世界能源新格局下中国的能源安全问题

孙小兵

doi:10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2014.01.003

世界能源新格局下中国的能源安全问题

孙小兵¹

中国能源建设集团有限公司，北京　100029

详细信息

作者简介:
孙小兵(1980)，男，河南许昌人，高级工程师，硕士，主要从事能源技术、政策和战略的研究工作(e-mail)15818889777@139.com。

中图分类号: F113.3
计量
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出版历程
- 收稿日期: 2014-10-14
- 刊出日期: 2014-12-24

Discussion of China's Energy Security in the New World Energy PatternEn

Xiaobing SUN¹

China Energy Engineering Group Co., Ltd., Beijing 100029, China

摘要

摘要: 2000年以来，世界能源行业出现了新变化，预计这种新变化将会导致世界能源格局的结构性调整。广义的能源安全包括能源供给能力、能源消费结构、能耗强度、能源消费带来的环境问题、能源贸易安全等。从上述问题着手，采用纵横向交叉论证的方式对与之相关的16项分类指标进行了论述。结果表明，中国在2040年之前可保持75%以上的能源自给率，有足够长时间对宏观能源战略做出调整；中国的能源消费结构中煤炭占比过高，由此带来的环境问题突出，特别是在温室气体排放和空气动力学当量直径小于2.5 μm的颗粒物排放上形势严峻；中国在能源净进口的长期支付能力上不存在问题；中国对中东能源的依赖程度较大，要密切关注中东局势的发展，同时，要向能源进口的多元化方向努力。
- 世界能源格局 /
- 能源供给能力 /
- 能源消费结构 /
- 能耗强度 /
- 能源环境问题 /
- 能源贸易
Abstract: Since 2000, many new changes and problems have emerged in the world's energy industry, which means the world energy pattern is undergoing structural adjustment. The broad understanding of energy security mainly contains energy supply capacity energy consumption structure, energy consumption intensity, environmental issues caused by energy consumption, energy trade security and so on. The 16 classification indexs related to the above issues are discussed in this paper with the horizontal and longitudinal comparison of historical conceptions and worldviews. The results show that energy self-sufficiency rate in China would keep over 75% before 2040, so there could be enough time to adjust macro energy strategy. Given that coal is dominant in China's energy consumption structure, it consequently leads to a series of environmental problems, especially greenhouse-gas emissions and PM_2.5 emissions have been serious. In the long run, there is no problem with the capability to pay the net import of energy in China. China's energy imports are mostly from the Middle East, so China should pay close attention to the situation in the Middle East. Meanwhile, China should focus on the diversification in energy import sources.
- world energy pattern /
- energy supply capacity /
- energy consumption structure /
- energy consumption intensity /
- energy environment problem /
- energy trade
张春文

HTML全文

随着化石能源等传统能源的日益减少，风力发电作为一种新能源发电技术迅速崛起。然而，随着风电装机容量在电网总装机容量的比重不断提高，风力发电对电网的稳定性带来严重考验。不同类型的风电机组对电网暂态稳定性的影响不同，为了深入地了解各风力发电机组特性以及不同风机对电力系统暂态稳定性影响程度，对风力发电系统进行仿真分析是十分必要的。风电系统的暂态稳定性研究这一课题已被很多科研工作者和电网工作人员青睐，他们也做出了一定的成果。但是对这一课题的研究大都是针对单一类型风机的发电系统，本文将双馈发电系统、直驱发电系统、恒速恒频发电系统对比进行研究，得出了相关结论。另外本文所用的电力系统仿真软件PSAT是近年兴起的电力系统仿真软件，具有小信号稳定分析和时域仿真、潮流计算、连续潮流计算、最优潮流求解等模块，为用户进行电力系统仿真提供了极大的便利。

1 PSAT软件简介

PSAT是一种新的电力系统分析软件，其命令行版本也是GNU Octave兼容的^［1-3］。它的核心是潮流计算，会对状态变量进行初始化处理。一旦求出了系统潮流，就能执行后续的静态或动态分析。PSAT包含计算模块有：小信号稳定分析和时域仿真、潮流计算、连续潮流计算、最优潮流求解等等。

