压源控制模型 203

6.4.1 全功率机型电压源控制模型 204

6.4.2 双馈机型电压源控制模型 205

6.4.3 仿真分析 206

6.5 本章小结 213

参考文献 213

第7章 风电场的动态等值建模 215

7.1 风电场等值建模研究的基本方法及进展 215

7.1.1 风电场等值基本方法 215

7.1.2 风电场等值模型的研究进展 217

7.2 风电机组的同调判别 218

7.2.1 风场主导动态特性影响因素分析 218

7.2.2 对电力系统阻尼特性的影响分析 224

7.3 风电场的典型结构 236

7.3.1 风电场升压站电气接线 236

7.3.2 风电场场内汇集线路接线方式 239

7.4 风电场聚合建模方法 240

7.4.1 风电场机组分群方法 240

7.4.2 参数聚合方法 241

7.4.3 基于功率曲线的风电场单机聚合模型仿真验证及误差分析 244

7.5 风场集电线路对聚合模型精度的影响 250

7.5.1 静态输出精度 250

7.5.2 电网故障情况下聚合模型的动态特性误差 251

7.5.3 风速波动情况下聚合模型输出特性误差 253

7.6 风电场降阶模型 254

7.6.1 风电场中长期等值模型 254

7.6.2 基于虚拟风机的风电场自适应静态等值模型 256

7.7 本章小结 257

参考文献 257

第8章 模型的参数辨识与提取 260

8.1 风力机气动曲线辨识 260

8.2 轴系参数辨识 262

8.3 机械模型的参数辨识 264

8.3.1 转动惯量 264

8.3.2 传动系统的等效刚度系数 264

8.3.3 传动系统的阻尼系数 265

8.3.4 非扭转机械模型中的参数 266

8.4 变流器参数辨识 267

8.5 本章小结 268

参考文献 268

第9章 风电模型工程应用案例 269

9.1 双馈风电机组传动系统载荷疲劳测试评价及扭振抑制 269

9.1.1 研究内容及相互关系 269

9.1.2 疲劳测试与评价方法 270

9.1.3 联合仿真建模 273

9.1.4 仿真结果 276

9.2 风电场群接入电力系统的安全稳定分析 278

9.2.1 系统概况 278

9.2.2 风电场的动态等值建模 280

9.2.3 安全稳定分析示例结果 280

9.3 大型风电场经柔性直流接入电网动态仿真分析 285

9.3.1 案例工程系统概况 285

9.3.2 风电场的建模及并网仿真分析 287

9.3.3 风电场经柔直接入系统建模及仿真分析 301

9.4 大型风电场场站控制器硬件在环实时仿真——控制策略验证 307

9.4.1 RT-LAB实时仿真平台 307

9.4.2 虚拟风电场仿真平台结构 309

9.4.3 基于RT-LAB的虚拟风电场建模 310

9.4.4 风电场的控制器及控制策略仿真验证 311

9.5 风储协调控制器硬件在环实时仿真 314

9.5.1 RTDS的软硬件特点 314

9.5.2 基于RTDS的风储协调控制系统硬件在环建模 316

9.5.3 基于RTDS的风储平抑功率波动运行控制策略验证 325

9.6 本章小结 329

参考文献 329

附录A 风电机组参数 330

附录B 风电机组故障保护参数 335