風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真分析技術(shù)體系研究

黃 欣， 孫雁斌

(1 廣東電網(wǎng)公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心， 廣東 廣州 510308； 2 中國南方電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心， 廣東 廣州 510623)

在實際生產(chǎn)實踐中，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)還有許多待解決的問題：在風(fēng)電場運行管理方面，不同自然條件下風(fēng)力發(fā)電機組的運行特性還需進一步認(rèn)識；在電網(wǎng)調(diào)度運行方面，風(fēng)能具有隨機性、間歇性和不可調(diào)度性的特點，隨著風(fēng)電機組單機容量和風(fēng)電場規(guī)模的增大，風(fēng)電場接入對系統(tǒng)的影響也越來越明顯，風(fēng)電的消納問題一直沒有得到較好的解決，“棄風(fēng)”現(xiàn)象十分突出．此外，風(fēng)力發(fā)電功率的波動對電網(wǎng)調(diào)度的影響、風(fēng)電場和風(fēng)電機組的動態(tài)特性對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響，也需要進一步研究．在這些研究領(lǐng)域中，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真分析技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛[1]．本文探討風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的仿真分析技術(shù)體系，關(guān)注體系框架中各組成部分仿真模型的建立．

1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真技術(shù)體系

1.1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真的主要內(nèi)容

1.1.1風(fēng)能特性仿真仿真風(fēng)速隨時間和空間的變化，風(fēng)速仿真是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真的基礎(chǔ)．

1.1.2風(fēng)力機仿真在風(fēng)力的推動下，風(fēng)力機的葉片轉(zhuǎn)動，為風(fēng)力發(fā)電機組提供轉(zhuǎn)矩和動能．

1.1.3風(fēng)力發(fā)電機組仿真仿真風(fēng)力發(fā)電機組在風(fēng)力機提供機械功率的情況下，其電氣功率的輸出特性．

1.1.4控制系統(tǒng)仿真建立控制系統(tǒng)的仿真模型和被控風(fēng)機的仿真模型，構(gòu)成一個仿真系統(tǒng)．仿真控制系統(tǒng)在各種不同自然條件和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運行方式下的控制效果，得到滿足設(shè)計和運行要求的控制系統(tǒng)．

1.1.5風(fēng)電場仿真根據(jù)風(fēng)電場的風(fēng)能特性和風(fēng)電機組的安裝情況，建立整個風(fēng)電場的仿真模型．仿真自然條件變化、某臺風(fēng)機運行狀態(tài)變化對整個風(fēng)電場運行的影響，進而分析風(fēng)電站運行方式對電力系統(tǒng)運行的影響．

1.1.6風(fēng)電場集群仿真風(fēng)資源豐富地區(qū)的電網(wǎng)中，通常會包含很多個風(fēng)電場．在電網(wǎng)的運行方式規(guī)劃、穩(wěn)定性分析等工作、研究中，需要考慮所有風(fēng)電場的影響，因此需要建立風(fēng)電場集群的仿真模型．在風(fēng)電場集群模型中，每一個風(fēng)電場都等值為電力系統(tǒng)中一個或幾個元件．

1.2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真分析技術(shù)體系框架

風(fēng)能特性仿真是對風(fēng)電場自然環(huán)境的一個仿真模擬．風(fēng)力機、風(fēng)力發(fā)電機、控制系統(tǒng)的仿真，都是對單臺風(fēng)機的一個部分進行仿真，這三部分結(jié)合起來是對單臺風(fēng)機的仿真．在單臺風(fēng)機仿真的基礎(chǔ)上，經(jīng)過聚合、簡化，形成風(fēng)電場的仿真模型；對風(fēng)電場進行等值，多個風(fēng)電場的等值模型集合在一起，構(gòu)成風(fēng)電場集群的仿真模型．

在圖1所示的各個仿真領(lǐng)域中，由于風(fēng)機類型、控制策略的不同，各種控制系統(tǒng)差異很大．控制系統(tǒng)輸入風(fēng)機運行狀態(tài)的量測信號，給出風(fēng)機的控制信號，本質(zhì)上是一個信息處理的模塊，不是一個實際的物理系統(tǒng)．因此，本文將重點介紹風(fēng)能特性仿真、風(fēng)力機仿真、風(fēng)力發(fā)電機組仿真、風(fēng)電場仿真、風(fēng)電場集群仿真等風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真分析技術(shù)體系的幾個組成部分．

