用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的仿真技術(shù)

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式中，Ct為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)，它是葉尖速比λ的函數(shù)，與風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài)相關(guān)。 輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩確定后，針對(duì)不同的發(fā)電機(jī)類型，不難建立發(fā)電機(jī)電能和風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速仿真模型。

3 風(fēng)電場(chǎng)仿真模型

3.1 集總建模方法

風(fēng)電場(chǎng)通常由幾百臺(tái)甚至上千臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組構(gòu)成，涉及多種風(fēng)力機(jī)型號(hào)和發(fā)電機(jī)類型，還需考慮各風(fēng)力機(jī)間的相互影響，使得風(fēng)電場(chǎng)仿真變得很復(fù)雜。

按正常思路，要建立風(fēng)電場(chǎng)的仿真模型，需要針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)中的全部風(fēng)力機(jī)，一一建立其仿真模型，并依據(jù)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際結(jié)構(gòu)關(guān)系與電網(wǎng)模型連接(多點(diǎn)接入)，形成風(fēng)電場(chǎng)整體仿真模型。此種詳細(xì)建模方法的缺點(diǎn)是模型復(fù)雜，需要更多的仿真數(shù)據(jù)，運(yùn)算量大，需要更長(zhǎng)的仿真計(jì)算時(shí)間。

為解決上述問題，有人提出了風(fēng)電場(chǎng)集總建模方法[5] 。集總模型包含兩層含義，一方面是由一個(gè)單一集總模型代替整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)模型，電能通過一個(gè)假想的公共接入點(diǎn)接入電網(wǎng)(單點(diǎn)接入);另一方面，根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)力機(jī)的具體構(gòu)成情況，將多個(gè)風(fēng)力機(jī)的機(jī)械能或電能計(jì)算合并進(jìn)行。此種方法因大幅減少了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量，從而能夠有效地縮減電力系統(tǒng)模型規(guī)模，減少模型運(yùn)算時(shí)間，缺點(diǎn)是模型精度有所降低。

3.2 集總風(fēng)電場(chǎng)模型

對(duì)風(fēng)電場(chǎng)仿真而言，另一項(xiàng)主要工作是建立風(fēng)力發(fā)電機(jī)所接入的電網(wǎng)的仿真模型。電網(wǎng)模型與風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)力機(jī)集總模型的有機(jī)結(jié)合形成風(fēng)電場(chǎng)仿真模型，電網(wǎng)仿真模型的研究已相當(dāng)成熟，在此不再贅述。

3.2.1 恒速風(fēng)力機(jī)集總模型

對(duì)于特定的恒速風(fēng)力機(jī)而言，風(fēng)機(jī)的機(jī)械功或發(fā)電量直接取決于作用與風(fēng)機(jī)葉片上的風(fēng)速，不存在能量緩沖。因此，可以將全部風(fēng)力機(jī)的機(jī)械功線形迭加，由一個(gè)發(fā)電機(jī)模型替代全部的恒速發(fā)電機(jī)計(jì)算電能參數(shù)。有的研究人員則將全部風(fēng)力機(jī)合并成幾個(gè)更大容量的風(fēng)力機(jī)對(duì)待，并相應(yīng)調(diào)整發(fā)電機(jī)容量，此種處理方法實(shí)際上相當(dāng)于認(rèn)為多臺(tái)風(fēng)力機(jī)處于相同的風(fēng)速下，當(dāng)然會(huì)帶來較大的誤差。

恒速風(fēng)力機(jī)集總模型結(jié)構(gòu)如圖5 所示，其模型建立過程簡(jiǎn)單說明如下。

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下載附件 (16.42 KB) 圖 5 恒速風(fēng)力機(jī)集總模型結(jié)構(gòu)

1)根據(jù)風(fēng)場(chǎng)多年的監(jiān)測(cè)記錄數(shù)據(jù)建立針對(duì)性的風(fēng)速模型;

2)將風(fēng)場(chǎng)布置輸入風(fēng)速模型，產(chǎn)生各風(fēng)力機(jī)的風(fēng)速信號(hào);

3)依據(jù)輸入風(fēng)速，計(jì)算每臺(tái)風(fēng)力機(jī)的機(jī)械功輸出;

4)累加各臺(tái)風(fēng)力機(jī)的機(jī)械功輸出;

5)總機(jī)械功輸入到代替全部發(fā)電機(jī)的等效發(fā)電機(jī)模型中，計(jì)算電能參數(shù)。

3.2.2 變速風(fēng)力機(jī)集總模型

變速風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)子類似于能量緩沖器，風(fēng)機(jī)的發(fā)電量與風(fēng)速之間沒有直接對(duì)應(yīng)關(guān)系，前面所述的恒速風(fēng)力機(jī)集總方法不能應(yīng)用于變速風(fēng)力機(jī)中。因此，每臺(tái)風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)子必須單獨(dú)仿真。

變速風(fēng)力機(jī)集總模型的結(jié)構(gòu)見圖6，其模型建立過程與變速風(fēng)力機(jī)類似。

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下載附件 (17.78 KB) 圖 6 變速風(fēng)力機(jī)集總模型結(jié)構(gòu)

