本书讲述风电机组、风电场的动态建模方法，用于电网分析、风电并网仿真以及风电机组控制与保护的研究工作。建立采用当前主流风电机组参数的机组详细模型，包括各种控制策略、保护及其整定值。在系统地分析风电机组多时间尺度模型的基础上，给出可用于电力系统电磁暂态、机电暂态仿真的机理性降阶模型和暂态稳定分析模型；面向风电机组的整机控制和设计问题，给出包含气-弹-机-电耦合的风电机组精细化模型。对比分析所建模型在不同控制策略下的响应特性；论述风电场动态聚合模型的建模方法和分群原则，给出典型风电场的动态聚合模型、中长期模型，并对模型进行验证；论述基于RT-LAB和RTDS实时仿真器的风电机组与风电场全工况动态模型，以及控制器硬件在环实时仿真方法，结合多种实际案例，展现这些模型在大规模风电工程中的应用。
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《智能电网研究与应用丛书》序
前言
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感应电机伞功率变换风电机组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气动时问常数74
3.2.3变桨系统时间常数75
3.2.4传动系时问常数76
3.2.5发电机时间常数77
3.2.6变流器及电气控制时问常数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风力机的动态人流现象及模拟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果用同步发电机的伞功率风电机组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静态榆出精度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研究内容及相瓦关系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风电场群接人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人电网动态仿真分析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
9.4.1RTLAB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RTLAB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
9.5.1RTDS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
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