PSAT具有良好的适用于电力系统仿真的界面，和普通交互界面一样，由菜单栏、状态栏、控件栏等组件。在进行电力系统计算时，在Data file 文本框输入原始计算数据，在Perturbation file 栏录入动态更细数据，在Command line写入命令以便执行。计算边界条件实时显示在主界面右端，包括计算基准容量、频率、仿真开始及结束时间，收敛门槛等。实时计算结果包括潮流计算结果、最优潮流结果，收敛结果等显示在主界面的右边。

2 电力网络元件的数学模型

风速的模型在很多文献已有详细讨论^［4-5］，这里不作介绍，只介绍各风力机组的和相关换流器数学模型。

2.1　双馈风力发电系统

双馈风力发电系统结构图如图1所示。

图 1 双馈风力发电系统结构图

Figure 1. Double-fed wind power system

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为了更好分析问题得出结论，在分析双馈风力发电系统前须作出以下假设：

（1）三相绕组在空间上以120°角对称分布，产生的磁动势以正弦波形式沿圆周分布；（2）各定子绕组转子绕组自感和互感线性对称，不考虑磁饱和；（3）转子绕组阻抗已换算到定子绕组侧，换算完成后，每相匝数相同；（4）不考虑铁芯损耗，绕组电阻不受温度和频率变化的影响。

作出以上假设后，就可以在同步旋转坐标系（d-q）下建立双馈风力发电机的数学模型，双馈风机的数学模型在很多资料中都有介绍，这里引用^［6］中的模型，其中定子侧采用发电机惯例，转子侧采用电动机惯例。

电压方程如下：

$\{\begin{array}{l} u_{d s} = - r_{s} i_{d s} + p ψ_{d s} - ψ_{q s} ω_{1} \\ u_{q s} = - r_{s} i_{q s} + p ψ_{q s} - ψ_{q s} ω_{1} \\ u_{d r} = r_{r} i_{d r} + p ψ_{d r} - ψ_{q r} ω_{2} \\ u_{q r} = r_{r} i_{q r} + p ψ_{q r} + ψ_{d r} ω_{2} \end{array}$

(（1）)

磁链方程如下：

$\{\begin{array}{l} ψ_{d s} = - L_{s} i_{d s} + L_{m} i_{d r} \\ ψ_{q s} = - L_{s} i_{q s} + L_{m} i_{q r} \\ u ψ_{d r} = L_{r} i_{d r} - L_{m} i_{d s} \\ u ψ_{q r} = L_{r} i_{q r} - L_{m} i_{q s} \end{array}$

(（2）)

式中：r_s、r_r为定、转子每相电阻（Ω）；L_s、L_r、L_m为定、转子等效电感和互感（H）；i_d_s、i_q_s、i_d_r、i_q_r分别为定子d-q轴和转子d-q轴电流（A）； $ω_{1}$ 为同步转速（r/min）。

换流器的存在使得双馈风力机组的机械部分与电气部分被解耦，本论文的换流器模型没有分为定子侧换流器和转子侧换流器来分别介绍，只是把换流器看成一个整体，与发电机电磁暂态过程相比，换流器的动态过程快很多，因此，换流器可以用一个理想电流原来代替。如文献［7］介绍。将转子电流按d-q轴分解为i_q_r和i_d_r，分别用于控制转速模块与电压模块，用方程描述如下：

${\dot{i}}_{q r} = (- \frac{x_{s} + x_{m}}{x_{m} V} P_{w}^{*} (ω_{m}) / ω_{m} - i_{q r}) \frac{1}{T_{e}}$

(（3）)

${\dot{i}}_{d r} = K_{V} (V - V_{r e f}) - V / x_{m} - i_{d r}$

(（4）)

式中：P^*_ω（ωm）具有功率—转速特性，当转速在某一范围内变化时，它也变化，以便获得最大的功率。同时发电机发出的无功和它的电磁转矩也由转子直轴电流i_d_r和转子交流电流i_q_r控制，如下所示：

$T_{e} \approx - \frac{x_{m} V i_{q r}}{ω_{b} (x_{s} + x_{m})}$

(（5）)

$Q = - \frac{x_{m} V i_{d r}}{x_{s} + x_{m}} - \frac{V^{2}}{x_{m}}$

(（6）)

