用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的仿真技術(shù)

0 引言

出于保護(hù)環(huán)境的考慮以及全球面臨的能源短缺現(xiàn)狀，風(fēng)力發(fā)電在世界范圍內(nèi)得到了快速發(fā)展。隨著風(fēng)電行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，風(fēng)力發(fā)電成本逐步降低，在經(jīng)濟(jì)性上已經(jīng)能夠與核能發(fā)電、水力發(fā)電展開競(jìng)爭(zhēng)。當(dāng)前，我國(guó)面臨電力短缺局面，在煤電占主導(dǎo)地位的我國(guó)電力行業(yè)，因環(huán)境承載力限制以及各種因素導(dǎo)致的煤炭短缺局面，煤電發(fā)展受到制約。而我國(guó)風(fēng)能資源豐富，風(fēng)能利用得到了政府的政策支持，風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)面臨前所未有的發(fā)展機(jī)遇。近幾年來(lái)，我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢(shì)頭良好，多個(gè)大型風(fēng)電場(chǎng)處于建設(shè)或規(guī)劃階段。

我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展尚存在諸多制約因素。就技術(shù)層面而言，大型風(fēng)力發(fā)電設(shè)備生產(chǎn)技術(shù)不過(guò)關(guān)，大多從國(guó)外采購(gòu)或引進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)，研發(fā)基礎(chǔ)薄弱;對(duì)風(fēng)電機(jī)組或風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行特性的研究不足，設(shè)備運(yùn)行管理水平還有待提高。將仿真技術(shù)廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)測(cè)試、運(yùn)行分析等各個(gè)方面，將有助于加快我國(guó)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展步伐，是縮小與發(fā)達(dá)國(guó)家技術(shù)差距的捷徑。

1 仿真技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用概況

隨著風(fēng)力發(fā)電在世界的廣泛應(yīng)用，為降低風(fēng)力發(fā)電成本、提高風(fēng)能利用效率，風(fēng)力發(fā)電設(shè)備單機(jī)容量越來(lái)越大，同時(shí)為風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)制造、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行等各個(gè)方面提出了更多的研究課題。傳統(tǒng)的實(shí)物測(cè)試研究方法已不能滿足發(fā)展需要，仿真技術(shù)因不受氣象條件的限制，且投入低等優(yōu)點(diǎn)，逐漸在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的研究和測(cè)試領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

仿真即選取一個(gè)物理的或抽象的系統(tǒng)的某些行為特征，用數(shù)學(xué)模型來(lái)表示它們的過(guò)程，若用計(jì)算機(jī)求解數(shù)學(xué)模型，稱為計(jì)算機(jī)仿真。通俗說(shuō)來(lái)，仿真是指使用儀器設(shè)備、模型、多媒體技術(shù)，以及利用場(chǎng)地、環(huán)境的布置，模仿出真實(shí)系統(tǒng)的工作特性和環(huán)境，進(jìn)而用于科學(xué)研究、工業(yè)設(shè)計(jì)、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)或教學(xué)訓(xùn)練等目的的一項(xiàng)綜合技術(shù)。仿真若僅限于設(shè)計(jì)研究目的，則勿需仿真對(duì)象系統(tǒng)的環(huán)境，亦無(wú)實(shí)時(shí)仿真的必要，借助一臺(tái)主流微型計(jì)算機(jī)和商業(yè)仿真軟件即可開展仿真研究工作。

1980 年代初，國(guó)外學(xué)者開始將仿真方法用于風(fēng)電機(jī)組的的性能研究[1] ，其后，仿真技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用范圍逐漸拓展。目前，從風(fēng)電關(guān)鍵設(shè)備和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造、性能測(cè)試與研究，風(fēng)電機(jī)組或風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行分析等各個(gè)方面均有仿真技術(shù)的應(yīng)用。仿真技術(shù)的應(yīng)用在很大程度上替代了傳統(tǒng)的利用實(shí)際設(shè)備開展的設(shè)計(jì)檢驗(yàn)等手段。主要的研究方向整理如下。

1)風(fēng)能特性仿真，反映風(fēng)能的位置分布和時(shí)間變化特性。風(fēng)特性仿真結(jié)果將用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組或風(fēng)電場(chǎng)的仿真分析中，是風(fēng)電仿真研究的基礎(chǔ)。

2)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組仿真，仿真特定風(fēng)力機(jī)組在風(fēng)能變化下輸出電能的變化規(guī)律，分析其特性，尋找設(shè)備本身存在的不足，提供改進(jìn)建議。表征電能特性的參數(shù)主要包括有功功率、無(wú)功功率、電壓和頻率。

