大容量風電并網，給電力系統分析與控制帶來許多新的問題。故障后風電機組故障穿越，有利于電網安全穩定，但是增加了分析計算的難度。 李生虎編著的《風力電力系統分析》針對風力電力系統，分析潮流、暫態穩定、靜態穩定和概率仿真中風電機組的建模及影響。計及風電機組結構和變流器約束，提出擴展潮流模型，建立潮流靈敏度算法；計及繞組和變流器約束，采用優化算法求解穩態出力范圍。以內電勢為狀態變量，提出同步電機精確電磁暫態模型；討論風電機組故障穿越和參與緊急控制方式。采用 Prony分析，提取風電系統振蕩特征參數；區分同步電機和感應電機，分類定義低頻振蕩模式；推導特征根高階靈敏度，以及降階系統特征值靈敏度；探討潮流收斂性與靜態電壓穩定關系、電磁暫態模型中定子暫態和轉速變化的影響；給出風電系統概率評估算法，推導多狀態設備可靠性及其靈敏度算法。 《風力電力系統分析》可作為風電系統研究和運行調度人員的參考資料，也可作為高等學校研究生教材。
李生虎編著的《風力電力系統分析》針對風力電力系統，分析了潮流、暫態穩定、靜態穩定分析和概率仿真中風電機組建模和影響。在穩態分析中，計及風電機組內部結構和雙饋變流器約束，采用擴展潮流模型、計算風電機組內部參數，為穩定分析提供初值；建立風電機組潮流分析靈敏度模型，計及繞組和變流器約束，采用優化算法求解風電機組穩態出力范圍；以內電勢為狀態變量，采用矩陣運算，提出同步電機精確電磁暫態模型，討論了風電機組故障穿越和參與緊急控制的方式。書中采用Prony分析，提取風電系統振蕩特征參數，區分同步電機和感應電機、電磁暫態和機械暫態的狀態變量，分類定義低頻振蕩模式的參與因子。
前言
第1章 風力發電概述
1.1 風力發電簡介
1.2 風電機組簡介
1.3 風力發電制約因素
1.4 風電并網規程簡介
1.4.1 有功頻率控制
1.4.2 無功電壓控制
第2章 電力系統潮流計算基礎
2.1 潮流算法
2.1.1 非線性方程組數值求解
2.1.2 潮流方程
2.1.3 高壓長線路建模
2.1.4 潮流發散裕度指標
2.2 非常規節點類型潮流建模
2.2.1 PIf類型過勵機組建模
2.2.2 PQV類型SVC建模
2.2.3 PQV類型StatCOM建模
2.3 變網絡結構潮流模型
2.3.1 TCSC潮流建模
2.3.2 SSSC潮流建模
2.3.3 UPFC潮流建模
2.4 低壓配網潮流算法
2.5 頻率相關潮流模型
第3章 風電系統潮流算法
3.1 風電機組有功出力特性
3.2 感應電機潮流模型
3.2.1 簡化潮流模型
3.2.2 擴展潮流模型
3.2.3 感應電機潮流模型討論及應用
3.3 雙饋感應電機潮流建模
3.3.1 雙饋感應電機功率流動
3.3.2 雙饋感應電機潮流初值
3.4 雙饋感應電機無功范圍
3.4.1 雙饋機組運行范圍
3.4.2 無功出力范圍優化算法
第4章 風電機組動態建模
4.1 風電機組動態建模
4.1.1 機械部分
4.1.2 電氣部分
4.2 風電機組矢量控制
4.2.1 籠型電機轉子磁鏈定向
4.2.2 雙饋電機定子參數定向
4.2.3 矢量控制下運行范圍
4.3 風電機組動態分析
4.3.1 恒速恒頻風電機組
4.3.2 雙饋風電機組
第5章 同步發電機動態建模
5.1 同步電機動態模型
5.1.1 同步電機結構和基本方程
5.1.2 電磁暫態建模
