風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電站系統(tǒng)仿真軟件開發(fā)與應(yīng)用

馬建華, 韓獻(xiàn)科, 錢 康, 廖海平, 章 良, 馬英前, 李繼東

(1.上海上電電力運(yùn)營有限公司, 上海 202156; 2.上海電力能源科技有限公司, 上海 202156;3.上海上電電力工程有限公司, 上海 202156)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,環(huán)境問題引起了越來越多的關(guān)注,風(fēng)能作為清潔能源之一被大量地研究和利用[1]。在國家政策的鼓勵下,風(fēng)電的裝機(jī)容量得到快速提升,同時也帶來了風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行專業(yè)人才匱乏的問題[2]。目前,在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行方面,許多來自于火電等相關(guān)領(lǐng)域的運(yùn)行專業(yè)人才沒有接受過風(fēng)電運(yùn)行技術(shù)的系統(tǒng)培訓(xùn);電力集團(tuán)中風(fēng)電運(yùn)行人才培訓(xùn)主要采用老員工帶新員工的方式;國內(nèi)高等院校也只能依靠書本理論等學(xué)習(xí)方式,全面系統(tǒng)的培訓(xùn)還相對匱乏。人才不足以及后續(xù)人才培養(yǎng)問題已經(jīng)成為制約我國風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一個重大問題[3]。由于風(fēng)力運(yùn)行人才的技術(shù)技能依賴性較強(qiáng),依靠以老帶新和書本理論學(xué)習(xí),不能解決人才培訓(xùn)的問題,因此本文提出開發(fā)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電站仿真系統(tǒng)以解決風(fēng)電運(yùn)行技能人才培養(yǎng)的問題。

仿真系統(tǒng)以某風(fēng)力發(fā)電場為對象,開發(fā)1∶1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電站系統(tǒng)仿真軟件,模擬風(fēng)電機(jī)組變槳、偏航、電控、剎車、保護(hù)等系統(tǒng)及設(shè)備的運(yùn)行和調(diào)節(jié)特性,模擬風(fēng)力發(fā)電場運(yùn)行,真實反映風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障現(xiàn)象及處理過程的動態(tài)響應(yīng)。

1 風(fēng)力發(fā)電原理

1.1 風(fēng)能相關(guān)理論

為了研究風(fēng)力發(fā)電相關(guān)問題,提升和改進(jìn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的性能,對空氣動力學(xué)的研究必不可少。下面將以數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究。

空氣的質(zhì)量公式為

m=ρV=ρSv

(1)

式中:ρ——空氣密度;

V——空氣體積;

S——截面積;

v——風(fēng)速。

空氣所包含的能量為

(2)

氣流流過葉片的示意如圖1所示。假定:理想風(fēng)輪有無限多葉片,氣流流過時無阻力;氣流均勻通過葉片,通過葉片后沿葉軸平行方向流出。

圖1 氣流流過葉片的示意

假定空氣不可壓縮,即

S1v1=S2v2=S3v3

(3)

風(fēng)輪受力為

F=ρS2v2(v1-v3)

(4)

風(fēng)輪吸收功率為

(5)

上、下游空氣能量減少量為

(6)

由能量守恒可以得到:

P=ΔE

(7)

將式(5)和式(6)聯(lián)立解得:

(8)

將式(8)代入式(5)可得:

(9)

假定v1給定,令dP/dv3=0,即ρS2v2(v12-2v1v3-3v3)/4=0,解得:v3=-v1(舍去);v3=v1/3。所以方程有唯一解:v3=v1/3。此時,代入式(9)可以得到最大功率為

(10)

風(fēng)能利用系數(shù)Cp的最大值為

(11)

其中,

(12)

將式(10)代入式(11)可得:

一般情況下Cp都在0.45左右[4]。實際情況中,葉尖速比λ和槳距角β的變化也會影響風(fēng)能利用系數(shù)Cp的大小,具體公式為

(13)

(14)

(15)

式中:ω——風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度;

R——風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪半徑;

c1,c2,c3,c4,c5,c6——常數(shù),分別取0.517 6,116,0.4,5,21,0.006 8。

1.2 風(fēng)速模型

將風(fēng)速模型分為基本風(fēng)、漸變風(fēng)、陣風(fēng)以及隨機(jī)風(fēng)的組合。假設(shè):

基本風(fēng)的風(fēng)速vb=12 m/s。

漸變風(fēng)的風(fēng)速公式為

(16)