由于电磁转矩和有功密切相关，由以上两式可以看出流过换流器的电流i_d_r和i_q_r与发电机发出的无功和有功正相关。因为换流对流过它的电流有较高的要求，因此可以设定发电机发出的有功和无功的极值来限制i_d_r和i_q_r的大小，方程如（7），即设置有功无功的最大值和最小值来限制流过换流器的电流。

$\{\begin{array}{l} i_{q r m a x} \approx - \frac{x_{s} + x_{m}}{x_{m}} P_{m i n} \\ i_{q r m i n} \approx - \frac{x_{s} + x_{m}}{x_{m}} P_{m a x} \\ i_{d r m a x} \approx - \frac{x_{s} + x_{m}}{x_{m}} Q_{m i n} - \frac{x_{s} + x_{m}}{x_{m}^{2}} \\ i_{d r m i n} \approx - \frac{x_{s} + x_{m}}{x_{m}} Q_{m a x} - \frac{x_{s} + x_{m}}{x_{m}^{2}} \end{array}$

(（7）)

2.2　直驱同步风力发电系统

直驱同步发电系统见图2。

图 2 直驱风力发电系统结构图

Figure 2. Direct drive wind power system

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在建立同步发电系统方程时，为了计算方便可以假定电机处于电气稳态，因为定子和转子的磁链变化比电网的变化快，因此同步机组的机械部分和电气部分完全解耦。则可以得出如下方程：

电压方程如下：

$\{\begin{array}{l} v_{d s} = - r_{s} i_{d s} + ω_{m} x_{q} i_{q s} ω \\ v_{q s} = - r_{s} i_{q s} - ω_{m} (x_{q} i_{d s} - ψ_{p}) \end{array}$

(（8）)

磁动势方程如下：

$\{\begin{array}{l} ψ_{d s} = - x_{d} i_{d s} + ψ_{p} \\ ψ_{q s} = - x_{q} i_{q s} \end{array}$

(（9）)

将换流器看作是理想电源，定子交轴电流i_q_s，定子直轴电流i_d_s和定子直流电流分量i_d_c是状态变量，将他们分别用于转子速度控制，功率控制和电压控制，由于电机速度和电压都有一个限值，因此判断机组是否失稳的标准是看控制电流是否越限。控制电流的限值方程如下所示：

$\{\begin{array}{l} i_{q s m a x} = - P_{m i n} \\ i_{q s m i n} = - P_{m a x} \\ i_{d s m a x} = i_{d c m a x} = - Q_{m i n} \\ i_{d s m i n} = i_{d c m i n} = - Q_{m a x} \end{array}$

(（10）)

式中： $ψ_{p}$ 为同步电机的励磁磁动势，其余变量含义和双馈发电系统的一致。

3.3　恒速风力发电系统

恒速风力发电系统如图3所示：

图 3 恒速恒频风力发电系统结构图

Figure 3. Constant speed constant frequency wind powersystem

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恒速恒频发电系统中元件的模型相对较简单，可以直接在直角坐标系中建立，以网络平衡节点为参考点。可得方程如下：

电压方程如下：

$\{\begin{array}{l} v_{r} = V s i n (- θ) \\ v_{m} = V c o s (θ) \end{array}$

(（11）)

功率方程如下：

$\{\begin{array}{l} P = v_{r} i_{r} + v_{m} i_{m} \\ Q = v_{m} i_{r} - v_{r} i_{m} + b_{c} (v_{r}^{2} + v_{m}^{2}) \end{array}$

(（12）)

电磁转矩方程如下：

$T_{e} = e_{r}^{'} i_{r} + e_{m}^{'} i_{m}$

(（13）)

式中：v_r，v_m为定子电压的实轴和虚轴分量（V）；i_r，i_m为电流分量（A）；b_c为混合电容对应的电导（S）； $e_{r}^{'}$ 和 $e_{m}^{'}$ 为暂态电动势的实轴和虚轴分量（V）。

3 算例分析

本论文采用的仿真模型为WSCC的三机九节点模型，见图4。

图 4 三机九节点系统图

Figure 4. 3-genreator 9-node power system

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图4是以双馈风机为例，在对其它类型的风电系统进行仿真时，只需将BUS2上的双馈风机改成其它类型的风机即可。BUS8处设置的为三相短路故障。论文研究在三相短路故障和甩负荷两种情况下，各风电系统的暂态稳定情况。关于暂态稳定分析的数学原理，即功角方程解法在相关文献［8］中有介绍，本文只给出系统仿真图。

