风力发电系统仿真分析技术体系研究

黄 欣， 孙雁斌

(1 广东电网公司电网规划研究中心， 广东 广州 510308； 2 中国南方电网电力调度控制中心， 广东 广州 510623)

在实际生产实践中，风力发电技术还有许多待解决的问题：在风电场运行管理方面，不同自然条件下风力发电机组的运行特性还需进一步认识；在电网调度运行方面，风能具有随机性、间歇性和不可调度性的特点，随着风电机组单机容量和风电场规模的增大，风电场接入对系统的影响也越来越明显，风电的消纳问题一直没有得到较好的解决，“弃风”现象十分突出．此外，风力发电功率的波动对电网调度的影响、风电场和风电机组的动态特性对电网稳定性的影响，也需要进一步研究．在这些研究领域中，风力发电系统仿真分析技术的应用越来越广泛[1]．本文探讨风力发电系统的仿真分析技术体系，关注体系框架中各组成部分仿真模型的建立．

1 风力发电系统仿真技术体系

1.1 风力发电系统仿真的主要内容

1.1.1风能特性仿真仿真风速随时间和空间的变化，风速仿真是风力发电系统仿真的基础．

1.1.2风力机仿真在风力的推动下，风力机的叶片转动，为风力发电机组提供转矩和动能．

1.1.3风力发电机组仿真仿真风力发电机组在风力机提供机械功率的情况下，其电气功率的输出特性．

1.1.4控制系统仿真建立控制系统的仿真模型和被控风机的仿真模型，构成一个仿真系统．仿真控制系统在各种不同自然条件和风力发电系统运行方式下的控制效果，得到满足设计和运行要求的控制系统．

1.1.5风电场仿真根据风电场的风能特性和风电机组的安装情况，建立整个风电场的仿真模型．仿真自然条件变化、某台风机运行状态变化对整个风电场运行的影响，进而分析风电站运行方式对电力系统运行的影响．

1.1.6风电场集群仿真风资源丰富地区的电网中，通常会包含很多个风电场．在电网的运行方式规划、稳定性分析等工作、研究中，需要考虑所有风电场的影响，因此需要建立风电场集群的仿真模型．在风电场集群模型中，每一个风电场都等值为电力系统中一个或几个元件．

1.2 风力发电系统仿真分析技术体系框架

风能特性仿真是对风电场自然环境的一个仿真模拟．风力机、风力发电机、控制系统的仿真，都是对单台风机的一个部分进行仿真，这三部分结合起来是对单台风机的仿真．在单台风机仿真的基础上，经过聚合、简化，形成风电场的仿真模型；对风电场进行等值，多个风电场的等值模型集合在一起，构成风电场集群的仿真模型．

在图1所示的各个仿真领域中，由于风机类型、控制策略的不同，各种控制系统差异很大．控制系统输入风机运行状态的量测信号，给出风机的控制信号，本质上是一个信息处理的模块，不是一个实际的物理系统．因此，本文将重点介绍风能特性仿真、风力机仿真、风力发电机组仿真、风电场仿真、风电场集群仿真等风力发电系统仿真分析技术体系的几个组成部分．

图 1 风力发电系统仿真分析技术体系框架图

2 风能特性仿真

风能特性仿真主要关注风速的变化特性．大时间尺度的风速变化通常无规律可循，根据风场监测记录数据拟合出风速随时间变化的近似模型，维布尔频率分布模型应用较为广泛；大多数仿真应用关注的是小时间尺度上的风速变化特性．考虑到阵风的影响，通常用四种成分的风速来模拟：基本风、阵风、渐变风和随机风[2]．基本风描述的是风电场平均风速，可以是一个常数；阵风反映风速的突变性；渐变风反映风速的渐变性；随机风反映的是风速变化的随机性，一般用随机噪声风分量表示．

综合上述四种风速成分，作用在风机上的风速可表示以上四种风速成分的叠加．风速模型可以模拟风能间歇性、随机性特点．在风电场规划中，研究风电场内各个风机之间的相互影响，需要考虑到风力机的尾流效应和风剪对风速的影响[3]．在一个风力机群内，风机之间尾流效应会导致不同位置风机的风速不同．风剪考虑了稳态平均风速随高度的变化情况．在研究风电并网对系统的影响时，风速的仿真通常不考虑尾流和风剪的影响．

3 风力机仿真

风力机模型[4]，输入风速、风力机叶片转速、桨叶节距角，由风力机的结构特性和参数得到风力机的输出转矩和输出功率．风力机主要由风轮(包括叶片和轮毂)、塔架、偏航系统等部件组成．风力机的风轮是从空气中吸收能量的，风的功率与速度的三次方成正比．风轮从风中吸收的功率可由下式表示

πR2ρv3．

式中：Pm为风轮的输出功率；Cp为风轮的功率系数；R为风轮半径；ρ为空气密度；v为风速．风力机的效率总是小于1，最大值为0.59，这就是贝兹极限，也是风轮可达到的最大效率．Cp可由下式表示

