用于風力發(fā)電系統(tǒng)中的仿真技術

0 引言

出于保護環(huán)境的考慮以及全球面臨的能源短缺現(xiàn)狀，風力發(fā)電在世界范圍內得到了快速發(fā)展。隨著風電行業(yè)的技術進步，風力發(fā)電成本逐步降低，在經濟性上已經能夠與核能發(fā)電、水力發(fā)電展開競爭。當前，我國面臨電力短缺局面，在煤電占主導地位的我國電力行業(yè)，因環(huán)境承載力限制以及各種因素導致的煤炭短缺局面，煤電發(fā)展受到制約。而我國風能資源豐富，風能利用得到了政府的政策支持，風力發(fā)電產業(yè)面臨前所未有的發(fā)展機遇。近幾年來，我國風電產業(yè)發(fā)展勢頭良好，多個大型風電場處于建設或規(guī)劃階段。

我國風電產業(yè)發(fā)展尚存在諸多制約因素。就技術層面而言，大型風力發(fā)電設備生產技術不過關，大多從國外采購或引進技術生產，研發(fā)基礎薄弱;對風電機組或風電場的運行特性的研究不足，設備運行管理水平還有待提高。將仿真技術廣泛應用于風力發(fā)電設備的設計、試驗測試、運行分析等各個方面，將有助于加快我國風力發(fā)電技術的發(fā)展步伐，是縮小與發(fā)達國家技術差距的捷徑。

1 仿真技術在風力發(fā)電系統(tǒng)的應用概況

隨著風力發(fā)電在世界的廣泛應用，為降低風力發(fā)電成本、提高風能利用效率，風力發(fā)電設備單機容量越來越大，同時為風機的設計制造、控制系統(tǒng)設計和運行等各個方面提出了更多的研究課題。傳統(tǒng)的實物測試研究方法已不能滿足發(fā)展需要，仿真技術因不受氣象條件的限制，且投入低等優(yōu)點，逐漸在風力發(fā)電機組的研究和測試領域得到了越來越廣泛的應用。

仿真即選取一個物理的或抽象的系統(tǒng)的某些行為特征，用數(shù)學模型來表示它們的過程，若用計算機求解數(shù)學模型，稱為計算機仿真。通俗說來，仿真是指使用儀器設備、模型、多媒體技術，以及利用場地、環(huán)境的布置，模仿出真實系統(tǒng)的工作特性和環(huán)境，進而用于科學研究、工業(yè)設計、預測預報或教學訓練等目的的一項綜合技術。仿真若僅限于設計研究目的，則勿需仿真對象系統(tǒng)的環(huán)境，亦無實時仿真的必要，借助一臺主流微型計算機和商業(yè)仿真軟件即可開展仿真研究工作。

1980 年代初，國外學者開始將仿真方法用于風電機組的的性能研究[1] ，其后，仿真技術在風力發(fā)電系統(tǒng)的應用范圍逐漸拓展。目前，從風電關鍵設備和控制系統(tǒng)的設計、制造、性能測試與研究，風電機組或風電場運行分析等各個方面均有仿真技術的應用。仿真技術的應用在很大程度上替代了傳統(tǒng)的利用實際設備開展的設計檢驗等手段。主要的研究方向整理如下。

1)風能特性仿真，反映風能的位置分布和時間變化特性。風特性仿真結果將用于風力發(fā)電機組或風電場的仿真分析中，是風電仿真研究的基礎。

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

3)控制系統(tǒng)仿真，建立待檢驗的控制系統(tǒng)的仿真模型和控制對象的仿真模型，建立模型間的相互聯(lián)系。改變仿真風電機組的風能參數(shù)或工作狀態(tài)，測試在各種不同運行方式下控制系統(tǒng)的動作特性和工作效果，尋找控制系統(tǒng)設計中存在的問題，改進設計后修正仿真模型進一步驗證，直到控制系統(tǒng)滿足設計和運行要求。

