電力仿真解讀

2風(fēng)能及風(fēng)電機(jī)組仿真模型

與常規(guī)發(fā)電機(jī)組(如火電、水電、核電)相比，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的突出特點(diǎn)是輸入能量不受控制，這一特點(diǎn)導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在構(gòu)成上與常規(guī)發(fā)電機(jī)組有著很大的不同且呈現(xiàn)出多樣化特點(diǎn)。我們知道，常規(guī)發(fā)電機(jī)組的機(jī)械能-電能轉(zhuǎn)換裝置普遍采用同步發(fā)電機(jī)，而并網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組采用的發(fā)電機(jī)則形式多樣，如恒速恒頻同步/異步發(fā)電機(jī)、交/直/交發(fā)電機(jī)、磁場(chǎng)調(diào)制發(fā)電機(jī)、交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)等。因采用的發(fā)電機(jī)類型不同，相應(yīng)的控制系統(tǒng)區(qū)別很大，電能參數(shù)隨風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn)開(kāi)發(fā)針對(duì)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組的仿真模型總體結(jié)構(gòu)

在風(fēng)電場(chǎng)中得到廣泛應(yīng)用的恒速風(fēng)力機(jī)如圖1所示[2]，異步發(fā)電機(jī)將風(fēng)輪吸收的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速隨發(fā)電量的變化而在一定范圍內(nèi)變化，因轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)方式。

圖1恒速風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)示意圖

一種典型的變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組見(jiàn)圖2，它采用雙饋異步發(fā)電機(jī)(DFIG)。發(fā)電機(jī)的定子線圈直接與電網(wǎng)相連，轉(zhuǎn)子線圈則通過(guò)滑環(huán)和電力電子逆變器與電網(wǎng)連接。因此，當(dāng)風(fēng)速變化引起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，通過(guò)控制轉(zhuǎn)子電流的頻率，可保持定子頻率的恒定，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變速運(yùn)行。在高風(fēng)速條件下，通過(guò)調(diào)整葉片槳距限制風(fēng)力機(jī)的輸出功率。

上述兩種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的仿真模型的總體結(jié)構(gòu)分別表示在圖3和圖4中[3]，變速風(fēng)力機(jī)的控制系統(tǒng)要比恒速系統(tǒng)復(fù)雜得多，其仿真模型相應(yīng)增加了槳距角、轉(zhuǎn)速、端電壓等控制器子模型和變頻器的仿真模型。

圖2典型的雙饋發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)示意圖

圖3恒速風(fēng)力機(jī)仿真模型的總體結(jié)構(gòu)

圖4變速風(fēng)力機(jī)仿真模型的總體結(jié)構(gòu)

2.2風(fēng)能特性模型

描述風(fēng)能特性的參數(shù)主要有風(fēng)速、風(fēng)向和風(fēng)密度。風(fēng)的密度主要取決于風(fēng)機(jī)所處的地理位置，氣候變化也會(huì)產(chǎn)生一定影響，對(duì)于特定風(fēng)機(jī)而言，風(fēng)密度可以直接取自測(cè)量數(shù)據(jù)，并可以忽略密度的變化;針對(duì)研究型的仿真應(yīng)用，風(fēng)向的變動(dòng)可不予考慮，即假定風(fēng)力機(jī)一直跟蹤風(fēng)向的變化。因此，我們主要關(guān)注風(fēng)速的變化特性。

風(fēng)因大氣環(huán)流形成，風(fēng)速是一個(gè)典型的隨機(jī)變量。若不考慮風(fēng)的方向性，風(fēng)速是其空間坐標(biāo)位置和時(shí)間的函數(shù)，即v=f(x,y,z,t)。我們將描述某一區(qū)域風(fēng)速的空域、時(shí)域分布變化特性的模型又稱為風(fēng)場(chǎng)模型(WindFieldModel)。嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，各空間位置上的風(fēng)速因風(fēng)的隨機(jī)性、風(fēng)場(chǎng)地形等因素影響而各不相同，因此，要建立一個(gè)準(zhǔn)確的風(fēng)場(chǎng)模型幾乎是不可能的，需要進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化處理。