用于风力发电系统中的仿真技术

            

        式中，Ct为风机转矩系数，它是叶尖速比λ的函数，与风力机结构和运行状态相关。 输出机械转矩确定后，针对不同的发电机类型，不难建立发电机电能和风力机转速仿真模型。
　　3 风电场仿真模型
　　3.1 集总建模方法
　　风电场通常由几百台甚至上千台风力发电机组构成，涉及多种风力机型号和发电机类型，还需考虑各风力机间的相互影响，使得风电场仿真变得很复杂。
　　按正常思路，要建立风电场的仿真模型，需要针对风电场中的全部风力机，一一建立其仿真模型，并依据风电场实际结构关系与电网模型连接（多点接入），形成风电场整体仿真模型。此种详细建模方法的缺点是模型复杂，需要更多的仿真数据，运算量大，需要更长的仿真计算时间。
　　为解决上述问题，有人提出了风电场集总建模方法[5] 。集总模型包含两层含义，一方面是由一个单一集总模型代替整个风电场模型，电能通过一个假想的公共接入点接入电网（单点接入）；另一方面，根据风电场风力机的具体构成情况，将多个风力机的机械能或电能计算合并进行。此种方法因大幅减少了网络节点数量，从而能够有效地缩减电力系统模型规模，减少模型运算时间，缺点是模型精度有所降低。
　　3.2 集总风电场模型
　　对风电场仿真而言，另一项主要工作是建立风力发电机所接入的电网的仿真模型。电网模型与风电场风力机集总模型的有机结合形成风电场仿真模型，电网仿真模型的研究已相当成熟，在此不再赘述。
　　3.2.1 恒速风力机集总模型
　　对于特定的恒速风力机而言，风机的机械功或发电量直接取决于作用与风机叶片上的风速，不存在能量缓冲。因此，可以将全部风力机的机械功线形迭加，由一个发电机模型替代全部的恒速发电机计算电能参数。有的研究人员则将全部风力机合并成几个更大容量的风力机对待，并相应调整发电机容量，此种处理方法实际上相当于认为多台风力机处于相同的风速下，当然会带来较大的误差。
　　恒速风力机集总模型结构如图5 所示，其模型建立过程简单说明如下。

图 5 恒速风力机集总模型结构

　　1）根据风场多年的监测记录数据建立针对性的风速模型；
　　2）将风场布置输入风速模型，产生各风力机的风速信号；
　　3）依据输入风速，计算每台风力机的机械功输出；
　　4）累加各台风力机的机械功输出；
　　5）总机械功输入到代替全部发电机的等效发电机模型中，计算电能参数。
　　3.2.2 变速风力机集总模型
　　变速风力机的转子类似于能量缓冲器，风机的发电量与风速之间没有直接对应关系，前面所述的恒速风力机集总方法不能应用于变速风力机中。因此，每台风力机的转子必须单独仿真。
　　变速风力机集总模型的结构见图6，其模型建立过程与变速风力机类似。

图 6 变速风力机集总模型结构

　　在文献[3] 中，作者就两种不同的建模方法（详细建模和集总建模）所建立的风电场模型的仿真计算结果进行了对比分析，结果表明，集总风电场模型除不能客观反映出恒速风力机系统在有功/无功功率和接入点电压的脉动特性外，其仿真结果与详细仿真模型的结果间具有高度的一致性，证明集总建模方法能够满足仿真研究的需要。
　　4 风电场仿真机
　　仿真技术除用于系统分析研究、设计检验等目的外，还可用于人员培训目的。在电力系统，人们习惯上将用于人员培训目的的仿真系统称为仿真机。为追求更好的培训效果，要求仿真机具有很高的逼真度。仿真机逼真度主要体现在数学模型精度、人机界面逼真度和环境的相似性等几个方面。因此，仿真机软件具有不同于研究系统的特点。
　　4.1 电力系统仿真机应用现状
　　电力工业涉及能量转换、电力传输与调度等生产环节，产品具有不可见、不能直接存储的突出特点。发供电量直接取决于不断变动的用户负荷，其生产工况处于不断变化之中，有许多重大生产事故、设备故障可能多年不遇，但一旦发生紧急情况，留给运行操作人员处理的时间非常短暂，如果不能及时正确处理，后果不堪设想；再则，为了追求能量转换与传输的高效率，电力工业装备向大容量、高参数方向发展，系统更加复杂，也更难以操作与控制。因此，对岗位操作人员的素质要求很高。但由于电力工业设备昂贵，且具有连续作业的生产特点，在生产装置上进行培训效率低、风险大，而且无法得到事故处理等方面的培训机会。因此，自九十年代起，电力培训用仿真机得到了大范围推广与应用。目前，电力系统仿真机的普及率和产业化程度居各行业之首，并代表了国内仿真行业的技术水平。
　　1980 年代初，国内高校最先开展了火电机组仿真机的研发工作，并于1980 年代末期开始转入实际应用。十几年来，几家最早生产火电机组仿真机的单位引领了国内电力仿真技术的发展方向，并直接推动了电力系统仿真机的普及。1990 年代中期以后，水电机组仿真机、核电机组仿真机、变电站仿真机、地区调度以及电网仿真机陆续投入使用，培训仿真机已应用于电力生产与调度的各个环节。
　　据不完全统计，目前国内投入使用的各类型火电机组仿真机（含全范围仿真机和原理型仿真机）在300 台左右；变电站仿真机超过100 台；核电仿真机虽台数不多，但仿真机与发电机组的比例最高。绝大多数仿真机由国内企业开发生产。仿真机的使用有效解决了运行操作人员的技能训练问题，并为提升我国电力工业的安全经济运行水平发挥了很大的促进作用。