4)風電場仿真，針對特定風電場的具體風能特性和實際(或規(guī)劃設計)安裝的風電機組情況，建立整個風電場的仿真模型。研究風能變化、風機介入或退出系統(tǒng)對風電場電能特性的影響，進而分析風電場建設的可行性，分析風電場不同運行方式下對電力系統(tǒng)的影響，或用于運行人員培訓，提高風電場運行管理水平。

國內利用仿真技術開展風電系統(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將仿真技術引入風電系統(tǒng)的研究工作中，相信近期內將會有更多的高水平仿真研究成果發(fā)表，并能有力促進風電產業(yè)的技術進步。

2 風能及風電機組仿真模型

與常規(guī)發(fā)電機組(如火電、水電、核電)相比，風力發(fā)電機組的突出特點是輸入能量不受控制，這一特點導致風力發(fā)電機組在構成上與常規(guī)發(fā)電機組有著很大的不同且呈現(xiàn)出多樣化特點。我們知道，常規(guī)發(fā)電機組的機械能-電能轉換裝置普遍采用同步發(fā)電機，而并網型風電機組采用的發(fā)電機則形式多樣，如恒速恒頻同步/異步發(fā)電機、交/直/交發(fā)電機、磁場調制發(fā)電機、交流勵磁雙饋發(fā)電機等。因采用的發(fā)電機類型不同，相應的控制系統(tǒng)區(qū)別很大，電能參數(shù)隨風能變化的特性也有很大的不同。

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

2.1 典型風力發(fā)電機組的仿真模型總體結構

在風電場中得到廣泛應用的恒速風力機如圖1 所示[2]，異步發(fā)電機將風輪吸收的機械能轉化成電能，發(fā)電機轉速隨發(fā)電量的變化而在一定范圍內變化，因轉速變化范圍很小(1% 左右)，通常稱為恒速系統(tǒng)。恒速系統(tǒng)通常選用失速型調節(jié)方式。

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下載附件 (13.24 KB) 圖 1 恒速風力機系統(tǒng)示意圖

一種典型的變速風力發(fā)電機組見圖2，它采用雙饋異步發(fā)電機(DFIG)。發(fā)電機的定子線圈直接與電網相連，轉子線圈則通過滑環(huán)和電力電子逆變器與電網連接。因此，當風速變化引起發(fā)電機轉速變化時，通過控制轉子電流的頻率，可保持定子頻率的恒定，進而實現(xiàn)風力發(fā)電機組的變速運行。在高風速條件下，通過調整葉片槳距限制風力機的輸出功率。

上述兩種風力發(fā)電機組的仿真模型的總體結構分別表示在圖3 和圖4 中[3] ，變速風力機的控制系統(tǒng)要比恒速系統(tǒng)復雜得多，其仿真模型相應增加了槳距角、轉速、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)電機組系統(tǒng)示意圖

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下載附件 (16.06 KB) 圖 3 恒速風力機仿真模型的總體結構

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下載附件 (29.28 KB) 圖 4 變速風力機仿真模型的總體結構

2.2 風能特性模型

描述風能特性的參數(shù)主要有風速、風向和風密度。風的密度主要取決于風機所處的地理位置，氣候變化也會產生一定影響，對于特定風機而言，風密度可以直接取自測量數(shù)據(jù)，并可以忽略密度的變化;針對研究型的仿真應用，風向的變動可不予考慮，即假定風力機一直跟蹤風向的變化。因此，我們主要關注風速的變化特性。

風因大氣環(huán)流形成，風速是一個典型的隨機變量。若不考慮風的方向性，風速是其空間坐標位置和時間的函數(shù)，即v=f(x,y,z,t) 。我們將描述某一區(qū)域風速的空域、時域分布變化特性的模型又稱為風場模型(Wind Field Model)。嚴格說來，各空間位置上的風速因風的隨機性、風場地形等因素影響而各不相同，因此，要建立一個準確的風場模型幾乎是不可能的，需要進行一定的簡化處理。