5.1.3 轉子運動方程中電磁轉矩表達
5.1.4 同步發電機機電暫態求解
5.2 同步電機降階條件
5.2.1 降階等值條件
5.2.2 降階模型計算精度
第6章 風電系統暫態穩定
6.1 風電系統暫態穩定性
6.2 機網接口方程
6.2.1 坐標轉換
6.2.2 感應電機和負荷建模
6.3 同步電機附屬控制設備模型
6.3.1 勵磁系統
6.3.2 調速系統
6.4 風電系統動態響應
6.5 緊急控制與故障穿越
6.6 振蕩特征參數
第7章 風電系統靜態穩定
7.1 小擾動穩定性
7.2 風電系統靜態穩定性
7.2.1 靜態穩定簡化模型
7.2.2 風電系統靜態穩定建模
7.3 感應電機機電暫態特性
7.3.1 模式對狀態變量影響
7.3.2 模式對機械暫態和電磁暫態的主導作用
7.4 靜態穩定性靈敏度分析
7.4.1 穩定度及特征值的界
7.4.2 特征值及特征向量的靈敏度分析
7.4.3 區分實部和虛部的靈敏度分析
7.4.4 復雜結構系統的靈敏度分析
7.5 風電系統穩定性的思考
7.5.1 靜態穩定分析應用價值
7.5.2 暫態穩定與李亞普諾夫穩定的區別
7.6 潮流方程與靜態穩定關系
第8章 風電系統概率仿真
8.1 電力系統可靠性研究背景
8.2 風電系統可靠性評估
8.3 網絡拓撲與抽樣初值
8.4 風電設備可靠性評估
8.4.1 電氣設備狀態空間劃分
8.4.2 穩態及瞬時狀態概率計算
8.4.3 設備可用度優化算法
8.4.4 狀態概率靈敏度算法
參考文獻
第1章 風力發電概述
大規�？稍偕茉唇尤耄o傳統電力系統帶來巨大沖擊和深遠影響。風力發電是一種主要可再生能源形式。以下介紹風電發展現狀和風電機組結構，分析風電發展主要制約因素。基于風電并網規程，討論風電機組和同步電網之間的相互影響。
1.1 風力發電簡介
能源利用形式從機械能轉化為電能，是工業革命過程的一個里程碑。有了電，就可以將能量大規模、遠距離輸送，驅動電機工作，建設高速高效生產流水線，為計算機、通信、網絡等現代科學技術提供必要基礎條件。
提起發電廠，人們印象里往往是高大結實的煙囪和冷凝塔，或者雄偉壯觀的攔河大壩。確實，目前絕大部分電力供應來自于火力、水力和核能發電�；痣姀S通過燃燒煤炭、石油、天然氣等化石能源，將水加熱成蒸汽，由汽輪機帶動發電機發電。但是化石能源正在逐漸枯竭，二氧化碳排放造成的溫室效應日趨明顯，火力發電不能長久持續下去。水電廠在河流上游建設攔河大壩，利用水的高度落差，推導水輪機旋轉發電。對于加拿大、巴西等少數國家，水電是主要能源利用形式。但是對其他大部分國家，可利用的水力資源受地理條件限制，并不豐富；而且大型水電開發，對環境、氣候和地質條件的影響，一直還存在爭議。核能發電曾被認為是解決能源危機的有效方案。但是每一次核泄漏事故，都會加劇民眾對于核輻射的恐懼和抵制心理。部分歐洲國家已經開始決定逐漸削減、并最終停止使用核電。
一次能源危機和環境保護，促使人類改變傳統能源利用形式，希望得到清潔無污染、可持續再生的能源，如風能、太陽能、潮汐能等［1~6］。這些可再生能源需要初期投資，但是無需燃料，運行成本遠低于火電，且比較安全。隨著制造成本降低和使用壽命提高，以及電價導向政策，新能源發電技術得到了廣泛重視和快速發展。目前很多國家制定了可再生能源規劃，希望在未來10~20年內將再生能源占電能比例達到20%以上。由于經濟、技術等制約因素，這些規劃未必能按期完成；但是從另一方面來說，新能源開發利用的最終目標，應是全部而非部分替代化石能源，因此其發展前景任重而道遠。
