本书立足于风电场精细化建模仿真技术，系统阐述了风电场精细化
建模方法、高效仿真算法、软硬件加速仿真技术方案，旨在构建包含“风
能-机械能-电能”全环节的建模仿真技术体系。第1~2章分别介绍了风力
发电的发展历程和未来趋势，以及风力发电仿真技术的发展历程和技术
挑战；第3~6章分别介绍了风场流体系统动态建模、风电机组机械动力
系统动态建模、风电机组电气系统电磁暂态建模和风电场汇集送出系统
电磁暂态建模；第7~9章分别介绍了大规模风电场分网解耦仿真方法、
基于硬件加速的风电场并行仿真技术和超大规模风电基地精细化与动
态等值混合仿真；第10章介绍了大规模风电场精细化高效仿真系统设
计；第11章介绍了基于精细化实时仿真的风电场数字孪生应用展望。
本书可供电气工程等相关专业的高年级本科生和研究生参考，也可
供从事风力发电设计、分析的研究人员和工程技术人员参考。

目录
序言
前言
缩略语表
第 1 章 风电场典型运行原理概述 1
1.1 风力发电的发展历程 1
1.1.1 风力发电的兴起历程 2
1.1.2 风力发电的发展现状 3
1.1.3 风力发电的未来趋势 4
1.2 风电场典型结构及运行控制6
1.2.1 风能利用转换过程 6
1.2.2 机械动力系统结构 7
1.2.3 风电机组电气系统结构 10
1.2.4 风电场集电系统结构 14
1.2.5 风电机组典型控制系统 18
1.2.6 风电场典型控制系统 21
1.3 当前的新型风力发电技术 24
1.3.1 双机头风电机组24
1.3.2 风筝式风电机组25
1.4 本章小结 27
第 2 章 风力发电仿真技术发展概述 28
2.1 仿真技术的发展历程 28
2.2 风力发电数字仿真的核心技术路径 32
2.2.1 风电场动态建模32
2.2.2 风电场仿真算法35
2.2.3 风电场仿真实现方案 37
2.3 风电场常用的建模仿真工具 39
2.3.1 国内外常用的离线仿真平台39
2.3.2 国内外常用的实时仿真平台41
2.4 风力发电仿真需求与技术挑战 43
2.5 本章小结 44
第 3 章 风场流体系统动态建模 46
3.1 风场流体动力学基础理论 46
3.1.1 大气边界层47
3.1.2 风特性建模48
3.1.3 风电场与大气边界层的交互作用 50
3.2 稳态建模方法51
3.2.1 基于质量守恒的 Jensen 模型 51
3.2.2 基于动量守恒的 Gaussian 模型 53
3.3 准稳态建模方法 54
3.3.1 风电机组尾流蜿蜒特性 55
3.3.2 基于来流大尺度涡理论的动态尾流蜿蜒模型 55
3.3.3 算例分析 58
3.4 动态建模方法60
3.4.1 大涡模拟方法 61
3.4.2 雷诺时均方法 63
3.4.3 算例分析 65
3.5 本章小结 68
第 4 章 风电机组机械动力系统动态建模 69
4.1 风轮的空气动力学建模 69
4.1.1 静态气动模型 70
4.1.2 叶素动量理论 73
4.1.3 CFD 方法 77
4.1.4 算例分析 81
4.2 风电机组机械系统动力学建模 83
4.3 漂浮式海上风电机组的系泊系统建模 88
4.3.1 系泊系统分类 88
4.3.2 系泊系统建模 90
4.3.3 算例分析 92
4.4 偏航系统动态建模 95
4.5 变桨系统动态建模 97
4.6 本章小结 98
第 5 章 风电机组电气系统电磁暂态建模 99
5.1 基于节点分析法的电气元件离散化建模原理 99
5.2 风电机组典型设备的建模方法.101
5.2.1 PMSG 的建模方法 101
5.2.2 DFIG 的建模方法 107
5.2.3 背靠背 VSC 的建模方法115
5.2.4 变压器的建模方法116
5.3 基于嵌套同时快速求解法的风电机组高效建模方法 118
5.3.1 风电机组节点收缩方法 119
5.3.2 风电机组内部信息反解 121
5.3.3 仿真验证 121
5.4 本章小结 124
第 6 章 风电场汇集送出系统电磁暂态建模125
6.1 大规模风电场汇集系统的等效高效建模方法 126
6.1.1 集电系统的 π 型线路等效建模126
6.1.2 大规模风电场的节点降维方法 131
6.1.3 仿真分析 133
6.2 基于嵌套同时快速求解的 DCT 建模方法135