若風場的地形相對平坦，周邊空曠，則基本可以認為在同一高度層上整個風場內各點的風速是相同的，這樣可以將風場風速的三維空間模型簡化為沿高度方向變化的一維模型。對于空間分布廣，且地形復雜的大型風電場，可以將整個風場劃分成幾個區(qū)域，針對不同區(qū)域的風能特點建立簡化的一維空間模型，形成分段集總式一維模型。風速空域模型轉化為研究風速沿地平面高度方向的變化規(guī)律，借助空氣動力學理論和風場測量數(shù)據(jù)，模型不難建立。

在時間維度上，大時期尺度(小時、天)的風速變化范圍很大，且沒有規(guī)律可循，只能根據(jù)風場監(jiān)測記錄數(shù)據(jù)擬合出風速變化模型。對于絕大多數(shù)仿真應用而言，我們不太關心大時間尺度的風速變化，而重點關注小時間尺度上的風速變化特性。在小時間尺度上觀察，風速隨時間的變化呈現(xiàn)出脈動變化的特點，即風速均值在一段時間內基本不變，風速在均值附近波動，國內外學者據(jù)此提出了各種描述風頻分布的方法，如概率分布模型、瑞利分布模型、對數(shù)正態(tài)分布模型等[1] 。

需要說明的是，在建立風電場內各風力發(fā)電機組的仿真模型時，需要考慮到風力機的尾流效應，即上游風力機對下游風力機流入風速的影響，影響關系和程度取決于風向、風速和風機安裝位置關系，此時，風力機的輸出機械能通常由尾流系數(shù)予以校正。

2.3 風力機模型[4]

風力機實際能夠獲得的機械功輸出為：

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

Cp代表風力機能夠從風能中提取出機械能的程度，它取決于風力機葉片的結構和運行狀態(tài)，其數(shù)值由風機廠家提供。Cp主要是葉尖速比λ和槳距角β的函數(shù)，即 ：Cp=f(λ，β)，對于投入運行的風力機，葉片的潔凈程度對Cp的影響很大，譬如葉片結冰、污物聚集等會改變葉片的氣動外型，進而降低風能利用系數(shù)的數(shù)值。[!--empirenews.page--]

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式中，Ct為風機轉矩系數(shù)，它是葉尖速比λ的函數(shù)，與風力機結構和運行狀態(tài)相關。 輸出機械轉矩確定后，針對不同的發(fā)電機類型，不難建立發(fā)電機電能和風力機轉速仿真模型。

3 風電場仿真模型

3.1 集總建模方法

風電場通常由幾百臺甚至上千臺風力發(fā)電機組構成，涉及多種風力機型號和發(fā)電機類型，還需考慮各風力機間的相互影響，使得風電場仿真變得很復雜。

按正常思路，要建立風電場的仿真模型，需要針對風電場中的全部風力機，一一建立其仿真模型，并依據(jù)風電場實際結構關系與電網模型連接(多點接入)，形成風電場整體仿真模型。此種詳細建模方法的缺點是模型復雜，需要更多的仿真數(shù)據(jù)，運算量大，需要更長的仿真計算時間。

為解決上述問題，有人提出了風電場集總建模方法[5] 。集總模型包含兩層含義，一方面是由一個單一集總模型代替整個風電場模型，電能通過一個假想的公共接入點接入電網(單點接入);另一方面，根據(jù)風電場風力機的具體構成情況，將多個風力機的機械能或電能計算合并進行。此種方法因大幅減少了網絡節(jié)點數(shù)量，從而能夠有效地縮減電力系統(tǒng)模型規(guī)模，減少模型運算時間，缺點是模型精度有所降低。

3.2 集總風電場模型

對風電場仿真而言，另一項主要工作是建立風力發(fā)電機所接入的電網的仿真模型。電網模型與風電場風力機集總模型的有機結合形成風電場仿真模型，電網仿真模型的研究已相當成熟，在此不再贅述。

3.2.1 恒速風力機集總模型

對于特定的恒速風力機而言，風機的機械功或發(fā)電量直接取決于作用與風機葉片上的風速，不存在能量緩沖。因此，可以將全部風力機的機械功線形迭加，由一個發(fā)電機模型替代全部的恒速發(fā)電機計算電能參數(shù)。有的研究人員則將全部風力機合并成幾個更大容量的風力機對待，并相應調整發(fā)電機容量，此種處理方法實際上相當于認為多臺風力機處于相同的風速下，當然會帶來較大的誤差。