式中:vgmax——漸變風(fēng)的最大風(fēng)速;

tg1,tg2——漸變風(fēng)的開始時間和結(jié)束時間;

t——仿真機(jī)開始運(yùn)行時間。

陣風(fēng)的風(fēng)速公式為

(17)

式中:vgumax——陣風(fēng)最大風(fēng)速;

tgu1——陣風(fēng)開始時間;

T——陣風(fēng)持續(xù)時間。

隨機(jī)風(fēng)的風(fēng)速公式為

(18)

(19)

式中:N——常數(shù),一般取50;

KN——表面張力系數(shù),一般取0.004;

F——紊流尺度因子,一般取2 000;

μ——參考高度的平均風(fēng)速;

φi——起始角度;

Δω——隨機(jī)風(fēng)速波動的平均間距,一般取0.5π～2π rad/s。

綜上所述,風(fēng)力發(fā)電所接收到的風(fēng)速可以由以上4種風(fēng)速組合而成,即

v=vb+vg+vgu+vn

(20)

風(fēng)能是復(fù)雜高強(qiáng)度不穩(wěn)定能源,風(fēng)的大小和方向隨時可能發(fā)生變化,所以在仿真系統(tǒng)上采用4種風(fēng)速的組合,更能接近真實的風(fēng)速模型。風(fēng)速的仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 風(fēng)速仿真結(jié)果

1.3 風(fēng)機(jī)模型

風(fēng)機(jī)捕獲的風(fēng)能為

(21)

風(fēng)機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩為

(22)

永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)的傳動系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為[5]

(23)

(24)

式中:ωg——發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速;

Jeq——風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量;

Te——電磁轉(zhuǎn)矩;

Bm——傳動系統(tǒng)黏滯系數(shù);

np——極對數(shù);

ψf——永磁體磁鏈;

id,iq——直軸、交軸電流;

Ld,Lq——直軸、交軸電感。

1.4 變槳模型

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu),可以通過控制槳距角β的大小來改變?nèi)~片對風(fēng)的攻角大小,使得風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在低風(fēng)速時即可獲得電能,在高風(fēng)速時控制槳距角的大小使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行在恒功率狀態(tài)。變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動態(tài)方程為[6]

(25)

式中:Tβ——時間常數(shù);

βr——給定的槳距角。

2 仿真范圍

風(fēng)電發(fā)電場有57臺2.2 MW的直驅(qū)永磁型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,總裝機(jī)容量為125.4 MW。

模擬的風(fēng)電主接系統(tǒng)如圖3所示。其220 kV側(cè)采用單母線接線,包括1臺220 kV容量為150 MVA的主變壓器;35 kV系統(tǒng)采用單母線接線,其連接設(shè)備包括1#SVG、母線PT、1#主變、1#～6#電源進(jìn)線、1#接地場變;400 V系統(tǒng)為單母線接線,400 V場用電系統(tǒng)電源的設(shè)置有2路,一路由35 kV接地場變供電,一路由10 kV站備變供電。

圖3 風(fēng)電主接系統(tǒng)

3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電站系統(tǒng)仿真軟件

多學(xué)科仿真支撐平臺(Multi-subject Simulation Platform,MSP)能夠為大型復(fù)雜系統(tǒng)的連續(xù)過程仿真提供設(shè)計、調(diào)試、數(shù)據(jù)訪問、運(yùn)行管理等功能[7]。MSP的軟件框架提供了多種插件支持,通過增減插件能夠方便地對平臺進(jìn)行功能擴(kuò)展和屏蔽。本文通過MSP開發(fā)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電站仿真系統(tǒng)。

3.1 電氣系統(tǒng)建模

電氣系統(tǒng)建模工具軟件集可為復(fù)雜的交流和直流系統(tǒng)提供精確、高保真的仿真模型。它利用基爾霍夫電流定律和諾頓等效電路以及復(fù)雜的變量計算達(dá)到建立高精度仿真模型的目的。通過求解復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)矩陣方程,該工具可精確地計算出電子組件之間的交互作用,如電壓、電流、頻率、實電流、虛電流和總電流等參數(shù),實現(xiàn)風(fēng)力系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)建模。