6.2.1 CHB-MAB 型 DCT 的等值建模方法 137
6.2.2 功率模块优化建模方法 142
6.2.3 桥臂优化建模方法145
6.2.4 仿真分析 149
6.3 基于嵌套同时快速求解的混合 MMC 建模方法 154
6.3.1 半全混合 MMC 的戴维南等效建模方法154
6.3.2 考虑 IGBT 死区效应的半全混合 MMC 等效建模方法 158
6.3.3 能量自平衡型混合 MMC 的等效建模方法 165
6.3.4 仿真验证 172
6.4 本章小结 177
第 7 章 大规模风电场分网解耦仿真方法 178
7.1 面向电磁暂态仿真的分网解耦仿真方法概述 178
7.1.1 基于精确等值的电磁暂态分网解耦仿真方法 179
7.1.2 基于人为延迟的电磁暂态分网解耦仿真方法 181
7.1.3 面向电磁暂态仿真的分网解耦仿真方法总结 183
7.2 基于 MATE 方法的风电机组解耦仿真方法 183
7.2.1 MATE 解耦方法的基本原理 183
7.2.2 基于 MATE 方法的风电机组解耦仿真方法介绍 186
7.2.3 仿真算例 187
7.3 基于电容电感支路的风电场解耦仿真方法 188
7.3.1 基于电容电感支路解耦的风电场核心设备解耦方法 189
7.3.2 基于电容电感支路解耦的风电场解耦建模方法 198
7.3.3 仿真算例 199
7.4 基于理想变压器法的风电场解耦仿真方法 206
7.4.1 理想变压器法的基本原理 206
7.4.2 基于理想变压器法的风电场解耦建模方法 207
7.4.3 仿真算例 209
7.5 本章小结 218
第 8 章 基于硬件加速的风电场并行仿真技术 219
8.1 基于 CPU-GPU 并行计算的流体系统与机械动力系统仿真加速 219
8.1.1 风场流体系统与机械动力系统优化配置与并行求解 220
8.1.2 算例分析 223
8.2 基于 CPU-GPU 并行计算的风电场电气系统仿真加速 226
8.2.1 电气系统计算资源需求建模与求解时长量化 227
8.2.2 电气系统优化配置与并行求解 231
8.2.3 算例分析 233
8.3 基于 CPU 并行计算的风电场仿真加速 237
8.3.1 基于 CPU 的并行加速技术 237
8.3.2 CPU 并行计算加速效果分析 239
8.3.3 仿真算例 241
8.4 本章小结 246
第 9 章 超大规模风电基地精细化与动态等值混合仿真 247
9.1 风电场动态等值建模的基本方法 248
9.1.1 单机等值法的基本原理 248
9.1.2 馈线等值法的基本原理 251
9.2 基于机组聚合与线路等值影响因子的风电场等值优化 254
9.2.1 模型等值误差影响因子介绍 254
9.2.2 基于影响因子研究的等值模型适用性优化提升 255
9.3 风电场站单机聚合等值模型倍乘元件阻抗参数辨识 256
9.3.1 单机聚合等值模型倍乘元件介绍 256
9.3.2 倍乘元件阻抗参数设置对等值误差的影响机理 258
9.3.3 倍乘元件阻抗参数设计方法 259
9.3.4 仿真验证 261
9.4 风电场等值模型适用性评价方法 264
9.4.1 基于改进层次分析的等值模型综合适用性评价方法 264
9.4.2 基于具体工况的单一等值模型适用性评价方法 270
9.4.3 基于置信区间的等值模型准确度评价方法 272
9.5 本章小结 274
第 10 章 大规模风电场精细化高效仿真系统设计 276
10.1 风电场传统简化仿真方案 276
10.2 机组级精细化实时仿真 277
10.2.1 风电机组精细化仿真模型278
10.2.2 基于 RTDS-OpenFAST 联合的风电机组精细化实时仿真
平台框架 278
10.2.3 精细化仿真实时性保证机制 279
10.2.4 平台间通信接口设计 282
10.2.5 算例分析282
10.3 场站级精细化实时仿真 287
10.3.1 基于异构计算的系统架构技术 288
10.3.2 兼备高算力和强实时的实时仿真设备设计技术 289
10.3.3 用户友好的并行化仿真软件设计技术 290
10.3.4 算例分析292
10.4 风电场并网精细化实时仿真 296