風力和光伏發電所利用的能量，本質上都源于太陽光照。光伏發電核心技術包括半導體材料、化學電池以及電力變流技術等。在沙漠等人煙稀少地區，可以建設大容量太陽能電站。在城市中的住宅和廠房屋頂，只要有一定日照強度，就可以鋪設太陽能電池板，且對容量規模沒有明確限制�？梢栽O想，如果綠色建筑技術達到一定水平，采用新型光伏材料敷設民用建筑外表，將有可能實現居民用電的部分自給自足。
風力發電的工作原理，是利用風力機捕捉風的動能，將其轉化為旋轉動能，然后驅動發電機發電；其核心技術包括風力機材料、機械傳動、旋轉電機以及變流技術。風力發電需要風速達到一定數值以上，從經濟性考慮需要風速常年較為穩定，加上風力機的噪聲和視覺污染，大型風電場不大可能建在城市中心，一般都位于沙漠或近海等風能資源豐富、人類活動較少的地方。陸地風電場優點在于建造、安裝和并網成本較低，運行維護容易。海上風場可以節約土地，風速大且穩定。［7］
根據中國氣象局風能太陽能資源評估中心數據我國陸地技術可開發風能資源約為26.8億kW，在離岸20km的近海范圍技術可開發量，為1.8億kW，全國總技術可開發量為28.6億kW�？紤]到實際因素，可利用陸地風能8億kW，可利用近海風能1.5億kW，共計約9.5億kW。如果陸上風電年最大利用時間為2000h，每年可提供1.6萬億kW・h的電量；近海風電年最大利用時間為2500h，每年可提供3750億kW・h的電量，兩者合計約2萬億kW・h。折合為人均電量，可見風力發電在我國具有良好的發展前景。
目前在世界上大多數國家，風電、光伏等可再生能源占電能消費的比例仍然很低，但是發展很快，在一些國家建設速度甚至已經超過了其他形式電廠。到2008年底，歐洲和全世界累計裝機達64.935GW和120.791GW，比2008年初分別增加14.89%和28.77%呈現加速發展趨勢（圖1.1）［8，9］。歐盟風電產業發展起步較早，但是世界上其他國家，包美國和中國等，風電建設極為快速，逐漸趕超歐盟。根據中國風能協會（CWEA）統計數據［10］中國風電裝機容量，2006年仍在世界前五之外，其后幾年都接近翻倍增長，到2009年名世界第二，僅次于美國。在甘肅、內蒙古等省份，出現百萬千瓦容量的大型風電基地。更大容量的風電基地也正在規劃和建設中。括，底排，只要燃料充足、無設備故障，火電機組可達到或接近額定出力運行。風電機組出力受到風速影響，當風速低于額定風速時，不能按額定容量滿發。因此風電場最大發電小時數遠小于火電廠。風電占總發電電量的比例，也小于風電裝機容量比例。即便如此，風電已逐漸發展為一種不可忽視的能源形式。圖1.2給出2009年歐洲部分國家風電量占電量供應的百分比，其中丹麥高達20.3%其次是西班牙（12.3%）、葡萄牙（11.4%）、愛爾蘭（9.3%）和德國（6.9%）。我國2009國風電投資超過核電投資，與水電投資差距進一步縮小。2009年全國風電年利用小時數為2077，發電量為276.15億kW・h［11］，規模也較為可觀。
1.2 風電機組簡介
