摘  要：為了研究風電場和電力系統(tǒng)相互作用的穩(wěn)定性，提出一種用于小干擾穩(wěn)定分析的風力發(fā)電機組的數(shù)學模型。應(yīng)用該建模方法對風電場接入無窮大系統(tǒng)和接入三機系統(tǒng)的兩種情況進行了計算，研究了風電場接入系統(tǒng)后影響系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性的因素。算例分析表明，與風電機強相關(guān)的振蕩模式有著很好的阻尼；與電力系統(tǒng)相連時，風電場對與大系統(tǒng)中其它同步發(fā)電機強相關(guān)的振蕩模式影響很小。該建模方法為包含風電場電力系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定分析提供了理論依據(jù)和實用工具。
關(guān)鍵詞：風力發(fā)電機；電力系統(tǒng)；小干擾穩(wěn)定分析

1  引言
    風能是一種潔凈的可再生能源，在當今能源和環(huán)境問題日益受到關(guān)注的情況下，利用風能進行發(fā)電日益受到人們的重視。隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，風力發(fā)電技術(shù)在世界上得到了飛快的發(fā)展，越來越多的大中型風電場相繼建成并投入運行，風力發(fā)電的發(fā)展走上了功率大、重量輕、造價低、可靠性高的商業(yè)化道路。我國地域遼闊，風力資源豐富，充分利用風力發(fā)電已成為一項重要而迫切的任務(wù)。近年來，我國風力發(fā)電已具備了一定的規(guī)模，已有27座稍具規(guī)模的風電場，到2001年底，全國風力發(fā)電總裝機容量達399.9MW。
    由于風能具有隨機性和間歇性的特點，隨著風力發(fā)電規(guī)模的不斷擴大，風電場并網(wǎng)及并網(wǎng)后的穩(wěn)定和安全問題逐漸成為電力工作者急需解決的新課題。其中建立風力發(fā)電機組及風電場的數(shù)學模型，并進行仿真分析是重要的手段之一。傳統(tǒng)的風力發(fā)電機基本采用同步發(fā)電機，但自20世紀80年代以來，世界上大中型風力發(fā)電機絕大多數(shù)已采用異步發(fā)電機。異步發(fā)電機有著制造簡單，啟動方便，并網(wǎng)要求低，易于自動控制等特點。因此研究異步風力發(fā)電機的數(shù)學模型及系統(tǒng)的仿真分析有重要意義。
    文[1]從控制角度建立了大型變槳距恒速水平軸風力機帶動異步電機并網(wǎng)的非線性數(shù)學模型，在不同風速下進行了開環(huán)仿真，為控制器的設(shè)計提供了依據(jù)；文[2]以發(fā)電機慣例建立了風力發(fā)電機數(shù)學模型并進行了動態(tài)仿真分析，對風電場系統(tǒng)和風水互補系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行了研究；文[3]建立了詳細的風力發(fā)電機組數(shù)學模型，并結(jié)合實際風電場接入情況研究了風電機組并網(wǎng)后造成的電網(wǎng)電壓波動現(xiàn)象。
    本文在文[1]、[2]、[3]的基礎(chǔ)上，建立了可用于小干擾穩(wěn)定分析的風力發(fā)電機組數(shù)學模型，并通過2個算例研究了影響包含風電場的電力系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性的因素。
2  數(shù)學模型
2.1  風輪機系統(tǒng)
    風輪機主要由葉片、輪轂、齒輪箱和聯(lián)軸器等傳動裝置組成。
    （1）葉片的主要作用是將風能轉(zhuǎn)換成作用在輪轂上的機械轉(zhuǎn)矩。風速與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系如下