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。隨著科學技術的不斷發(fā)展，風力發(fā)電技術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。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，風電場并網及并網后的穩(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，并結合實際風電場接入情況研究了風電機組并網后造成的電網電壓波動現(xiàn)象。
    本文在文[1]、[2]、[3]的基礎上，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換成作用在輪轂上的機械轉矩。風速與轉矩之間的關系如下