從結構上，風力發電機組包括風力機、傳動機構、旋轉電機，以及其保護和控制設備［12~14］。風力機將空氣動能轉換為旋轉機械能，發電機將機械能轉換為電能。風電技術涉及許多工程領域，如材料工程、機械工程和電氣工程等。在電氣工程領域，主要包括電機、電力電子與電力傳動、電力系統三個技術領域，而風力機防雷保護還涉及高電壓技術。
風力機可采用水平軸或者垂直軸，大部分為水平軸，有兩個或三個葉片，固定在輪轂上。風力推動葉片旋轉，帶動傳動軸旋轉。然后通過低速傳動軸、增速齒輪箱、高速傳動軸，將機械能傳遞給旋轉電機轉子，使其旋轉發電。受機械特性限制，風力機葉片轉速ωt一般不超過20~30r／min。機組容量越大，風力機額定轉速越低［15，16］。當電網額定頻率為50Hz，發電機額定電角速度為3000r／min。若取極對數p＝2，則電機轉子轉速ωr的額定值為1500r／min。因此，除了通過變流器與交流電網連接的直驅機組外，其他風電機組都需要采用齒輪箱增速，增速比為η＝ωr／pωt，以達到電機額定轉速。
風電機組中機電能量轉換，由感應電機或同步電機實現。感應電機結構簡單、結實便宜，以前主要用于工業負荷驅動，最近20年在風力發電中得到廣泛應用。采用鼠籠式感應電機直接并網時，風力機轉子轉速調整范圍極為有限，由電網頻率、變速箱變比、感應電機轉子轉速決定，恒速恒頻風電機組稱為恒速恒頻機組。為降低啟動涌流沖擊、降低輸電回路電壓降落，往往采用由反向并聯晶閘管組成的軟啟動器并網。并網以后旁路軟啟動器，以降低損耗。
在不同風速下，風力機實現最大功率跟蹤（MPPT）的最優轉速不同，因此恒速恒頻風電機組控制有功能力有限�？梢酝ㄟ^改變齒輪箱變比或電機極對數，來實現轉速控制。當風速過大時，可以采用失速控制和槳距角控制，調整有功功率輸入。感應發電機在發出有功功率的同時，將消耗無功功率，因此需要采用固定或可控并聯無功補償�？焖亠L速擾動將轉化成轉矩和功率波動，對電網運行造成沖擊。
雙饋感應電機是一種變速恒頻機組，轉速部分可控（圖1.4）�？紤]到大容量變流裝置的成本，雙饋電機折衷考慮運行控制靈活性和經濟性因素。它采用繞線轉子式電機，用背靠背（B2B）變流器改變勵磁電流幅值、頻率、相位。通過改變勵磁頻率，可調節轉速。在負荷突變時，改變電機的轉速，充分利用轉子動能，部分抵消負荷擾動，降低對電網擾動。在不同風速下，雙饋機組可以次同步或超同步轉速運行，轉速變化范圍較寬。雙饋機組機端可以按恒功率因數運行，即有功功率由風速決定，無功功率與有功功率成正比。當變流器容量足夠大時，在一定運行條件下，雙饋機組甚至可以用于維持端電壓幅值恒定。
直驅型風電機組采用繞線轉子式感應電機或永磁式同步電機（圖1.5），采用背靠背變流器與電網直接相連。由于變流器之間存在直流環節，發電機定子頻率無需跟蹤系統頻率，因此理運行范圍最寬，適用于大容量風電機組。
從風電發展趨勢來看，新增大型風電機組中少見恒速恒頻類型，而直驅型機組又在逐漸取代雙饋機組的主導地位。但是由于大規模風力發電歷史很短，很多過去安裝的風電機組還遠沒有達到使用壽命，從投資者角度來說，不可能馬上淘汰。因此，各種風電機組并存，是目前不得不接受的實際現狀�？紤]到不同廠家風電機組設計標準不同，并且隨著電力電子器件和控制技術的發展，控制策略也將發生變化。各個國家的風電機組并網標準、寬嚴程度也各不相同，需要時間逐漸趨同統一。合理分析、協調控制不同類型風電機組，有利于風電系統安全運行和風電事業健康發展。
1.3 風力發電制約因素