在文獻(xiàn)[3] 中，作者就兩種不同的建模方法(詳細(xì)建模和集總建模)所建立的風(fēng)電場(chǎng)模型的仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明，集總風(fēng)電場(chǎng)模型除不能客觀反映出恒速風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)在有功/無(wú)功功率和接入點(diǎn)電壓的脈動(dòng)特性外，其仿真結(jié)果與詳細(xì)仿真模型的結(jié)果間具有高度的一致性，證明集總建模方法能夠滿足仿真研究的需要。

4 風(fēng)電場(chǎng)仿真機(jī)

仿真技術(shù)除用于系統(tǒng)分析研究、設(shè)計(jì)檢驗(yàn)等目的外，還可用于人員培訓(xùn)目的。在電力系統(tǒng)，人們習(xí)慣上將用于人員培訓(xùn)目的的仿真系統(tǒng)稱為仿真機(jī)。為追求更好的培訓(xùn)效果，要求仿真機(jī)具有很高的逼真度。仿真機(jī)逼真度主要體現(xiàn)在數(shù)學(xué)模型精度、人機(jī)界面逼真度和環(huán)境的相似性等幾個(gè)方面。因此，仿真機(jī)軟件具有不同于研究系統(tǒng)的特點(diǎn)。

4.1 電力系統(tǒng)仿真機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀

電力工業(yè)涉及能量轉(zhuǎn)換、電力傳輸與調(diào)度等生產(chǎn)環(huán)節(jié)，產(chǎn)品具有不可見、不能直接存儲(chǔ)的突出特點(diǎn)。發(fā)供電量直接取決于不斷變動(dòng)的用戶負(fù)荷，其生產(chǎn)工況處于不斷變化之中，有許多重大生產(chǎn)事故、設(shè)備故障可能多年不遇，但一旦發(fā)生緊急情況，留給運(yùn)行操作人員處理的時(shí)間非常短暫，如果不能及時(shí)正確處理，后果不堪設(shè)想;再則，為了追求能量轉(zhuǎn)換與傳輸?shù)母咝?，電力工業(yè)裝備向大容量、高參數(shù)方向發(fā)展，系統(tǒng)更加復(fù)雜，也更難以操作與控制。因此，對(duì)崗位操作人員的素質(zhì)要求很高。但由于電力工業(yè)設(shè)備昂貴，且具有連續(xù)作業(yè)的生產(chǎn)特點(diǎn)，在生產(chǎn)裝置上進(jìn)行培訓(xùn)效率低、風(fēng)險(xiǎn)大，而且無(wú)法得到事故處理等方面的培訓(xùn)機(jī)會(huì)。因此，自九十年代起，電力培訓(xùn)用仿真機(jī)得到了大范圍推廣與應(yīng)用。目前，電力系統(tǒng)仿真機(jī)的普及率和產(chǎn)業(yè)化程度居各行業(yè)之首，并代表了國(guó)內(nèi)仿真行業(yè)的技術(shù)水平。

1980 年代初，國(guó)內(nèi)高校最先開展了火電機(jī)組仿真機(jī)的研發(fā)工作，并于1980 年代末期開始轉(zhuǎn)入實(shí)際應(yīng)用。十幾年來，幾家最早生產(chǎn)火電機(jī)組仿真機(jī)的單位引領(lǐng)了國(guó)內(nèi)電力仿真技術(shù)的發(fā)展方向，并直接推動(dòng)了電力系統(tǒng)仿真機(jī)的普及。1990 年代中期以后，水電機(jī)組仿真機(jī)、核電機(jī)組仿真機(jī)、變電站仿真機(jī)、地區(qū)調(diào)度以及電網(wǎng)仿真機(jī)陸續(xù)投入使用，培訓(xùn)仿真機(jī)已應(yīng)用于電力生產(chǎn)與調(diào)度的各個(gè)環(huán)節(jié)。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前國(guó)內(nèi)投入使用的各類型火電機(jī)組仿真機(jī)(含全范圍仿真機(jī)和原理型仿真機(jī))在300 臺(tái)左右;變電站仿真機(jī)超過100 臺(tái);核電仿真機(jī)雖臺(tái)數(shù)不多，但仿真機(jī)與發(fā)電機(jī)組的比例最高。絕大多數(shù)仿真機(jī)由國(guó)內(nèi)企業(yè)開發(fā)生產(chǎn)。仿真機(jī)的使用有效解決了運(yùn)行操作人員的技能訓(xùn)練問題，并為提升我國(guó)電力工業(yè)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平發(fā)揮了很大的促進(jìn)作用。

4.2 風(fēng)電場(chǎng)仿真機(jī)的作用

大型風(fēng)電場(chǎng)通常安裝幾十臺(tái)或幾百臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，且單機(jī)容量更大，控制系統(tǒng)也更加復(fù)雜(變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在低風(fēng)速下具有更高的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率，相信會(huì)得到更為廣泛的應(yīng)用)，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行操作人員提出了更高的要求?？紤]到我國(guó)風(fēng)電系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，風(fēng)電場(chǎng)仿真機(jī)的應(yīng)用將有助于消除風(fēng)電發(fā)展面臨的某些制約因素。

