用于風力發(fā)電系統(tǒng)中的仿真技術

2012-10-6 09:37:45 上傳

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式中，Ct為風機轉(zhuǎn)矩系數(shù)，它是葉尖速比λ的函數(shù)，與風力機結(jié)構(gòu)和運行狀態(tài)相關。 輸出機械轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(gòu)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(jié)構(gòu)關系與電網(wǎng)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(wǎng)(單點接入);另一方面，根據(jù)風電場風力機的具體構(gòu)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(wǎng)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(wǎng)的仿真模型。電網(wǎng)模型與風電場風力機集總模型的有機結(jié)合形成風電場仿真模型，電網(wǎng)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(diào)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)

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(chǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子必須單獨仿真。

變速風力機集總模型的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)

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(jié)果進行了對比分析，結(jié)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(jié)果與詳細仿真模型的結(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(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(chǎn)工況處于不斷變化之中，有許多重大生產(chǎn)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(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)更加復雜，也更難以操作與控制。因此，對崗位操作人員的素質(zhì)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(chǎn)特點，在生產(chǎn)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(chǎn)業(yè)化程度居各行業(yè)之首，并代表了國內(nèi)仿真行業(yè)的技術水平。

1980 年代初，國內(nèi)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(zhuǎn)入實際應用。十幾年來，幾家最早生產(chǎn)火電機組仿真機的單位引領了國內(nèi)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(diào)度以及電網(wǎng)仿真機陸續(xù)投入使用，培訓仿真機已應用于電力生產(chǎn)與調(diào)度的各個環(huán)節(jié)。

據(jù)不完全統(tǒng)計，目前國內(nèi)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(nèi)企業(yè)開發(fā)生產(chǎn)。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(jīng)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(zhuǎn)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?？紤]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(chǎn)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(nèi)高校未設立風電專業(yè)或?qū)I(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(gòu)成與運行知識的了解，更缺乏運行操作經(jīng)驗。借助仿真機，可以在較短的時間內(nèi)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(jīng)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(cè)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(diào)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(wǎng)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(jié)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(chǎn)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(chǎn)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。