3)控制系統(tǒng)仿真，建立待檢驗(yàn)的控制系統(tǒng)的仿真模型和控制對(duì)象的仿真模型，建立模型間的相互聯(lián)系。改變仿真風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能參數(shù)或工作狀態(tài)，測(cè)試在各種不同運(yùn)行方式下控制系統(tǒng)的動(dòng)作特性和工作效果，尋找控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的問題，改進(jìn)設(shè)計(jì)后修正仿真模型進(jìn)一步驗(yàn)證，直到控制系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)和運(yùn)行要求。

4)風(fēng)電場(chǎng)仿真，針對(duì)特定風(fēng)電場(chǎng)的具體風(fēng)能特性和實(shí)際(或規(guī)劃設(shè)計(jì))安裝的風(fēng)電機(jī)組情況，建立整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的仿真模型。研究風(fēng)能變化、風(fēng)機(jī)介入或退出系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)電能特性的影響，進(jìn)而分析風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的可行性，分析風(fēng)電場(chǎng)不同運(yùn)行方式下對(duì)電力系統(tǒng)的影響，或用于運(yùn)行人員培訓(xùn)，提高風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行管理水平。

國(guó)內(nèi)利用仿真技術(shù)開展風(fēng)電系統(tǒng)研究的起步較晚，公開發(fā)表的仿真研究成果不多，尚未形成氣候。近幾年情況在發(fā)生變化，更多的研究人員已經(jīng)將仿真技術(shù)引入風(fēng)電系統(tǒng)的研究工作中，相信近期內(nèi)將會(huì)有更多的高水平仿真研究成果發(fā)表，并能有力促進(jìn)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。

2 風(fēng)能及風(fēng)電機(jī)組仿真模型

與常規(guī)發(fā)電機(jī)組(如火電、水電、核電)相比，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的突出特點(diǎn)是輸入能量不受控制，這一特點(diǎn)導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在構(gòu)成上與常規(guī)發(fā)電機(jī)組有著很大的不同且呈現(xiàn)出多樣化特點(diǎn)。我們知道，常規(guī)發(fā)電機(jī)組的機(jī)械能-電能轉(zhuǎn)換裝置普遍采用同步發(fā)電機(jī)，而并網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組采用的發(fā)電機(jī)則形式多樣，如恒速恒頻同步/異步發(fā)電機(jī)、交/直/交發(fā)電機(jī)、磁場(chǎng)調(diào)制發(fā)電機(jī)、交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)等。因采用的發(fā)電機(jī)類型不同，相應(yīng)的控制系統(tǒng)區(qū)別很大，電能參數(shù)隨風(fēng)能變化的特性也有很大的不同。

仿真研究人員需要根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn)開發(fā)針對(duì)性的仿真模型軟件。限于篇幅，本文主要介紹共性部分的仿真。

2.1 典型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的仿真模型總體結(jié)構(gòu)

在風(fēng)電場(chǎng)中得到廣泛應(yīng)用的恒速風(fēng)力機(jī)如圖1 所示[2]，異步發(fā)電機(jī)將風(fēng)輪吸收的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速隨發(fā)電量的變化而在一定范圍內(nèi)變化，因轉(zhuǎn)速變化范圍很小(1% 左右)，通常稱為恒速系統(tǒng)。恒速系統(tǒng)通常選用失速型調(diào)節(jié)方式。

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下載附件 (13.24 KB) 圖 1 恒速風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)示意圖

一種典型的變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組見圖2，它采用雙饋異步發(fā)電機(jī)(DFIG)。發(fā)電機(jī)的定子線圈直接與電網(wǎng)相連，轉(zhuǎn)子線圈則通過(guò)滑環(huán)和電力電子逆變器與電網(wǎng)連接。因此，當(dāng)風(fēng)速變化引起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，通過(guò)控制轉(zhuǎn)子電流的頻率，可保持定子頻率的恒定，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變速運(yùn)行。在高風(fēng)速條件下，通過(guò)調(diào)整葉片槳距限制風(fēng)力機(jī)的輸出功率。

上述兩種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的仿真模型的總體結(jié)構(gòu)分別表示在圖3 和圖4 中[3] ，變速風(fēng)力機(jī)的控制系統(tǒng)要比恒速系統(tǒng)復(fù)雜得多，其仿真模型相應(yīng)增加了槳距角、轉(zhuǎn)速、端電壓等控制器子模型和變頻器的仿真模型。

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下載附件 (16.94 KB) 圖 2 典型的雙饋發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)示意圖

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下載附件 (16.06 KB) 圖 3 恒速風(fēng)力機(jī)仿真模型的總體結(jié)構(gòu)

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下載附件 (29.28 KB) 圖 4 變速風(fēng)力機(jī)仿真模型的總體結(jié)構(gòu)