10.4.1 电磁-机电混合仿真的基本原理 296
10.4.2 暂态子网络的等值方法 297
10.4.3 基于 FMI 的数据交互设计 298
10.4.4 算例分析300
10.5 本章小结 301
第 11 章 基于精细化实时仿真的风电场数字孪生应用展望303
11.1 风电场数字孪生系统构建的意义 303
11.2 风电场数字孪生系统的关键技术及挑战 305
11.3 基于实时仿真的风电场数字孪生系统架构设计思路 306
11.3.1 数字孪生模型演化 307
11.3.2 数字孪生数据融合管理 310
11.4 风电场数字孪生系统的应用概述及展望 315
11.4.1 应用场景316
11.4.2 前景展望317
11.5 本章小结 318
参考文献 319

前言
风能作为全球能源清洁化、低碳化转型的重要支撑，近年来取得了快速发展，
并成为新型电力系统的重要组成部分。风力发电产业已成为实现“双碳”目标的
重要支柱，也为全球能源转型注入了强大动力。在此背景下，风电场的运行管理
向着更加智能化、精细化、高效化方向演进，对建模与仿真技术提出了更高的要
求。精细化建模仿真作为支撑风电场设计、运行优化及前沿技术研究的关键手段，
其理论基础与工程应用不断丰富与深化。为了进一步推动风力发电领域的技术进
步，提升风电场运行管理水平，我们撰写了本书，旨在为从事风力发电技术研究
与工程实践的科技人员提供系统性参考与借鉴。
本书基于风力发电产业发展的最新趋势与实际需求，深入总结了近年来风电
场精细化建模仿真技术的理论创新与工程应用成果。本书结构按照由浅入深、逐
步深化的原则进行设计，总体包括基础理论、建模技术、仿真算法、系统集成及
应用展望五大部分。通过系统性梳理与分阶段展开，力求帮助读者在掌握基本原
理的基础上，系统理解并掌握各关键环节的先进技术方法，具备将理论成果转化
为工程实践的能力。
本书共分为 11 章，各章内容安排如下：第 1 章介绍了风力发电的发展历程、
风电场典型结构及运行控制，奠定了风电场建模仿真的理论基础；第 2 章介绍了
风力发电仿真技术的发展历程，归纳了核心技术路径，分析了典型仿真平台，并
指出了面临的技术挑战；第 3 ～ 6 章分别从风场流体系统、机械动力系统、电气
系统与汇集送出系统四个层面，深入介绍了各子系统的动态建模理论与方法，涵
盖稳态、准稳态与动态建模，兼顾工程适用性与仿真效率优化；第 7 章介绍了大
规模风电场分网解耦仿真方法，包括基于精确等值、人为延迟、MATE 方法、电
容电感支路、理想变压器法等多种典型解耦仿真方法及其仿真算例；第 8 章聚焦
硬件加速与并行仿真技术，围绕 CPU-GPU 协同仿真优化风场流体系统、机械动
力系统及电气系统仿真性能；第 9 章针对超大规模风电基地，介绍了动态等值混
合仿真技术，构建了基于机组聚合与线路等值的优化建模方法及适用性评价方法；
第 10 章介绍了大规模风电场机组级、场站级与并网精细化高效仿真系统的整体
设计方案，系统解决了实时性与准确性兼顾的问题；第 11 章展望了基于精细化
实时仿真的风电场数字孪生应用，介绍了数字孪生系统的关键技术及挑战，数字
孪生模型演化、数据融合管理，以及数字孪生系统应用场景与前景展望。
在具体编写过程中，本书秉承理论与实践紧密结合的原则，辅以大量仿真算
例、案例分析与工程应用实例，帮助读者直观地理解各项技术方法的内涵与应用
效果。本书内容既重视基础理论的系统性，又突出新兴技术的前瞻性，涵盖了风
电场从建模仿真、高效计算到系统集成的完整技术链条。特别是针对近年来迅猛
发展的数字孪生、并行加速与动态等值技术，本书进行了专题梳理与深入探讨，体
现了精细化仿真领域的最新研究进展与应用趋势。
本书的编写离不开研究团队各位成员的辛勤工作与贡献，在此特别感谢张淑
琪助理对于本书的整理工作，以及刘腾飞、刘逸凡、曹书豪、赵长旺、渠悦意、孟
铃涵、于佳乐、娄载庚、于振宇、祝怡阳、潘可盈等博士、硕士研究生的研究工
作。同时，由于作者水平有限，书中难免存在不足与疏漏之处，我们衷心希望广
大读者能够批评指正，以便后续进一步完善提高。
希望本书能够为风力发电领域的科研人员、工程技术人员以及高年级本科生
和研究生提供理论支撑与技术指引，助力我国风力发电产业实现高质量、智能化、
可持续的发展，为全球能源绿色低碳转型贡献力量。