第一章 绪论
现代社会的能源和环境问题日益尖锐，随着现代工业的迅速发展和不可再生能源的枯竭，随着时间的推移，这些问题变得更加紧迫。在此背景下，风能被认为是可再生能源，对能源资源开发具备重要意义，但开展风网并网面临巨大挑战。虽然小型风电场对电力系统容量的因素相对较小，但随着时间的推移风电场容量的增加，其对电力系统的因素将变得更加显着。因此，有必要更好地研究这些效果，确保电力系统安全稳定运行。其中包括一些应当需要解决的潜在问题，尤其是在电能质量方面（如电压波动、闪变和谐波等）。
风力发电具备一定的波动性，受多种因素效果。电机状态切换过程中经常出现电压波动和闪烁现象。随着时间的推移风速的增加，这些现象在风力涡轮机中也会提高。
第二章 风电对电力系统的影响
2.1调峰
截至2017年底，湖北省最大容量为10450兆瓦，而该地区电网容量达到22000兆瓦，为有效应对负载波动，湖北省采取了一系列措施，并配备了总容量约8000兆瓦的峰值调节单元。这些调峰机组包括火电机组和水电机组，其中火电机组占6000兆瓦，水电机组占2000兆瓦。值得注意的是，在高水位时期，水电机组的调峰能力相对较弱；而在干旱季节，则表现出较强的调峰能力。此外，在非采暖期间，火电机组的调峰性能相对较低；而在采暖季节，则展现出更强大的调峰潜力。当然，在实际运行和维护等因素影响下，这些情况可能会有所变化。
2.2电力电量消纳
综合来看，预计2017年下半年天河口风电基地风电装机容量将达到5500MW，被列为电网安全稳定运行。预计2018年湖北省最低负荷容量将达到11,000MW，常规企业总用电量为7,500GW·h。此外，湖北省全社会正规企业用电量7500GW·h中，借助可再生能源发电1210GW·h显然是有可能的。考虑到此类规模较大的水电项目投产和清洁能源发电开发建设项目的具体情况，如果1210GW·h风力发电容量几乎全部消耗在湖北省内，那么湖北省的光伏发电量燃煤发电机组成交量将连续两小时跌破4000。所以在保持供需平衡、保持相对合理的火电等清洁能源发电方面已有尝试。因此，根据能源平衡和能量平衡考虑，为满足2018年5500兆瓦的风电装机容量，应当需要开拓更广阔的能源消费市场。2017年底数据显示，湖北省总装机容量约为2.6万兆瓦，其中风电装机容量5800兆瓦，占总装机容量的22.3%。这一比例明显超过了全球公认的风能接入标准，该标准将风能接入系统的容量限制在总装机容量的10%至15%之间。考虑到天河口风电场集中接入电网末端的风能，天河口投运的风能已无法在天河口和河西充分消纳，几天河口风电集中并网，湖北电网面临安全稳定风险加大的挑战。
2.3电网送出能力
为了支持随州天河口风电基地建设，新兴的河西750kV电网被构建起来。然而，该电网的西向输送能力仅约为1800MW，无法满足已经安装完成的5500MW风力发电机组输出所需的输送容量。同时，还采取了河西电网安全稳定控制措施，并通过运行河西750kV和330kV电网之间的电磁环网来增强河西750kV电网向西传输的能力达到大约3300MW左右。考虑到风力发电机组的发电率以及当地可消纳负荷部分需要考虑，在这样的改进下勉强可以在94%以上概率条件下满足5500MW风能输出要求。然而，在大约6% 的时间内仍需要限制和废弃部分风能发电。为确保该输变电系统正常运营，并充分利用现有供应余量，必须采取适当的措施来保证输电变电能力，并且这也将对整个供用电系统的可靠性产生一定影响。
第三章 并网型风力发电系统的数学模型
3.1风速模型
风速具备明显的不可预测性和不连续性。为了获得更准确的平均风速三维图的物理特征，本章将分享风频分布的具体概念。其中风运行频率分布是平均风速的统计概率分布。它是衡量风能特征最重要的基础指标。由此可见，风电项目的平均风速不一定是一定时期出现的概率，且数据由风电场官方数据采集。
本文将风速分解为基本风VWB、阵风VWG、渐变风VWR、和随机风VWN。
（1）基本风
风力发电机正常运行时，基础风始终存在，它决定了风力发电机标称输出功率的大小。风力发电机的标称功率近似由威布尔分布参数决定。公式如下：
VWB=A
（3-1）
式中：A表示与威布尔分布尺度有所关联的参数，k表示与威布尔分布形状和大小有所关联关系的参数，
是伽马函数。
（2）阵风
阵风是用来描述风速突变特性的。强风干扰下系统的动态特性公式如下：
VWG=
（3-2）
其中，VCOS=
（3-3）
式中：T1G为阵风启动时间、TG为阵风周期、VWGmax是最大值。
（3）渐变风
渐变风用来描述风速的渐变特性。
（3-4）
Vramp=
（3-5）
式中：VWRmax为渐变风风速最大值、T1R为起始时间、TR为终止时间。