恒速風力機集總模型結構如圖5 所示，其模型建立過程簡單說明如下。

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下載附件 (16.42 KB) 圖 5 恒速風力機集總模型結構

1)根據(jù)風場多年的監(jiān)測記錄數(shù)據(jù)建立針對性的風速模型;

2)將風場布置輸入風速模型，產生各風力機的風速信號;

3)依據(jù)輸入風速，計算每臺風力機的機械功輸出;

4)累加各臺風力機的機械功輸出;

5)總機械功輸入到代替全部發(fā)電機的等效發(fā)電機模型中，計算電能參數(shù)。

3.2.2 變速風力機集總模型

變速風力機的轉子類似于能量緩沖器，風機的發(fā)電量與風速之間沒有直接對應關系，前面所述的恒速風力機集總方法不能應用于變速風力機中。因此，每臺風力機的轉子必須單獨仿真。

變速風力機集總模型的結構見圖6，其模型建立過程與變速風力機類似。

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下載附件 (17.78 KB) 圖 6 變速風力機集總模型結構

在文獻[3] 中，作者就兩種不同的建模方法(詳細建模和集總建模)所建立的風電場模型的仿真計算結果進行了對比分析，結果表明，集總風電場模型除不能客觀反映出恒速風力機系統(tǒng)在有功/無功功率和接入點電壓的脈動特性外，其仿真結果與詳細仿真模型的結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 風電場仿真機

仿真技術除用于系統(tǒng)分析研究、設計檢驗等目的外，還可用于人員培訓目的。在電力系統(tǒng)，人們習慣上將用于人員培訓目的的仿真系統(tǒng)稱為仿真機。為追求更好的培訓效果，要求仿真機具有很高的逼真度。仿真機逼真度主要體現(xiàn)在數(shù)學模型精度、人機界面逼真度和環(huán)境的相似性等幾個方面。因此，仿真機軟件具有不同于研究系統(tǒng)的特點。

4.1 電力系統(tǒng)仿真機應用現(xiàn)狀

電力工業(yè)涉及能量轉換、電力傳輸與調度等生產環(huán)節(jié)，產品具有不可見、不能直接存儲的突出特點。發(fā)供電量直接取決于不斷變動的用戶負荷，其生產工況處于不斷變化之中，有許多重大生產事故、設備故障可能多年不遇，但一旦發(fā)生緊急情況，留給運行操作人員處理的時間非常短暫，如果不能及時正確處理，后果不堪設想;再則，為了追求能量轉換與傳輸?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)更加復雜，也更難以操作與控制。因此，對崗位操作人員的素質要求很高。但由于電力工業(yè)設備昂貴，且具有連續(xù)作業(yè)的生產特點，在生產裝置上進行培訓效率低、風險大，而且無法得到事故處理等方面的培訓機會。因此，自九十年代起，電力培訓用仿真機得到了大范圍推廣與應用。目前，電力系統(tǒng)仿真機的普及率和產業(yè)化程度居各行業(yè)之首，并代表了國內仿真行業(yè)的技術水平。

1980 年代初，國內高校最先開展了火電機組仿真機的研發(fā)工作，并于1980 年代末期開始轉入實際應用。十幾年來，幾家最早生產火電機組仿真機的單位引領了國內電力仿真技術的發(fā)展方向，并直接推動了電力系統(tǒng)仿真機的普及。1990 年代中期以后，水電機組仿真機、核電機組仿真機、變電站仿真機、地區(qū)調度以及電網仿真機陸續(xù)投入使用，培訓仿真機已應用于電力生產與調度的各個環(huán)節(jié)。