電氣系統(tǒng)模塊庫界面如圖4所示。該界面包含所有電氣系統(tǒng)所需要的基本模塊。建模人員選擇設(shè)備模塊,按照仿真對象的工藝流程進(jìn)行模塊的連接,系統(tǒng)按照設(shè)備模塊的連接關(guān)系自動生成仿真模型。電氣系統(tǒng)模塊包括通用模塊、勵磁同期(勵磁裝置)和風(fēng)力發(fā)電3個分類。通用模塊主要包含線纜、開關(guān)、變壓器等設(shè)備模塊;勵磁同期(勵磁裝置)主要包含火電發(fā)電機(jī)的勵磁和同期等開關(guān)設(shè)備;風(fēng)力發(fā)電是進(jìn)行搭建風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)時所需要的模塊庫,主要包含風(fēng)力機(jī)、直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)、雙饋發(fā)電機(jī)、逆變器等相關(guān)模塊。該界面還包括模塊的基本信息、圖標(biāo)/端口/網(wǎng)絡(luò)元、算法/變量、預(yù)處理算法/變量和特性曲線。

圖4 電氣系統(tǒng)模塊庫界面

風(fēng)力發(fā)電場部分電氣主接線如圖5所示。從圖5可以看出,該電氣主接線圖是由電氣系統(tǒng)模塊連接組合而成的。當(dāng)繪制完成電氣圖后進(jìn)行編譯仿真運(yùn)行,即可得出相應(yīng)的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。

圖5 風(fēng)力發(fā)電場部分電氣主接線

3.2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的報警功能實現(xiàn)

控制系統(tǒng)組態(tài)建模工具軟件包括建模環(huán)境和控制算法庫模塊。控制算法庫中,通用算法庫包含了基本的控制算法模塊,諸如:邏輯運(yùn)算(如“與” “或”“非”)、模擬量計算(如“加法”“乘法”等)和控制功能(如“PID”等),實現(xiàn)控制系統(tǒng)的建模。控制系統(tǒng)組態(tài)建模工具軟件界面包括I/O模塊、模擬函數(shù)、控制算法、邏輯運(yùn)算等;還可以查看相應(yīng)的基本信息、圖標(biāo)、端口和端口變量、其他變量以及模塊算法。

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的報警邏輯圖如圖6所示。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在運(yùn)行中會遇到各種各樣的故障,因此需要在出現(xiàn)故障時及時進(jìn)行報警,工作人員進(jìn)行人工調(diào)整修復(fù)或者系統(tǒng)進(jìn)行自動調(diào)整修復(fù)。圖6中顯示的有機(jī)艙振動、風(fēng)速、風(fēng)向儀及機(jī)艙對風(fēng)等總報警。這些模塊通過控制系統(tǒng)圖形化建模工具軟件進(jìn)行邏輯或控制運(yùn)算,實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的總報警功能。

圖6 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的報警邏輯圖

3.3 風(fēng)力發(fā)電場仿真界面編輯

圖形界面顯示工具提供了一個友好的圖形用戶界面,生成生動逼真的系統(tǒng)流程圖和虛擬盤臺,同時具有數(shù)字、顏色、文本與圖片的動態(tài)功能。畫面中的各個部件都可與相應(yīng)的仿真數(shù)據(jù)相連,從而可以在實時環(huán)境下對其進(jìn)行監(jiān)測、控制和測試。

通過使用圖形界面顯示工具進(jìn)行編輯的風(fēng)力發(fā)電場仿真界面如圖7所示。

圖7 風(fēng)力發(fā)電場仿真界面

該界面包括基本圖形、電氣標(biāo)準(zhǔn)圖庫等,十分方便用戶進(jìn)行自定義編輯。該界面相關(guān)畫面通過與變量進(jìn)行關(guān)聯(lián),還能實時顯示相應(yīng)的數(shù)值。例如:每臺集電線路的風(fēng)機(jī)都可顯示其容量、平均風(fēng)速、總有功功率、總無功功率、日發(fā)電量、月發(fā)電量、故障臺數(shù)等;每臺風(fēng)機(jī)都可顯示其發(fā)電狀態(tài)、風(fēng)速、功率等;可顯示電廠概況,包括裝機(jī)容量、裝機(jī)臺數(shù)、日發(fā)電量、月發(fā)電量、年發(fā)電量、年上網(wǎng)量完成率等;還可進(jìn)行狀態(tài)統(tǒng)計,包括正常狀態(tài)、維護(hù)狀態(tài)和停機(jī)狀態(tài)的相應(yīng)數(shù)據(jù)。