2.2 風(fēng)能特性模型

描述風(fēng)能特性的參數(shù)主要有風(fēng)速、風(fēng)向和風(fēng)密度。風(fēng)的密度主要取決于風(fēng)機(jī)所處的地理位置，氣候變化也會(huì)產(chǎn)生一定影響，對(duì)于特定風(fēng)機(jī)而言，風(fēng)密度可以直接取自測(cè)量數(shù)據(jù)，并可以忽略密度的變化;針對(duì)研究型的仿真應(yīng)用，風(fēng)向的變動(dòng)可不予考慮，即假定風(fēng)力機(jī)一直跟蹤風(fēng)向的變化。因此，我們主要關(guān)注風(fēng)速的變化特性。

風(fēng)因大氣環(huán)流形成，風(fēng)速是一個(gè)典型的隨機(jī)變量。若不考慮風(fēng)的方向性，風(fēng)速是其空間坐標(biāo)位置和時(shí)間的函數(shù)，即v=f(x,y,z,t) 。我們將描述某一區(qū)域風(fēng)速的空域、時(shí)域分布變化特性的模型又稱為風(fēng)場(chǎng)模型(Wind Field Model)。嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，各空間位置上的風(fēng)速因風(fēng)的隨機(jī)性、風(fēng)場(chǎng)地形等因素影響而各不相同，因此，要建立一個(gè)準(zhǔn)確的風(fēng)場(chǎng)模型幾乎是不可能的，需要進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化處理。

若風(fēng)場(chǎng)的地形相對(duì)平坦，周邊空曠，則基本可以認(rèn)為在同一高度層上整個(gè)風(fēng)場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn)的風(fēng)速是相同的，這樣可以將風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速的三維空間模型簡(jiǎn)化為沿高度方向變化的一維模型。對(duì)于空間分布廣，且地形復(fù)雜的大型風(fēng)電場(chǎng)，可以將整個(gè)風(fēng)場(chǎng)劃分成幾個(gè)區(qū)域，針對(duì)不同區(qū)域的風(fēng)能特點(diǎn)建立簡(jiǎn)化的一維空間模型，形成分段集總式一維模型。風(fēng)速空域模型轉(zhuǎn)化為研究風(fēng)速沿地平面高度方向的變化規(guī)律，借助空氣動(dòng)力學(xué)理論和風(fēng)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)，模型不難建立。

在時(shí)間維度上，大時(shí)期尺度(小時(shí)、天)的風(fēng)速變化范圍很大，且沒有規(guī)律可循，只能根據(jù)風(fēng)場(chǎng)監(jiān)測(cè)記錄數(shù)據(jù)擬合出風(fēng)速變化模型。對(duì)于絕大多數(shù)仿真應(yīng)用而言，我們不太關(guān)心大時(shí)間尺度的風(fēng)速變化，而重點(diǎn)關(guān)注小時(shí)間尺度上的風(fēng)速變化特性。在小時(shí)間尺度上觀察，風(fēng)速隨時(shí)間的變化呈現(xiàn)出脈動(dòng)變化的特點(diǎn)，即風(fēng)速均值在一段時(shí)間內(nèi)基本不變，風(fēng)速在均值附近波動(dòng)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者據(jù)此提出了各種描述風(fēng)頻分布的方法，如概率分布模型、瑞利分布模型、對(duì)數(shù)正態(tài)分布模型等[1] 。

需要說(shuō)明的是，在建立風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)各風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的仿真模型時(shí)，需要考慮到風(fēng)力機(jī)的尾流效應(yīng)，即上游風(fēng)力機(jī)對(duì)下游風(fēng)力機(jī)流入風(fēng)速的影響，影響關(guān)系和程度取決于風(fēng)向、風(fēng)速和風(fēng)機(jī)安裝位置關(guān)系，此時(shí)，風(fēng)力機(jī)的輸出機(jī)械能通常由尾流系數(shù)予以校正。

2.3 風(fēng)力機(jī)模型[4]

風(fēng)力機(jī)實(shí)際能夠獲得的機(jī)械功輸出為：

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式中， R 、ρ、 v 和Cp分別為風(fēng)輪半徑、空氣密度、風(fēng)速和風(fēng)能利用系數(shù)。

Cp代表風(fēng)力機(jī)能夠從風(fēng)能中提取出機(jī)械能的程度，它取決于風(fēng)力機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài)，其數(shù)值由風(fēng)機(jī)廠家提供。Cp主要是葉尖速比λ和槳距角β的函數(shù)，即 ：Cp=f(λ，β)，對(duì)于投入運(yùn)行的風(fēng)力機(jī)，葉片的潔凈程度對(duì)Cp的影響很大，譬如葉片結(jié)冰、污物聚集等會(huì)改變?nèi)~片的氣動(dòng)外型，進(jìn)而降低風(fēng)能利用系數(shù)的數(shù)值。