3.1　三相短路故障时风电系统稳定性

在BUS8处，将短路故障的开始时间设置为1秒，故障持续时间分别为120 ms、246 ms和625 ms。可得出如仿真图5。

图 5 故障持续120 ms时直驱风电系统同步电机的σ-t曲线

Figure 5. The σ-t figure of direct drive wind power system in 120 ms fault duration

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图 6 故障持续120 ms时恒速机组的转速曲线

Figure 6. The rotate speed figure of constant speed wind power system in 120 ms fault duration

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从图6可以看出，在故障开始后，恒速风机的转速急剧变化，但在故障清除后，转速开始回稳，大约在4 s时趋于稳定，即恒速风机本身是稳定的。

当故障持续时间为246 ms时，含双馈风机的电力系统能保持暂态稳定，但转子电流越限，如图7所示，因此机组本身不能保持稳定；含直驱同步电机的电力系统的功角变化是同步的，转子电流不越限，因此它们也都保持稳定；含恒速机组的电力系统保持稳定，但功角比故障前的功角大。

图 7 故障持续246 ms时双馈风机的转子电流曲线

Figure 7. The rotor current figure of double-fed wind power system in 246 ms fault duration

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当故障持续时间为625 ms时，含双馈风机的电力系统仍然能保持稳定，但转速和功角都比原来大很多，已接近不稳定状态，转子电流继续越限，双馈机组本身不能保持稳定；含直驱风机的电力系统不稳定，机组也不稳定，仿真不能完全结束；含恒速风机的风电系统不稳定，恒速机组本身也不稳定，仿真结果不收敛。

通过以上分析，将三种发电系统以及机组本身的暂态稳定性结果填入表1。

表 1 三种风电机组及系统稳定性对比

Table 1. Contrast of the stability between wind plants

类型	故障持续时/ms
类型	100	246	625
双馈发电系统	稳定	稳定	不稳定
双馈机组本身	稳定	不稳定	不稳定
直驱发电系统	稳定	稳定	不稳定
直驱机组本身	稳定	稳定	不稳定
恒速发电系统	稳定	稳定	不稳定
恒速机组本身	稳定	不稳定	不稳定

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同时，为了研究三种风电机组在故障持续时间为625 ms时的低电压穿越能力，得到BUS7处电压曲线如图8~图10所示。

图 8 故障持续625 ms时恒速风电系统BUS7处电压

Figure 8. The voltage of BUS7 of constant speed wind power system in 625 ms fault duration

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图 9 故障持续625 ms时直驱风电系统BUS7处电压

Figure 9. The voltage of BUS7 of direct drive wind power system in 625 ms fault duration

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图 10 故障持续625 ms时双馈风电系统BUS7处电压

Figure 10. The voltage of BUS7 of double-fed wind power system in 625 ms fault duration

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以上图形表明，当故障持续时间为246 ms时可明显看出直驱风机的低电压穿越能力较好，当故障时间达到625 ms时，尽管三种风电机组都有一定的低电压穿越能力，但系统最终仍然失去稳定性。

3.2　系统无功补偿时，各风电系统暂态稳定性

当短路故障持续时间较长后，尽管低电压穿越能力对系统有一定积极作用，但不能使系统恢复稳定。此时，考虑在系统中加入无功补偿，容量取为风机容量的40%，为40 MVar。本算例在故障点BUS8处集中加入静止无功补偿器，仿真图形如图11~图13所示。

图 11 故障持续625 ms加入SVC后恒速风电系统BUS7处电压

Figure 11. The voltage of BUS7 of constant speed wind power system in 625 ms fault duration with SVC

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图 12 故障持续625 ms加入SVC后直驱风电系统BUS7处电压

Figure 12. The voltage of BUS7 of direct drive wind power system in 625 ms fault duration with SVC

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图 13 故障持续625 ms加入SVC后双馈风电系统BUS7处电压

Figure 13. The voltage of BUS7 of double-fed wind power system in 625 ms fault duration with SVC

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由以上图形可看出，SVC加入对恒速风电系统的作用仍然不明显，但对双馈风电系统和直驱风电系统有较明显作用，使得BUS7处的电压能较好的恢复。但由后续分析可知，当故障持续时间继续增加时，尽管有无功补偿容量，但上述三种风电系统仍然不能保持稳定。