4 仿真軟件功能

4.1 培訓(xùn)功能

本文開發(fā)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電站仿真系統(tǒng)具有向受訓(xùn)人員提供參考風(fēng)電機(jī)組各種運(yùn)行特性的功能,可以進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組的正常工況操作、異常工況操作以及反事故演練。操作員的所有操作產(chǎn)生的結(jié)果響應(yīng),都與參考系統(tǒng)的實際運(yùn)行特性一致。

4.1.1 正常/異常工況培訓(xùn)功能

仿真系統(tǒng)可連續(xù)、實時地仿真參考風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的正常/異常工況運(yùn)行培訓(xùn)。仿真系統(tǒng)的模型軟件可通過具體的運(yùn)行操作模擬機(jī)組的運(yùn)行特性,通過教練員站畫面顯示風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)和模擬量參數(shù),提供機(jī)組的報警和保護(hù)。

教練員站界面顯示有標(biāo)準(zhǔn)工況、故障工況、題庫工況、用戶工況4種工況,可以方便地加載相應(yīng)工況進(jìn)行操作與練習(xí)。

4.1.2 反事故演練功能

仿真系統(tǒng)可實時地仿真機(jī)組設(shè)備故障、性能下降、裝置損壞和自動控制功能失靈等異常事故工況,能仿真不同程度和漸變的故障。

故障測試管理界面如圖8所示。其中,故障測試列表有電氣故障和風(fēng)機(jī)故障2類。故障測試內(nèi)容包括設(shè)備的名稱、狀態(tài)、故障程度、延遲時間(單位:s)、距離出發(fā)時間(單位:s)、對應(yīng)的變量名稱、數(shù)據(jù)庫值和所在的組。

圖8 故障測試管理界面

4.1.3 一機(jī)多模、分組培訓(xùn)功能

一機(jī)多模指一套仿真硬件上既安裝有多個仿真模型,一套硬件又可以分為多組同時使用一套模型進(jìn)行協(xié)同培訓(xùn)的模式。既可以單機(jī)操作,又可以多人協(xié)同操作。

4.2 操作票演練功能

操作票功能也稱任務(wù)驅(qū)動教學(xué)功能,針對仿真操作訓(xùn)練,將仿真機(jī)組的啟動、停止、各種狀態(tài)運(yùn)行以及故障模擬操作分為若干個工作任務(wù)。對這些任務(wù)一一編寫操作票,可對每一個任務(wù)進(jìn)行單獨的操作培訓(xùn),還附帶了自動演示、交互演示、加載工況和錄制功能。在培訓(xùn)過程中,采用演示、練習(xí)交替、任務(wù)驅(qū)動、目標(biāo)導(dǎo)向的培訓(xùn)模式。針對學(xué)員的個人需要,可選擇不同的操作票練習(xí),快速提高學(xué)員的技術(shù)水平和操作能力。

400 V母線由運(yùn)行轉(zhuǎn)冷備用工況的操作票,包括仿真界面、操作項目、操作順序和操作說明。

4.3 遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)培訓(xùn)功能

軟件提供遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)培訓(xùn)的功能。用戶可以在指定地點建設(shè)一個仿真機(jī)房,機(jī)房外培訓(xùn)室和個人用戶可以通過遠(yuǎn)程訪問獲得授權(quán)來進(jìn)行仿真培訓(xùn),充分發(fā)揮仿真系統(tǒng)的功能和作用,降低仿真培訓(xùn)的成本,實現(xiàn)用戶仿真培訓(xùn)的集中培訓(xùn)與分散培訓(xùn)并行,統(tǒng)一考核,集中維護(hù)的功能。

5 結(jié) 語

本文在分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電站系統(tǒng)特性的基礎(chǔ)上,開發(fā)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電站仿真系統(tǒng)軟件,使遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)培訓(xùn)更加便捷,具有重要的實用價值。

該仿真軟件給學(xué)習(xí)風(fēng)電場機(jī)電設(shè)備運(yùn)行與維護(hù)、風(fēng)力發(fā)電工程技術(shù)、風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行與維護(hù)、風(fēng)能與動力工程等專業(yè)的學(xué)生和電站運(yùn)維人員提供了仿真操作平臺,極大地方便了對風(fēng)力發(fā)電電站相關(guān)知識的學(xué)習(xí),為將要成為或已經(jīng)成為的風(fēng)電從業(yè)人員提升技能和故障分析能力奠定了基礎(chǔ)。