圖 1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真分析技術(shù)體系框架圖

2 風(fēng)能特性仿真

風(fēng)能特性仿真主要關(guān)注風(fēng)速的變化特性．大時間尺度的風(fēng)速變化通常無規(guī)律可循，根據(jù)風(fēng)場監(jiān)測記錄數(shù)據(jù)擬合出風(fēng)速隨時間變化的近似模型，維布爾頻率分布模型應(yīng)用較為廣泛；大多數(shù)仿真應(yīng)用關(guān)注的是小時間尺度上的風(fēng)速變化特性．考慮到陣風(fēng)的影響，通常用四種成分的風(fēng)速來模擬：基本風(fēng)、陣風(fēng)、漸變風(fēng)和隨機風(fēng)[2]．基本風(fēng)描述的是風(fēng)電場平均風(fēng)速，可以是一個常數(shù)；陣風(fēng)反映風(fēng)速的突變性；漸變風(fēng)反映風(fēng)速的漸變性；隨機風(fēng)反映的是風(fēng)速變化的隨機性，一般用隨機噪聲風(fēng)分量表示．

綜合上述四種風(fēng)速成分，作用在風(fēng)機上的風(fēng)速可表示以上四種風(fēng)速成分的疊加．風(fēng)速模型可以模擬風(fēng)能間歇性、隨機性特點．在風(fēng)電場規(guī)劃中，研究風(fēng)電場內(nèi)各個風(fēng)機之間的相互影響，需要考慮到風(fēng)力機的尾流效應(yīng)和風(fēng)剪對風(fēng)速的影響[3]．在一個風(fēng)力機群內(nèi)，風(fēng)機之間尾流效應(yīng)會導(dǎo)致不同位置風(fēng)機的風(fēng)速不同．風(fēng)剪考慮了穩(wěn)態(tài)平均風(fēng)速隨高度的變化情況．在研究風(fēng)電并網(wǎng)對系統(tǒng)的影響時，風(fēng)速的仿真通常不考慮尾流和風(fēng)剪的影響．

3 風(fēng)力機仿真

風(fēng)力機模型[4]，輸入風(fēng)速、風(fēng)力機葉片轉(zhuǎn)速、槳葉節(jié)距角，由風(fēng)力機的結(jié)構(gòu)特性和參數(shù)得到風(fēng)力機的輸出轉(zhuǎn)矩和輸出功率．風(fēng)力機主要由風(fēng)輪(包括葉片和輪轂)、塔架、偏航系統(tǒng)等部件組成．風(fēng)力機的風(fēng)輪是從空氣中吸收能量的，風(fēng)的功率與速度的三次方成正比．風(fēng)輪從風(fēng)中吸收的功率可由下式表示

πR2ρv3．

式中：Pm為風(fēng)輪的輸出功率；Cp為風(fēng)輪的功率系數(shù)；R為風(fēng)輪半徑；ρ為空氣密度；v為風(fēng)速．風(fēng)力機的效率總是小于1，最大值為0.59，這就是貝茲極限，也是風(fēng)輪可達(dá)到的最大效率．Cp可由下式表示

式中：λ為葉尖速比(λ=ωrR/v)；ωr為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；β為槳距角．c1至c6的值視不同風(fēng)機而有所不同．

風(fēng)力機的基本氣動方程表明，恒速風(fēng)力機必須按裝機地區(qū)最可能的風(fēng)速來設(shè)計其最佳轉(zhuǎn)速．與恒速風(fēng)力機不同，雙饋風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)速可以連續(xù)調(diào)節(jié)以適應(yīng)風(fēng)速的變化．當(dāng)風(fēng)速變化時，調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)速使葉尖速比保持基本恒定的最佳速比，此時效率達(dá)到最大值，機械功率輸出高于類似的恒速風(fēng)力機．

風(fēng)力機的詳細(xì)模型考慮了風(fēng)的剪切效應(yīng)(WindShear)和塔影效應(yīng)(TowerShadow)等特性．風(fēng)的剪切效應(yīng)指葉片旋轉(zhuǎn)過程中，葉片在不同高度的部位所受的風(fēng)力大小不同．塔影效應(yīng)指由于塔架的存在使得風(fēng)功率在較小空間范圍內(nèi)重新分布．精確地模擬塔影效應(yīng)和風(fēng)的剪切效應(yīng)所造成的脈動轉(zhuǎn)矩較為復(fù)雜，目前風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的仿真中很少用到．

風(fēng)力機和發(fā)電機通過傳動機構(gòu)耦合．傳動機構(gòu)屬于剛性器件，傳動機構(gòu)模型[5]一般采用一階慣性環(huán)節(jié)描述．在簡化模型中，傳動軸的慣量可以等效到發(fā)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量中．

4 風(fēng)力發(fā)電機組仿真

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中常見的發(fā)電機類型有籠型異步電機、雙饋異步電機和直驅(qū)式同步發(fā)電機三種[6-7]．

4.1 籠型異步發(fā)電機

籠型異步發(fā)電機，即普通的異步電機用作風(fēng)力發(fā)電機．異步發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)等值電路如圖2所示．

