1.4 风力发电系统的仿真
1.4.1 建模的基本模块
风力发电机系统建模时，在大多情况下，可以将它表示为6个基本模块，如图1-2所示。这6个模块分别为气动系统（风轮模型）、机械系统（轴系模型）、发电机及传动系统（发电机和电力电子变流器）、桨距控制系统、风力机控制系统、风力机保护系统。
图1-2中，f为电网频率；Is、Ir分别为定子、转子电流；Us、Ur分别为定子、转子电压；P、Q分别为有功、无功功率；上标*为参考值；Tc、Tm分别为电磁、机械转矩；ωt、ωr分别为风力机、发电机转速；β为桨距角。
图1-2 风力发电系统模型框图
1.气动系统
风力机的气动系统是指风轮（即桨叶和轮毂）。风轮改变空气流速，吸收空气动能，转化为机械功率。风力机的机械功率输出取决于风速、桨距角和风轮转速。气动系统与机械系统的联系可以用机械功率或者机械转矩表示。
2.机械系统
风力机的机械系统由风轮、轴、齿轮箱和发电机转子组成。系统的惯量主要取决于风轮和发电机转子。齿轮箱的齿轮仅占相对很小的一部分，因此常忽略齿轮惯性，仅考虑其变速比。因而，机械系统模型通常采用轴连接的双质块模型。模型中也可包含低速和高速系统以及惯性齿轮系统，但将使系统含有三个旋转部分和两个连接轴。
3.发电机及传动系统
发电机传动系统包含发电机及其换流器。对于定速异步电机，发电机传动系统仅指发电机本身，多数电力系统仿真程序中都有异步电机模型。变速发电机传动系统由传统发电机和提供转差或解耦的电力电子设备组成，其中双馈感应发电机和用全功率变流器连接的永磁同步发电机传动是最常用的变速发电机传动系统。多数标准仿真程序中并没有这些模型，只有个别元件的标准模型，即异步发电机和变频器，且缺少内部控制系统模型，因而无法组成变速发电机传动的整体模型。
分析发电机传动模型的动态稳定性时，假设忽略电磁暂态，即忽略发电机定子电流的直流偏置，这意味着忽略定子绕组磁通的时间常数，使定子磁通不再是暂态模型中的状态变量，而是动态稳定性模型中可计算的代数变量。这样，即可用三阶和五阶模型进行计算，阶数表示发电机模型中状态变量的个数。
4.桨距控制系统
风力机的气变桨距和桨距角由桨距伺服来控制。主控制系统产生参考桨距角，桨距伺服是执行机构，实际控制风力机桨叶旋转到要求的角度。桨距伺服受结构限制，叶片仅能在某物理限度内转动，调桨速度也有限制。
5.风力机控制系统
风力机的控制系统主要控制其功率和转速。
对于恒速异步风力机，风轮桨距角是唯一的控制量。虽然可测的参数很多，如风速、风轮转速和有功功率，但它们仅被用来优化桨距角。高风速时，控制系统通过调节桨距角降低风力机功率，使它保持在最大额定功率水平。
对于变速风力机，除了桨距角，发电机也是可控元件，发电机瞬时有功和无功功率输出均能受控制。变速特性把风力机调节到最优转速，优化风能利用系数。这意味着控制系统必须包含速度控制系统和参考速度的确定方法。速度控制系统控制旋转系统的机械功率，以及发电机的电气功率，即控制旋转系统的功率平衡也就控制了速度。因此，电气功率控制系统和桨距角控制系统的动作必须协调一致。
6.风力机保护系统
风力机的保护系统根据各种参数的实测值进行动作，如电压、电流和转速。如果电压、电流或转速超出限定值一定时间，就会触发继电器动作。显然，保护系统动作将对仿真结果产生重要影响。
1.4.2 不同类型仿真的模型精度要求
计算机仿真时，仿真类型、模型精度和数据精度对研究结果有着显著的影响。除了仿真目标，必须注意到全系统模型的每个独立部分，并将其分类；必须合理地平衡仿真系统中的所有模型（即独立元件模型和可能的外部系统模型）的精度；还必须有相称水平，即可接受的模型最小精度必须随特定模型对考察现象的重要性而增加。
计算机仿真能用于研究多种不同现象，因此，对仿真程序、建模准确性和模型数据的要求会因研究对象而有很大的不同。根据仿真目标，应该针对特定研究类型选择软件程序。
1.电磁暂态
电磁暂态用特定的电磁暂态程序仿真，这些程序能准确描述所有电气元件的相位，通常还包括可能很复杂的饱和性、行波传播和短路电弧。通常，仿真在时域中进行，输出的是电压、电流等参数的瞬时值。
电磁暂态仿真程序用于求解所有对称的和不对称的故障条件下的故障电流，还可以仿真电力电子设备，如高压直流电网（HVDC）、静止无功补偿器（SVC）、静止同步补偿器（STATCOM）和电压源变流器（VSC）等的准确特性。
2.机电暂态
机电暂态一般用暂态稳定性程序评估，仿真通常在时域进行，输出的是电压、电流等参数的有效值。
暂态稳定性程序通常需要合理的风力机模型，它包含主要的电气元件，即发电机、可能的电力电子设备（含基本控制）、可能的静止无功补偿、主控制系统、仿真事件中可以启动并投入运行的保护系统、机械轴系统和风力机风轮的机械功率。
3.小信号稳定性
小信号稳定性通常是指大系统，如完全互联的交流电力系统，在遭受小扰动后返回稳定运行点的稳定能力。小信号稳定性程序包含必要的物理系统模型数据和相关的控制系统，具有内建模块进行特征值分析。目前，电力系统的小信号稳定性分析中还没有考虑过风力发电机组，因为风力发电机组分散在电力系统中，并且单台风力发电机的容量比中心发电厂小几个数量级，比总互联电力系统小更多的数量级。风力发电机单机容量与风电场总容量逐渐增加，使风力发电渗透率升高。此外，现代风力发电机的可控性得到了提高。因此，小信号稳定性分析中将逐渐增加风力发电的研究内容。
4.风力机设计
风力机设计要考虑机械结构和气动模型。设计过程中，风力机本身是研究的重点，叶片强度和翼型、轴和齿轮尺寸、塔架强度，甚至塔架基座强度也都需要仔细考虑。可以借助许多能处理机械结构的仿真工具，如CAD等；也可以借助能处理动态特性的其他工具。
5.潮流和短路计算
潮流和短路计算都假设在稳态进行（即所有时间导数都为零）。潮流计算用于计算各种运行条件下的节点电压和节点间的有功功率和无功功率。短路计算用于计算电力系统中任意点的短路电流。
潮流计算时，仅需表示有功功率和无功功率的输入量。定速异步风力发电机必须用异步发电机表示，有功功率为瞬时值，潮流计算程序根据电机阻抗计算无功功率；变速风力发电机无功功率具有可控性，可用PQ节点描述，或在风力发电机设定为电压控制模式时设为PV节点表示。
短路计算时，所需的风力发电机表达式取决于所采用的发电机技术。一般地，如果临近风力发电机的某短路处，短路计算中就必须包含所有提供短路电流的部分。对定速风力发电机，电机本身有适当的表达式。对含双馈发电机的变速风力发电机，短路电流由电机和部分功率变流器共同提供。对含全功率变流器的永磁直驱风力机，发电机与交流电网解耦，只有变流器与电网连接，因此，短路电流主要由变流器决定。