風力發電系統仿真分析技術體系研究

黃 欣， 孫雁斌

(1 廣東電網公司電網規劃研究中心， 廣東 廣州 510308； 2 中國南方電網電力調度控制中心， 廣東 廣州 510623)

在實際生產實踐中，風力發電技術還有許多待解決的問題：在風電場運行管理方面，不同自然條件下風力發電機組的運行特性還需進一步認識；在電網調度運行方面，風能具有隨機性、間歇性和不可調度性的特點，隨著風電機組單機容量和風電場規模的增大，風電場接入對系統的影響也越來越明顯，風電的消納問題一直沒有得到較好的解決，“棄風”現象十分突出．此外，風力發電功率的波動對電網調度的影響、風電場和風電機組的動態特性對電網穩定性的影響，也需要進一步研究．在這些研究領域中，風力發電系統仿真分析技術的應用越來越廣泛[1]．本文探討風力發電系統的仿真分析技術體系，關注體系框架中各組成部分仿真模型的建立．

1 風力發電系統仿真技術體系

1.1 風力發電系統仿真的主要內容

1.1.1風能特性仿真仿真風速隨時間和空間的變化，風速仿真是風力發電系統仿真的基礎．

1.1.2風力機仿真在風力的推動下，風力機的葉片轉動，為風力發電機組提供轉矩和動能．

1.1.3風力發電機組仿真仿真風力發電機組在風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控制系統仿真建立控制系統的仿真模型和被控風機的仿真模型，構成一個仿真系統．仿真控制系統在各種不同自然條件和風力發電系統運行方式下的控制效果，得到滿足設計和運行要求的控制系統．

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

1.1.6風電場集群仿真風資源豐富地區的電網中，通常會包含很多個風電場．在電網的運行方式規劃、穩定性分析等工作、研究中，需要考慮所有風電場的影響，因此需要建立風電場集群的仿真模型．在風電場集群模型中，每一個風電場都等值為電力系統中一個或幾個元件．

1.2 風力發電系統仿真分析技術體系框架

風能特性仿真是對風電場自然環境的一個仿真模擬．風力機、風力發電機、控制系統的仿真，都是對單臺風機的一個部分進行仿真，這三部分結合起來是對單臺風機的仿真．在單臺風機仿真的基礎上，經過聚合、簡化，形成風電場的仿真模型；對風電場進行等值，多個風電場的等值模型集合在一起，構成風電場集群的仿真模型．

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

圖 1 風力發電系統仿真分析技術體系框架圖

2 風能特性仿真

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

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

3 風力機仿真

風力機模型[4]，輸入風速、風力機葉片轉速、槳葉節距角，由風力機的結構特性和參數得到風力機的輸出轉矩和輸出功率．風力機主要由風輪(包括葉片和輪轂)、塔架、偏航系統等部件組成．風力機的風輪是從空氣中吸收能量的，風的功率與速度的三次方成正比．風輪從風中吸收的功率可由下式表示

πR2ρv3．

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

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

風力機的基本氣動方程表明，恒速風力機必須按裝機地區最可能的風速來設計其最佳轉速．與恒速風力機不同，雙饋風力發電機轉速可以連續調節以適應風速的變化．當風速變化時，調節發電機轉速使葉尖速比保持基本恒定的最佳速比，此時效率達到最大值，機械功率輸出高于類似的恒速風力機．

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

風力機和發電機通過傳動機構耦合．傳動機構屬于剛性器件，傳動機構模型[5]一般采用一階慣性環節描述．在簡化模型中，傳動軸的慣量可以等效到發電機轉子的轉動慣量中．

4 風力發電機組仿真

風力發電系統中常見的發電機類型有籠型異步電機、雙饋異步電機和直驅式同步發電機三種[6-7]．

4.1 籠型異步發電機

籠型異步發電機，即普通的異步電機用作風力發電機．異步發電機的穩態等值電路如圖2所示．

圖 2 籠型異步發電機穩態等值電路

4.2 雙饋異步發電機模型

雙饋異步發電機多了一個轉子功率，其能量關系也因此有所不同．亞同步運行狀態，轉子從電網吸收功率；超同步運行狀態，轉子功率通過變換器饋入電網．穩態等值電路如圖3所示．雙饋異步發電機只需控制轉子電壓電流的幅值及相位就可以控制發電機的輸出功率．發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控制和恒電壓控制，實際應用中多采用恒功率因數控制．

圖 3 雙饋異步發電機穩態等值電路

4.3 直驅式同步發電機

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

5 風電場仿真

風電場通常由成百甚至上千臺風力發電機組構成，需要考慮不同位置甚至是不同類型風機之間的相互影響．

風電場的仿真，可以認為風電場是一個小的電力系統．風電場內電力系統的規模、網架結構、電壓等級都與配電網相似．風電場內的電網結構是輻射狀的，通過一個聯絡點與大電網相連．對風電場中的每一臺風機進行建模，包括風力機、風力發電機以及控制系統的模型．然后對風電場內的線路、無功補償裝置等設備進行建模．將風機和其它設備進行拓撲關聯，建立風電場與電網連接點的模型，形成風電場的電力網絡模型．這樣的風電場模型，結合風速模型，可以仿真風電場的各種實際運行情況，用于研究風電場的運行和管理．

這種詳細建模方法的模型較為復雜，數據的存儲和計算量大，仿真計算時間較長．為此，有人提出了風電場集總建模方法[8]．根據風電場內風機的構成以及空間分布情況，將一些位置相鄰、運行特性相似的風機合并為一個風機，用一臺風機的機械功率、電氣功率以及其它方面的電氣特性表示這幾臺風機的總和．集總建模方法可以減少網絡節點的數量，減小風電場電力系統模型的規模，減少仿真計算時間．相比于詳細模型，集總模型的精度有所降低，可以用來仿真風電場與大電網之間的相互影響．

6 風電場集群仿真

風資源豐富地區，通常會大規模建設風電場．在電網的日常運行中，需要關注所有風電場的行為，因此需要對風電場集群進行建模仿真．

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

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

[參考文獻]

[1] 李長青,丁立新,關 哲,等.仿真技術在風力發電系統中的應用[J].電力科學與工程,2008(08):5-8.

[2] 魏毅立,韓素賢,時盛志.風力發電系統中組合風速的建模及仿真[J].可再生能源,2010(02):18-20.

[3] 張舜德,高文元,王現青,等.風場風速特性的研究[J].機械設計與制造,2010(08):150-151.

[4] 王前雙,胡育文,黃文新.風力機模擬技術綜述[J].電機與控制應用,2010(03):1-6.

[5] 王 聰,劉永前.風力發電系統的建模與仿真研究.中國電力教育,2006:125-128.

[6] 解 大,張延遲,項 真.三種風力發電機組的建模與仿真[J].能源技術,2008(6):343-349.

[7] 解 大,張延遲,盧婧婧,等.大型風電機組仿真及試驗系統Ⅱ----建模和仿真[J].實驗室研究與探索,2009(06):22-26．

[8] SlootwegJ,Kling G S,et al.Modelling wind turbines for power system dynamics simulations:an overview[J].Wind Engineering,2004,28(1):7-25．

[9] 李 輝，王荷生，趙 斌,等.風電場不同等值模型的仿真研究[J].太陽能學報,2011,(07):1 005-1 013.

[10] 米增強，蘇勛文，楊奇遜,等.風電場動態等值模型的多機表征方法[J].電工技術學報,2010,(05):162-169.

[11] 范國英，史坤鵬，鄭太一,等.風電場集群接入系統后的聚類分析[J].電網技術,2011(11):62-66.