圖 2 籠型異步發(fā)電機穩(wěn)態(tài)等值電路

4.2 雙饋異步發(fā)電機模型

雙饋異步發(fā)電機多了一個轉(zhuǎn)子功率，其能量關(guān)系也因此有所不同．亞同步運行狀態(tài)，轉(zhuǎn)子從電網(wǎng)吸收功率；超同步運行狀態(tài)，轉(zhuǎn)子功率通過變換器饋入電網(wǎng)．穩(wěn)態(tài)等值電路如圖3所示．雙饋異步發(fā)電機只需控制轉(zhuǎn)子電壓電流的幅值及相位就可以控制發(fā)電機的輸出功率．發(fā)電機輸出無功功率的大小取決于控制方式．常見的控制方式包括恒功率因數(shù)控制和恒電壓控制，實際應(yīng)用中多采用恒功率因數(shù)控制．

圖 3 雙饋異步發(fā)電機穩(wěn)態(tài)等值電路

4.3 直驅(qū)式同步發(fā)電機

直驅(qū)式同步發(fā)電機通過變頻器將同步發(fā)電機的定子繞組與電網(wǎng)連接起來，并將同步發(fā)電機發(fā)出的頻率變化的電能轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)頻率相同的恒頻電能．這種方案實現(xiàn)了變速恒頻．發(fā)電機的模型由同步發(fā)電機的機電模型和變頻器及控制器的模型組成．

5 風(fēng)電場仿真

風(fēng)電場通常由成百甚至上千臺風(fēng)力發(fā)電機組構(gòu)成，需要考慮不同位置甚至是不同類型風(fēng)機之間的相互影響．

風(fēng)電場的仿真，可以認(rèn)為風(fēng)電場是一個小的電力系統(tǒng)．風(fēng)電場內(nèi)電力系統(tǒng)的規(guī)模、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、電壓等級都與配電網(wǎng)相似．風(fēng)電場內(nèi)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)是輻射狀的，通過一個聯(lián)絡(luò)點與大電網(wǎng)相連．對風(fēng)電場中的每一臺風(fēng)機進行建模，包括風(fēng)力機、風(fēng)力發(fā)電機以及控制系統(tǒng)的模型．然后對風(fēng)電場內(nèi)的線路、無功補償裝置等設(shè)備進行建模．將風(fēng)機和其它設(shè)備進行拓?fù)潢P(guān)聯(lián)，建立風(fēng)電場與電網(wǎng)連接點的模型，形成風(fēng)電場的電力網(wǎng)絡(luò)模型．這樣的風(fēng)電場模型，結(jié)合風(fēng)速模型，可以仿真風(fēng)電場的各種實際運行情況，用于研究風(fēng)電場的運行和管理．

這種詳細(xì)建模方法的模型較為復(fù)雜，數(shù)據(jù)的存儲和計算量大，仿真計算時間較長．為此，有人提出了風(fēng)電場集總建模方法[8]．根據(jù)風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)機的構(gòu)成以及空間分布情況，將一些位置相鄰、運行特性相似的風(fēng)機合并為一個風(fēng)機，用一臺風(fēng)機的機械功率、電氣功率以及其它方面的電氣特性表示這幾臺風(fēng)機的總和．集總建模方法可以減少網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的數(shù)量，減小風(fēng)電場電力系統(tǒng)模型的規(guī)模，減少仿真計算時間．相比于詳細(xì)模型，集總模型的精度有所降低，可以用來仿真風(fēng)電場與大電網(wǎng)之間的相互影響．

6 風(fēng)電場集群仿真

風(fēng)資源豐富地區(qū)，通常會大規(guī)模建設(shè)風(fēng)電場．在電網(wǎng)的日常運行中，需要關(guān)注所有風(fēng)電場的行為，因此需要對風(fēng)電場集群進行建模仿真．

電力系統(tǒng)運行方式的研究中，通常將風(fēng)電場中的所有風(fēng)機聚合為一臺等值機進行描述．風(fēng)電場模型是一個簡化的風(fēng)力機等值模型，該模型包含了詳細(xì)的控制器模型和機械系統(tǒng)模型．此方法的等值需要滿足一定的條件，要求所有發(fā)電機是同調(diào)的(電機滑差的偏差相差不大)，以及等值后的風(fēng)力機掃風(fēng)面積與等值前相同．有些文獻(xiàn)也提出用多臺等值機描述一個風(fēng)電場．風(fēng)電場的等值模型有單機等值模型、降階變尺度多機等值模型、參數(shù)變換單機等值模型、改進加權(quán)單機等值模型等[0]．

聚類分析可以應(yīng)用于風(fēng)電場的集群仿真．第一個應(yīng)用是將風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)力發(fā)電機進行聚類分析，以一個特定的指標(biāo)(如風(fēng)機轉(zhuǎn)速等)對風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)機進行聚類，得到風(fēng)電場的多機等值模型[10]．單機等值模型則不需要對風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)機進行聚類分析．其次，對于一個電力系統(tǒng)內(nèi)的多個風(fēng)電場，也可以風(fēng)電場進行聚類，相似的風(fēng)電場采用相同的風(fēng)電場等值模型，進行穩(wěn)定性分析等研究[11]．

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