大型風電場一般建在荒漠或近海等遠離城市的地方，所發電力不是滿足本地負荷，而是通過交流或直流線路，輸送至主電網和負荷中心。由于風速快速波動性，風電電能質量較差，被視為一種較不可靠能源形式，需要電網平抑波動、平衡供需關系。因此，大規模風力發電一般以傳統網架輸電、以傳統同步電機或大容量儲能設備為備用�，F有電力系統中潮流控制、保護控制、功角穩定、電壓穩定、低頻振蕩等問題，風力電力系統同樣不能避免。風電系統另一個特點是，感應電機與同步電機工作原理、控制方式、穩定特性等都有一定差異。感應電機轉速不受同步機組間功角穩定約束。在調頻控制時，輸入量不再是轉子轉速，而是定子頻率。大規模風電穿越，給電力系統運行安全提出許多新的問題，諸如：
（1）風電機組運行控制建模。與同步發電機相比，風電機組建模的區別在于引入風力機和變流器的運行控制特性。風電機組運行控制的基本目的是，使其實現最大功率跟蹤或按調度指令降出力運行。通過變流器參數調節，解耦控制有功和無功出力，使損耗最少且運行靈活。不同類型的風電機組，其穩態和暫態過程建模具有自己的特點。例如，對于恒速恒頻感應電機，其機端有功由風速確定，無功由有功和端電壓確定。對于雙饋和直驅型機組，機端作為恒PQ或PV型節點，但其可控范圍受到繞組及變流器限制。雙饋電機在小擾動和故障沖擊時，可能使用不同于正常運行方式的故障穿越策略。風電機組穩態和暫態過程建模是風力電力系統分析和控制的前提和基礎。
（2）風電系統輸電規劃和建設。就地平衡的小型風電場，無需過分關注輸電問題。對于大型陸地和海上風電基地，往往距離負荷中心很遠，需要將風電機組出力集中，升壓后通過高壓線路遠距離輸電。在我國，規劃中的風電基地大多位于西北地區，受電負荷主要位于東部地區。合理的輸電方案有利于風電建設，避免窩電現象。同時，輸電電壓等級較高時，輸電阻抗較小，相當于風電場與遠方同步電機電氣距離更近一些，這樣可以增加風電場在風速擾動和電網故障后的恢復能力。
（3）風電調度和調頻方案設計。風電機組出力由隨機變化風速決定�，F有預測技術對電力負荷誤差很小，但對風速誤差較大。利用時間和空間氣象預報，可以進一步提高預測精度。但是即使可以精確預測風速，由于風電波動與負荷曲線不重合，將給電網調度帶來很大壓力。同步發電機可以提供平抑風電功率波動的備用容量，不過僅作為備用運行，其經濟性很難為投資者所接受。儲能裝置如蓄電池、超級電容、飛輪等，理論上可以提供調頻手段，但是限于制造技術，容量相對電網來說非常有限，不足以消峰填谷。抽水蓄能電站通過高、低水庫間勢能和電能轉換，可以提供一定調頻能力。但是水庫建設及高度落差，在沙漠和近海地區都不易實現。電動汽車和電解氫氣在風電過剩時消耗多余電力，在電能不足時向電網反饋電力，或可成為一種潛在的調峰方式［17］。另外，風電機組有計劃的降出力運行，可以提供部分備用容量。
（4）大容量風電對電網電能質量和穩定性的影響。國內外電力行業曾經接受的風電穿越功率比例，一般不超過20%否則認為可能引起電網安全問題。丹麥最近幾年的風電電量比例均超過20%。由于網結構和有功備用方案較為合理，并沒有出現嚴重的電網事故。我國電網結構和規模與丹麥存在較大差異�？紤]風電基地和負荷中心距離、風電基地容量和同步電網規模，有必要精確量化大規模風電功率對風力電力系統穩態和暫態特性的影響。
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