式中：λ为叶尖速比(λ=ωrR/v)；ωr为转子转速；β为桨距角．c1至c6的值视不同风机而有所不同．

风力机的基本气动方程表明，恒速风力机必须按装机地区最可能的风速来设计其最佳转速．与恒速风力机不同，双馈风力发电机转速可以连续调节以适应风速的变化．当风速变化时，调节发电机转速使叶尖速比保持基本恒定的最佳速比，此时效率达到最大值，机械功率输出高于类似的恒速风力机．

风力机的详细模型考虑了风的剪切效应(WindShear)和塔影效应(TowerShadow)等特性．风的剪切效应指叶片旋转过程中，叶片在不同高度的部位所受的风力大小不同．塔影效应指由于塔架的存在使得风功率在较小空间范围内重新分布．精确地模拟塔影效应和风的剪切效应所造成的脉动转矩较为复杂，目前风力发电系统的仿真中很少用到．

风力机和发电机通过传动机构耦合．传动机构属于刚性器件，传动机构模型[5]一般采用一阶惯性环节描述．在简化模型中，传动轴的惯量可以等效到发电机转子的转动惯量中．

4 风力发电机组仿真

风力发电系统中常见的发电机类型有笼型异步电机、双馈异步电机和直驱式同步发电机三种[6-7]．

4.1 笼型异步发电机

笼型异步发电机，即普通的异步电机用作风力发电机．异步发电机的稳态等值电路如图2所示．

图 2 笼型异步发电机稳态等值电路

4.2 双馈异步发电机模型

双馈异步发电机多了一个转子功率，其能量关系也因此有所不同．亚同步运行状态，转子从电网吸收功率；超同步运行状态，转子功率通过变换器馈入电网．稳态等值电路如图3所示．双馈异步发电机只需控制转子电压电流的幅值及相位就可以控制发电机的输出功率．发电机输出无功功率的大小取决于控制方式．常见的控制方式包括恒功率因数控制和恒电压控制，实际应用中多采用恒功率因数控制．

图 3 双馈异步发电机稳态等值电路

4.3 直驱式同步发电机

直驱式同步发电机通过变频器将同步发电机的定子绕组与电网连接起来，并将同步发电机发出的频率变化的电能转换为与电网频率相同的恒频电能．这种方案实现了变速恒频．发电机的模型由同步发电机的机电模型和变频器及控制器的模型组成．

5 风电场仿真

风电场通常由成百甚至上千台风力发电机组构成，需要考虑不同位置甚至是不同类型风机之间的相互影响．

风电场的仿真，可以认为风电场是一个小的电力系统．风电场内电力系统的规模、网架结构、电压等级都与配电网相似．风电场内的电网结构是辐射状的，通过一个联络点与大电网相连．对风电场中的每一台风机进行建模，包括风力机、风力发电机以及控制系统的模型．然后对风电场内的线路、无功补偿装置等设备进行建模．将风机和其它设备进行拓扑关联，建立风电场与电网连接点的模型，形成风电场的电力网络模型．这样的风电场模型，结合风速模型，可以仿真风电场的各种实际运行情况，用于研究风电场的运行和管理．

这种详细建模方法的模型较为复杂，数据的存储和计算量大，仿真计算时间较长．为此，有人提出了风电场集总建模方法[8]．根据风电场内风机的构成以及空间分布情况，将一些位置相邻、运行特性相似的风机合并为一个风机，用一台风机的机械功率、电气功率以及其它方面的电气特性表示这几台风机的总和．集总建模方法可以减少网络节点的数量，减小风电场电力系统模型的规模，减少仿真计算时间．相比于详细模型，集总模型的精度有所降低，可以用来仿真风电场与大电网之间的相互影响．

6 风电场集群仿真

风资源丰富地区，通常会大规模建设风电场．在电网的日常运行中，需要关注所有风电场的行为，因此需要对风电场集群进行建模仿真．

电力系统运行方式的研究中，通常将风电场中的所有风机聚合为一台等值机进行描述．风电场模型是一个简化的风力机等值模型，该模型包含了详细的控制器模型和机械系统模型．此方法的等值需要满足一定的条件，要求所有发电机是同调的(电机滑差的偏差相差不大)，以及等值后的风力机扫风面积与等值前相同．有些文献也提出用多台等值机描述一个风电场．风电场的等值模型有单机等值模型、降阶变尺度多机等值模型、参数变换单机等值模型、改进加权单机等值模型等[0]．

聚类分析可以应用于风电场的集群仿真．第一个应用是将风电场内的风力发电机进行聚类分析，以一个特定的指标(如风机转速等)对风电场内的风机进行聚类，得到风电场的多机等值模型[10]．单机等值模型则不需要对风电场内的风机进行聚类分析．其次，对于一个电力系统内的多个风电场，也可以风电场进行聚类，相似的风电场采用相同的风电场等值模型，进行稳定性分析等研究[11]．

[参考文献]

[1] 李长青,丁立新,关 哲,等.仿真技术在风力发电系统中的应用[J].电力科学与工程,2008(08):5-8.

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[11] 范国英，史坤鹏，郑太一,等.风电场集群接入系统后的聚类分析[J].电网技术,2011(11):62-66.