3.3　负荷急剧变化时，各风电系统暂态稳定性

当无功负荷分别由0.45、0.5和0.45个标幺值减少到0.05、0.05和0.05个标幺值，经过仿真后可以看出各风电系统都能保持稳定性，只是系统稳定时的功角和转速与初始值差距比较大，如图14所示；双馈风机的转子电流越限，即机组本身不稳定，如图15所示。

图 14 无功负荷减少时电力系统功角曲线

Figure 14. The power angel with reduce of reactive load

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图 15 无功负荷减少时双馈风机的转子电流曲线

Figure 15. The rotor current of the double-fed wind power system with reduce of reactive load

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在有功负荷减少的过程中，含双馈风机的电力系统由稳定变为不稳定，机组本身也慢慢失稳，直驱风电系统和恒速风电系统也慢慢失稳。如图16描述的是在有功负荷由0.9、0.9和0.9个标幺值减少到0.6、0.6和0.6个标幺值时，双馈电力系统电压曲线。

图 16 有功负荷减少时系统电压变化

Figure 16. The change of the voltage with reduce of reactive load

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4 结论

本文在PSAT上建立了几种风机的数学模型，并进行了暂态稳定仿真，在比较的基础上得出了如下结论：

1）故障持续时间越长，系统越容易失稳；在短路情况下，双馈机组本身的稳定性较难保持，但系统稳定性保持较好。

2）双馈机组和直驱机组低电压穿越能力要好于恒速机组。

3）无功补偿容量的加入使得双馈风电系统和直驱风电系能较好的恢复稳定，但随着故障时间进一步增加，无功补偿的作用将不会很明显。

4）突然甩负荷对各风电系统的稳定性都有较大的影响。

5）同传统电力系统相比，含双馈风力发电机的电力系统受负荷影响较大，突然甩负荷使得双馈风电系统和机组本身很容易失稳，即双馈系统对负荷变化非常敏感。相对来说直驱风电系统和恒速风电系统的稳定性能较好保持，但机组本身也较容易失稳。

6）由于换流器的解耦作用，双馈风机和直驱风机暂态稳定性受发电机转速影响较小，受换流器电流大小较大的限制。因而变速风机的稳定性与换流器本身的特性有密切关系。

张春文

图 1 中美两国能源净进口量对比(1990-2013)

Figure 1. The Number of Net Energy Imports in China and United States(1990-2013)

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图 2 中美两国能源净进口额对比(1990-2013)

Figure 2. The Value of Net Energy Imports in China and United States(1990-2013)

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图 3 世界主要原油生产国年生产量(2000-2013)

Figure 3. Crude Oil Production of the Main Countries(2000-2013)

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图 4 世界主要原油消费国年消费量(2000-2013)

Figure 4. Crude Oil Consumption of the Main Countries(2000-2013)

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图 5 世界主要经济体一次能源自给率(1990-2013)

Figure 5. Self-sufficient in Energy of the Major Economies(1990-2013)

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图 6 2013年世界主要经济体6类一次能源消费占比情况

Figure 6. The Proportion of Primary Energy Consumption in Six Categories of the Major Economies (2013)

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图 7 Brent原油现货价格及预测(1990—2040)

Figure 7. Spot Prices and Pridiction of North Sea Brent Crude Oil (1990-2040)

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参考文献(14)