（4）随机噪声风
随机噪声风被用来反映风速的随机特征。
（3-6）
其中：
（3-7）
（3-8）
式中：
是一个随机变量，均匀分布在0和2π之间。KN：表面粗糙度系数，通常优选为0.004；F是扰动范围，单位为m²；μ是相对高度的平均风速。
结合上述四个风速分量，风力机的风速Vw为：
（3-9）
3.2风力机模型
风力机主要由叶片和轮子、齿轮箱、联轴器等组成。
当风电场的风力机在运行过程中，风力机的机械部分与异步发电机的连接是弹性状态，即可柔和性非常好。
3.2.1风力机的功率输出特性
风力机输出的机械功率表达式为：
（3-10）
式中：PM为机械功率（W）
ρ为空气密度（kg/m³）
V为风机叶片的扫掠面积（m²）
图3-1是理想风轮机组功率特性曲线。理想风扇在标准运行条件下能够稳定地提供一定输出功率，在被称为正常风速范围内（12到24米每秒）。当使用这个风力机时，在其工作条件变化时需要考虑各种实际情况。
图3-1理想风轮机组功率特性曲线
3.2.2风能转换过程模型
风力涡轮机通过影响车轮上的机械扭矩，从自然风能转换为自然风能。风能与机械转矩的关系为：
（3-11）
式中：
为空气密度（kg/）
VM为风速（m/s）
Rac风轮的叶片半径（m）
ΩN为风力机的额定机械角速度（rad/s）
PN为风力机的额定功率（kw）
λ为叶尖速比，即风轮叶片顶端速度与风速之比，计算公式为：
（3-12）
Cp代表单位时间内吸收的风能与风能总量比，λ>3时，叶片翼型形状得到优化，涡流损失非常小。Cp的最大值是0.593。Cp的表达式为：
（3-13）
在风电发电厂中，叶尖速比λ、桨距角β与风能利用率Cp的关系可以描述如下：
（3-14）
式中：c1=0.5，c2=λ，c3=0，c4=0.22，c5=5.6，c6=0.17λ，α=2。
图3-2风力机的典型Cp-λ特性曲线
第四章 风电场并网对电能质量影响仿真分析
4.1 仿真试验系统
4.1.1仿真系统描述
在MATLAB的SIMPLE模块中，采用6种1.5MW双馈感应发电机进行仿真，如图4-1所示。
图4-1风电场仿真模块图
图4-2风电系统等效图
4.1.2仿真参数设置
（1）风速设置
图4-3风速曲线
（2）双馈异步发电机参数设置
4.2仿真内容及结果分析
为了深入研究这些影响因素，我们选取了几种典型的模式进行仿真。通过这些仿真模拟实验，我们能够更好地理解这些因素对整个风电系统运行的影响程度。
本课题考虑的几种方式为：
风速从5m/s变化到15m/s时，风电场和电网能否正常运行；
110kV系统在接入点（节点4）发生的变化；
10kV系统是在节点2和3之间发生的变化。
4.2.1风速变化对风电场的影响
随着时间的推移电压的调整，风电场的电流、电压等参数都发生了变化。相同风速条件下，当风电场节点风速从5m/s提高到15m/s时，系统表现出明显的变化。一旦风速达到最大值并逐渐接近最大值9MW，节点电流就会稳定在标称值周围。如果想到达这样的效果，必须保持电压水平低于1标准，系统一定要吸收无功功率，能够将其视为无功负载。与预想不同的是，当选用双馈感应发电机（DFIG）时，DFIG转子能够与电网和外部电源相互作用，允许自由调节无功功率，而不会造成无功负载的显着减少。借助进行带载调压运行，风电场节点电压水平得以保持相对稳定，表明系统运行非常稳健。
图4-12风速变化对风电场的影响的仿真图
4.2.2风速变化对电网的影响
仿真图4-6表示了风速变化对电网运行情况的影响。我们分析了节点4、节点2和节点L在风速变化下电压、有功功率以及无功功率的变化情况。首先，针对局部电网而言，在考虑风速变化的情况下，电压波动并不明显。这意味着当面临风速变化时，电网能够保持相对稳定的供电水平。
不管是为了观察无功功率的变化规律，还是增加输出的无功功率，风速的变化对系统的稳定运行都没有明显的影响。
图4-11三相短路对风电场的影响
结语
目前，风电场并网对电能质量的影响的相关研究非常多。关于谐波方面，由于在风电发展早期所采用的恒速恒频风电机组没有电力电子器件的参与，风场谐波并没有引起人们的注意，随着变速恒频风力发电技术的不断发展和完善，变速恒频风力发电机组近年来得到了广泛应用，其由于采用了电力电子开关器件，就会产生谐波，因此其并网后就会对电力系统产生谐波污染。风电场在并网前通常要对风电场进行谐波检测，看其谐波排放能否满足国家标准，若不达标，则不能并网，因此一种能够在设计阶段对风电场进行谐波进行准确评估的方法就显得迫切而必要。
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