用于風(fēng)力發(fā)電系統中的仿真技術(shù)

2012-10-6 09:37:45 上傳

下載附件 (15.08 KB)

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

3 風(fēng)電場(chǎng)仿真模型

3.1 集總建模方法

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

按正常思路，要建立風(fēng)電場(chǎng)的仿真模型，需要針對風(fēng)電場(chǎng)中的全部風(fēng)力機，一一建立其仿真模型，并依據風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際結構關(guān)系與電網(wǎng)模型連接(多點(diǎn)接入)，形成風(fēng)電場(chǎng)整體仿真模型。此種詳細建模方法的缺點(diǎn)是模型復雜，需要更多的仿真數據，運算量大，需要更長(cháng)的仿真計算時(shí)間。

為解決上述問(wèn)題，有人提出了風(fēng)電場(chǎng)集總建模方法[5] 。集總模型包含兩層含義，一方面是由一個(gè)單一集總模型代替整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)模型，電能通過(guò)一個(gè)假想的公共接入點(diǎn)接入電網(wǎng)(單點(diǎn)接入);另一方面，根據風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)力機的具體構成情況，將多個(gè)風(fēng)力機的機械能或電能計算合并進(jìn)行。此種方法因大幅減少了網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)數量，從而能夠有效地縮減電力系統模型規模，減少模型運算時(shí)間，缺點(diǎn)是模型精度有所降低。

3.2 集總風(fēng)電場(chǎng)模型

對風(fēng)電場(chǎng)仿真而言，另一項主要工作是建立風(fēng)力發(fā)電機所接入的電網(wǎng)的仿真模型。電網(wǎng)模型與風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)力機集總模型的有機結合形成風(fēng)電場(chǎng)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(fēng)力機集總模型

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

恒速風(fēng)力機集總模型結構如圖5 所示，其模型建立過(guò)程簡(jiǎn)單說(shuō)明如下。

2012-10-6 09:37:44 上傳

下載附件 (16.42 KB) 圖 5 恒速風(fēng)力機集總模型結構

1)根據風(fēng)場(chǎng)多年的監測記錄數據建立針對性的風(fēng)速模型;

2)將風(fēng)場(chǎng)布置輸入風(fēng)速模型，產(chǎn)生各風(fēng)力機的風(fēng)速信號;

3)依據輸入風(fēng)速，計算每臺風(fēng)力機的機械功輸出;

4)累加各臺風(fēng)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。

3.2.2 變速風(fēng)力機集總模型

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

變速風(fēng)力機集總模型的結構見(jiàn)圖6，其模型建立過(guò)程與變速風(fēng)力機類(lèi)似。

2012-10-6 09:37:43 上傳

下載附件 (17.78 KB) 圖 6 變速風(fēng)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(fēng)電場(chǎng)模型的仿真計算結果進(jìn)行了對比分析，結果表明，集總風(fēng)電場(chǎng)模型除不能客觀(guān)反映出恒速風(fēng)力機系統在有功/無(wú)功功率和接入點(diǎn)電壓的脈動(dòng)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(mǎn)足仿真研究的需要。

4 風(fēng)電場(chǎng)仿真機

仿真技術(shù)除用于系統分析研究、設計檢驗等目的外，還可用于人員培訓目的。在電力系統，人們習慣上將用于人員培訓目的的仿真系統稱(chēng)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在數學(xué)模型精度、人機界面逼真度和環(huán)境的相似性等幾個(gè)方面。因此，仿真機軟件具有不同于研究系統的特點(diǎn)。

4.1 電力系統仿真機應用現狀

電力工業(yè)涉及能量轉換、電力傳輸與調度等生產(chǎn)環(huán)節，產(chǎn)品具有不可見(jiàn)、不能直接存儲的突出特點(diǎn)。發(fā)供電量直接取決于不斷變動(dòng)的用戶(hù)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(shí)間非常短暫，如果不能及時(shí)正確處理，后果不堪設想;再則，為了追求能量轉換與傳輸的高效率，電力工業(yè)裝備向大容量、高參數方向發(fā)展，系統更加復雜，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，且具有連續作業(yè)的生產(chǎn)特點(diǎn)，在生產(chǎn)裝置上進(jìn)行培訓效率低、風(fēng)險大，而且無(wú)法得到事故處理等方面的培訓機會(huì )。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，并代表了國內仿真行業(yè)的技術(shù)水平。

1980 年代初，國內高校最先開(kāi)展了火電機組仿真機的研發(fā)工作，并于1980 年代末期開(kāi)始轉入實(shí)際應用。十幾年來(lái)，幾家最早生產(chǎn)火電機組仿真機的單位引領(lǐng)了國內電力仿真技術(shù)的發(fā)展方向，并直接推動(dòng)了電力系統仿真機的普及。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、地區調度以及電網(wǎng)仿真機陸續投入使用，培訓仿真機已應用于電力生產(chǎn)與調度的各個(gè)環(huán)節。