[1]	BP P L C. BP Statistical Review of World Energy 2014 [R]. UK：BP, 2014.
[2]	World Trade Organization. WTO Statistics Database [DB/OL].2014[2014-10-15]. http://stat.wto.org/.
[3]	U．S. Energy Information Administration. Country Energy Information [DB/OL].2014[2014-10-25]. http://www.eia.gov/countries/.
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[5]	Organization of Petroleum Exporting Countries. OPEC Annual Statistical Bulletin(2014)[R]. Austria：OPEC, 2014.
[6]	World Bank. World Bank Open Data[DB/OL]. 2014[2014-10-15]．http://data.worldbank.org.cn.
[7]	安琪儿，安海忠，方伟，等. 中国页岩气开发中的国际合作 [J]. 资源与产业，2013, 15(6)：7-12. AN Qier, AN Haizhong，FANG Wei, et al. Global Cooperation in the Development of China's Shale Gas [J]. Resouces and Industries, 2013, 15(6)：7-12.
[8]	王丽波，郑有业. 中国页岩气资源分布与节能减排 [J]. 资源与产业，2012，14(3)：24-30. WANG Libo, ZHENG Youye. China's Shale Gas Resources Distribution and Energy Conservation & Emission Reduction[J]. Resouces and Industries, 2012，14(3)：24-30.
[9]	国土资源部. 中国矿产资源报告(2013) [R]. 北京：国土资源部，2013.
[10]	中国煤炭工业协会. 推进煤炭资源勘查“十二五”发展的指导意见 [R]. 北京：中国煤炭工业协会，2013.
[11]	国土资源部. 中国矿产资源报告(2012) [R]. 北京：国土资源部，2012.
[12]	国土资源部. 中国矿产资源报告(2011) [R]. 北京：国土资源部，2011.
[13]	孙小兵，乐金朝. 中国和世界其他主要经济体能源发展情况及相关热点问题 [M]. 郑州：黄河水利出版社，2014.
[14]	U. S. Energy Information Administration (EIA). The Annual Energy Outlook 2013 [R]. Washington：EIA, 2013.

施引文献(3)

期刊类型引用(2)

1.	周裕思，张雅雯，仲仪，包可一. 继电保护和安稳系统协调控制策略研究. 光源与照明. 2022(02): 186-188 . 百度学术
2.	曹雷年. 双馈风力发电系统低电压穿越关键技术. 通信电源技术. 2021(01): 229-231+234 . 百度学术

其他类型引用(1)

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1 PSAT软件简介
2 电力网络元件的数学模型
2.1　双馈风力发电系统
2.2　直驱同步风力发电系统
3.3　恒速风力发电系统
3 算例分析
3.1　三相短路故障时风电系统稳定性
3.2　系统无功补偿时，各风电系统暂态稳定性
3.3　负荷急剧变化时，各风电系统暂态稳定性
4 结论

1 PSAT软件简介
2 电力网络元件的数学模型
2.1　双馈风力发电系统
2.2　直驱同步风力发电系统
3.3　恒速风力发电系统
3 算例分析
3.1　三相短路故障时风电系统稳定性
3.2　系统无功补偿时，各风电系统暂态稳定性
3.3　负荷急剧变化时，各风电系统暂态稳定性
4 结论

参考文献(14)

施引文献

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Xiaobing SUN

China Energy Engineering Group Co., Ltd., Beijing 100029, China

世界能源新格局下中国的能源安全问题

作者简介: 孙小兵(1980)，男，河南许昌人，高级工程师，硕士，主要从事能源技术、政策和战略的研究工作(e-mail)15818889777@139.com。

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1 PSAT软件简介

2 电力网络元件的数学模型

2.1 双馈风力发电系统

2.2 直驱同步风力发电系统

3.3 恒速风力发电系统

3 算例分析

3.1 三相短路故障时风电系统稳定性

3.2 系统无功补偿时，各风电系统暂态稳定性

3.3 负荷急剧变化时，各风电系统暂态稳定性

4 结论

期刊类型引用(2)

其他类型引用(1)

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出版历程

目录

1 PSAT软件简介

2 电力网络元件的数学模型

2.1 双馈风力发电系统

2.2 直驱同步风力发电系统

3.3 恒速风力发电系统

3 算例分析

3.1 三相短路故障时风电系统稳定性

3.2 系统无功补偿时，各风电系统暂态稳定性

3.3 负荷急剧变化时，各风电系统暂态稳定性

4 结论

Xiaobing SUN

作者简介:
孙小兵(1980)，男，河南许昌人，高级工程师，硕士，主要从事能源技术、政策和战略的研究工作(e-mail)15818889777@139.com。

2.1　双馈风力发电系统

2.2　直驱同步风力发电系统

3.3　恒速风力发电系统

3.1　三相短路故障时风电系统稳定性

3.2　系统无功补偿时，各风电系统暂态稳定性

3.3　负荷急剧变化时，各风电系统暂态稳定性

2.1　双馈风力发电系统

2.2　直驱同步风力发电系统

3.3　恒速风力发电系统

3.1　三相短路故障时风电系统稳定性

3.2　系统无功补偿时，各风电系统暂态稳定性

3.3　负荷急剧变化时，各风电系统暂态稳定性