哈尔滨工业大学硕士学位论文
摘要
风力发电具有清洁环保与可再生等优点，是新能源发电的代表形式之一。随
着风电在系统渗透率不断提高，风电场不仅应满足自身安全运行需求，还需要具
备一定的有功调节能力以及对电网的无功支撑能力。风电机组单机容量有限，风
电场一般以集群的形式发挥对电网的支撑作用。随着风电场规模不断增大，准确、
快速、可靠实现风电集群协调运行的难度愈加凸显。鉴于此，本文以风电主动支
撑系统为课题，主要研究风电场无功控制性能提升及频率恢复时变优化方法。
为研究风电集群协调运行控制，建立了双馈风电场简化功率响应特性状态空
间模型。分析双馈风机功率响应特性，采用状态空间对双馈风机功率响应特性进
行简化建模，并基于简化模型构建了能够反映整个风电场内各台风机功率响应特
性的状态空间模型；为后续风电集群协调运行控制研究奠定基础。
首先考虑风电场运行在最大功率点跟踪模式下（即不考虑风电场有功可调能
力），研究其无功控制问题。考虑到风机的无功发电能力受有功出力的限制，提
出一种计及尾流效应的风电场无功模型预测控制方法。计及风电场内的尾流效应，
确立风机的有功出力，并基于此计算风机最大可用无功容量，结合电网调度中心
无功指令需求与风电场内风机功率分配原则，确立了风电场无功功率控制的优化
目标，用前所建立的风电场状态空间模型设计了一种风电场无功功率模型预测控
制方法，该方法可快速精准实现对风电场内风机功率的等比分配。
考虑到集中式控制过度依赖中央控制单元，易发生单点故障等问题，提出一
种考虑通信网络优化的风电场分布式无功控制策略。基于连续一致性原理，设计
整个风电场的分布式一致性无功控制策略，考虑到风电场的通信网络拓扑对控制
效果的影响，分析了通信网络拓扑与控制收敛速度的关联性，同时为减少通信负
担，采用粒子群算法对风电场通信网络拓扑进行优化，得到的通信拓扑能够在较
少的通信线路的基础上提高控制的收敛速度。
考虑到电网要求风电场参与系统频率恢复，令风电场偏离最大功率点运行，
计及风电场有功可调能力，并计及实时变化的频率恢复控制指令，提出一种基于
分布式时变资源优化配置的风电场频率恢复控制策略，该策略在整个控制时域将
优化问题转化为微分方程进行求解并可实现最优有功分配。构建了风电场频率恢
复模型，确立了控制目标与约束条件；在此基础上，提出了基于分布式时变资源
优化配置的风电场频率恢复控制策略，并给出了严格的数学证明。仿真结果表明，
通过分布式时变优化算法分配场内各台风机的有功指令，控制器能够在控制需求
-I-
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时变的情况下实现指令实时跟踪，并实现伪发电成本最小化。
关键词：风电场；无功控制；频率恢复；模型预测控制；通信网络优化；时变优化
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Abstract
Windpowergenerationhastheadvantagesofbeingclean,environmentallyfriendly
andrenewable,andisoneoftherepresentativeformsofnewenergygeneration.Withthe
continuousincreaseofwindpowerpenetrationinthepowersystem,windfarmsshould
notonlymeettheirownsafetyoperationrequirements,butalsoneedtohavecertainactive
powerregulationabilityandreactivepowersupportabilityforthegrid.Sincethecapacity
ofwindturbinesislimited,windfarmsgenerallysupport