據(jù)不完全統(tǒng)計，目前國內投入使用的各類型火電機組仿真機(含全范圍仿真機和原理型仿真機)在300 臺左右;變電站仿真機超過100 臺;核電仿真機雖臺數(shù)不多，但仿真機與發(fā)電機組的比例最高。絕大多數(shù)仿真機由國內企業(yè)開發(fā)生產。仿真機的使用有效解決了運行操作人員的技能訓練問題，并為提升我國電力工業(yè)的安全經濟運行水平發(fā)揮了很大的促進作用。

4.2 風電場仿真機的作用

大型風電場通常安裝幾十臺或幾百臺風力發(fā)電機組，且單機容量更大，控制系統(tǒng)也更加復雜(變速風力發(fā)電機組在低風速下具有更高的風能轉換效率，相信會得到更為廣泛的應用)，對風電場運行操作人員提出了更高的要求。考慮到我國風電系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，風電場仿真機的應用將有助于消除風電發(fā)展面臨的某些制約因素。

首先，可有效解決人才短缺問題。風電產業(yè)的快速發(fā)展直接帶動風電技術人員需求的增長，但當前的人才供應狀況不容樂觀。國內高校未設立風電專業(yè)或專業(yè)方向，風電企業(yè)只能從相關專業(yè)遴選所需的技術人員。技術人員缺乏對風電場系統(tǒng)構成與運行知識的了解，更缺乏運行操作經驗。借助仿真機，可以在較短的時間內培訓出合格的運行操作人員。

其次，可有效提高運行管理水平。技術人員可以在仿真機上開展反事故演習和不同運行方式仿真實驗，熟練掌握各種異常運行工況下的應對處理措施，進而提高實際風電場的運行水平，減少設備受損幾率，提高風電場運行的安全性和經濟性。

4.3 風電場仿真機模型組成特點

前面敘述的風力發(fā)電機組和風電場的仿真模型側重于分析研究方面的應用，若用于人員培訓，則需要在建模方法、模型覆蓋范圍等方面做出調整。主要體現(xiàn)在下述幾個方面。

4.3.1 實時模型

要求模型參數(shù)的變化在時間尺度上與實際系統(tǒng)一致。受限于計算機的運算能力，對于運算量大的模型要進行簡化處理。如電網潮流計算模型適當簡化，電磁暫態(tài)過程通常不予考慮。

4.3.2 考慮風向和季節(jié)因素

除前面討論的風速變化特性外，仿真機還需要考慮風向變化對風電機組和風電場運行的影響。同時，應選取幾個代表性季節(jié)分別仿真其風速特性，并考慮不同季節(jié)的風密度的變化。

4.3.3 更詳細的風力發(fā)電機組模型

前面提到的將風力機或發(fā)電機合并建模的方法不再適用，需要一一建立每一臺風電機組的仿真模型。實際機組的全部系統(tǒng)、運行人員在控制室能夠觀測到的全部參數(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、受力變形等參數(shù)計算的設備本體模型;

2) 偏航控制等輔助控制系統(tǒng)模型;

3) 風力機機械能計算應考慮尾流效應;

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

5) 變壓器及廠用電系統(tǒng)模型。

4.3.3 完整的人機界面仿真

出于為受訓學員提供一個真實的操作環(huán)境，以及操作員站使用培訓兩個方面的考慮，仿真機應設置多臺仿真操作員站以仿真實現(xiàn)操作員站的全部操作監(jiān)視功能。大型風電場通常分期建設，操作員站因設備供貨廠家的不同而風格各異，為此，應仿真實現(xiàn)各種不同類型的操作員站。

結論與展望

在西方發(fā)達國家，仿真技術在風力發(fā)電系統(tǒng)中得到了越來越廣泛的應用，仿真理論、方法和建模技術逐步完善，仿真技術解決了很多實際生產過程中遇到的技術問題。借鑒國外已有的研究成果，對于提高我國風電系統(tǒng)仿真技術的應用研究水平將大有幫助。本文提出了應用風電場仿真機開展人員培訓，進而解決我國風電發(fā)展面臨的人才短缺問題的建議。相信仿真技術的應用，對于提高我國風電產品的自主研發(fā)能力和風電場運行管理水平將會發(fā)揮日益重要的作用。