首先，可有效解決人才短缺問題。風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展直接帶動(dòng)風(fēng)電技術(shù)人員需求的增長(zhǎng)，但當(dāng)前的人才供應(yīng)狀況不容樂觀。國(guó)內(nèi)高校未設(shè)立風(fēng)電專業(yè)或?qū)I(yè)方向，風(fēng)電企業(yè)只能從相關(guān)專業(yè)遴選所需的技術(shù)人員。技術(shù)人員缺乏對(duì)風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)構(gòu)成與運(yùn)行知識(shí)的了解，更缺乏運(yùn)行操作經(jīng)驗(yàn)。借助仿真機(jī)，可以在較短的時(shí)間內(nèi)培訓(xùn)出合格的運(yùn)行操作人員。

其次，可有效提高運(yùn)行管理水平。技術(shù)人員可以在仿真機(jī)上開展反事故演習(xí)和不同運(yùn)行方式仿真實(shí)驗(yàn)，熟練掌握各種異常運(yùn)行工況下的應(yīng)對(duì)處理措施，進(jìn)而提高實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行水平，減少設(shè)備受損幾率，提高風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

4.3 風(fēng)電場(chǎng)仿真機(jī)模型組成特點(diǎn)

前面敘述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和風(fēng)電場(chǎng)的仿真模型側(cè)重于分析研究方面的應(yīng)用，若用于人員培訓(xùn)，則需要在建模方法、模型覆蓋范圍等方面做出調(diào)整。主要體現(xiàn)在下述幾個(gè)方面。

4.3.1 實(shí)時(shí)模型

要求模型參數(shù)的變化在時(shí)間尺度上與實(shí)際系統(tǒng)一致。受限于計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力，對(duì)于運(yùn)算量大的模型要進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。如電網(wǎng)潮流計(jì)算模型適當(dāng)簡(jiǎn)化，電磁暫態(tài)過程通常不予考慮。

4.3.2 考慮風(fēng)向和季節(jié)因素

除前面討論的風(fēng)速變化特性外，仿真機(jī)還需要考慮風(fēng)向變化對(duì)風(fēng)電機(jī)組和風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的影響。同時(shí)，應(yīng)選取幾個(gè)代表性季節(jié)分別仿真其風(fēng)速特性，并考慮不同季節(jié)的風(fēng)密度的變化。

4.3.3 更詳細(xì)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模型

前面提到的將風(fēng)力機(jī)或發(fā)電機(jī)合并建模的方法不再適用，需要一一建立每一臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的仿真模型。實(shí)際機(jī)組的全部系統(tǒng)、運(yùn)行人員在控制室能夠觀測(cè)到的全部參數(shù)均在仿真之列，仿真范圍較分析研究用模型要寬得多，除圖3、圖4 表示出的子系統(tǒng)外，還包括：

1) 包含金屬溫度、振動(dòng)、受力變形等參數(shù)計(jì)算的設(shè)備本體模型;

2) 偏航控制等輔助控制系統(tǒng)模型;

3) 風(fēng)力機(jī)機(jī)械能計(jì)算應(yīng)考慮尾流效應(yīng);

4) 各種輔助系統(tǒng)模型，如潤(rùn)滑油系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等;

5) 變壓器及廠用電系統(tǒng)模型。

4.3.3 完整的人機(jī)界面仿真

出于為受訓(xùn)學(xué)員提供一個(gè)真實(shí)的操作環(huán)境，以及操作員站使用培訓(xùn)兩個(gè)方面的考慮，仿真機(jī)應(yīng)設(shè)置多臺(tái)仿真操作員站以仿真實(shí)現(xiàn)操作員站的全部操作監(jiān)視功能。大型風(fēng)電場(chǎng)通常分期建設(shè)，操作員站因設(shè)備供貨廠家的不同而風(fēng)格各異，為此，應(yīng)仿真實(shí)現(xiàn)各種不同類型的操作員站。

結(jié)論與展望

在西方發(fā)達(dá)國(guó)家，仿真技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，仿真理論、方法和建模技術(shù)逐步完善，仿真技術(shù)解決了很多實(shí)際生產(chǎn)過程中遇到的技術(shù)問題。借鑒國(guó)外已有的研究成果，對(duì)于提高我國(guó)風(fēng)電系統(tǒng)仿真技術(shù)的應(yīng)用研究水平將大有幫助。本文提出了應(yīng)用風(fēng)電場(chǎng)仿真機(jī)開展人員培訓(xùn)，進(jìn)而解決我國(guó)風(fēng)電發(fā)展面臨的人才短缺問題的建議。相信仿真技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)于提高我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)品的自主研發(fā)能力和風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行管理水平將會(huì)發(fā)揮日益重要的作用。