據不完全統計，目前國內投入使用的各類(lèi)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(guò)100 臺;核電仿真機雖臺數不多，但仿真機與發(fā)電機組的比例最高。絕大多數仿真機由國內企業(yè)開(kāi)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(wèn)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(jìn)作用。

4.2 風(fēng)電場(chǎng)仿真機的作用

大型風(fēng)電場(chǎng)通常安裝幾十臺或幾百臺風(fēng)力發(fā)電機組，且單機容量更大，控制系統也更加復雜(變速風(fēng)力發(fā)電機組在低風(fēng)速下具有更高的風(fēng)能轉換效率，相信會(huì )得到更為廣泛的應用)，對風(fēng)電場(chǎng)運行操作人員提出了更高的要求?？紤]到我國風(fēng)電系統的發(fā)展現狀，風(fēng)電場(chǎng)仿真機的應用將有助于消除風(fēng)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(wèn)題。風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展直接帶動(dòng)風(fēng)電技術(shù)人員需求的增長(cháng)，但當前的人才供應狀況不容樂(lè )觀(guān)。國內高校未設立風(fēng)電專(zhuān)業(yè)或專(zhuān)業(yè)方向，風(fēng)電企業(yè)只能從相關(guān)專(zhuān)業(yè)遴選所需的技術(shù)人員。技術(shù)人員缺乏對風(fēng)電場(chǎng)系統構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(shí)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(shù)人員可以在仿真機上開(kāi)展反事故演習和不同運行方式仿真實(shí)驗，熟練掌握各種異常運行工況下的應對處理措施，進(jìn)而提高實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)的運行水平，減少設備受損幾率，提高風(fēng)電場(chǎng)運行的安全性和經(jīng)濟性。

4.3 風(fēng)電場(chǎng)仿真機模型組成特點(diǎn)

前面敘述的風(fēng)力發(fā)電機組和風(fēng)電場(chǎng)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。主要體現在下述幾個(gè)方面。

4.3.1 實(shí)時(shí)模型

要求模型參數的變化在時(shí)間尺度上與實(shí)際系統一致。受限于計算機的運算能力，對于運算量大的模型要進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。如電網(wǎng)潮流計算模型適當簡(jiǎn)化，電磁暫態(tài)過(guò)程通常不予考慮。

4.3.2 考慮風(fēng)向和季節因素

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

4.3.3 更詳細的風(fēng)力發(fā)電機組模型

前面提到的將風(fēng)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(fēng)電機組的仿真模型。實(shí)際機組的全部系統、運行人員在控制室能夠觀(guān)測到的全部參數均在仿真之列，仿真范圍較分析研究用模型要寬得多，除圖3、圖4 表示出的子系統外，還包括：

1) 包含金屬溫度、振動(dòng)、受力變形等參數計算的設備本體模型;

2) 偏航控制等輔助控制系統模型;

3) 風(fēng)力機機械能計算應考慮尾流效應;

4) 各種輔助系統模型，如潤滑油系統、冷卻系統等;

5) 變壓器及廠(chǎng)用電系統模型。

4.3.3 完整的人機界面仿真

出于為受訓學(xué)員提供一個(gè)真實(shí)的操作環(huán)境，以及操作員站使用培訓兩個(gè)方面的考慮，仿真機應設置多臺仿真操作員站以仿真實(shí)現操作員站的全部操作監視功能。大型風(fēng)電場(chǎng)通常分期建設，操作員站因設備供貨廠(chǎng)家的不同而風(fēng)格各異，為此，應仿真實(shí)現各種不同類(lèi)型的操作員站。

結論與展望

在西方發(fā)達國家，仿真技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統中得到了越來(lái)越廣泛的應用，仿真理論、方法和建模技術(shù)逐步完善，仿真技術(shù)解決了很多實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中遇到的技術(shù)問(wèn)題。借鑒國外已有的研究成果，對于提高我國風(fēng)電系統仿真技術(shù)的應用研究水平將大有幫助。本文提出了應用風(fēng)電場(chǎng)仿真機開(kāi)展人員培訓，進(jìn)而解決我國風(fēng)電發(fā)展面臨的人才短缺問(wèn)題的建議。相信仿真技術(shù)的應用，對于提高我國風(fēng)電產(chǎn)品的自主研發(fā)能力和風(fēng)電場(chǎng)運行管理水平將會(huì )發(fā)揮日益重要的作用。