2風能及風電機組仿真模型

與常規(guī)發(fā)電機組(如火電、水電、核電)相比，風力發(fā)電機組的突出特點是輸入能量不受控制，這一特點導致風力發(fā)電機組在構(gòu)成上與常規(guī)發(fā)電機組有著很大的不同且呈現(xiàn)出多樣化特點。我們知道，常規(guī)發(fā)電機組的機械能-電能轉(zhuǎn)換裝置普遍采用同步發(fā)電機，而并網(wǎng)型風電機組采用的發(fā)電機則形式多樣，如恒速恒頻同步/異步發(fā)電機、交/直/交發(fā)電機、磁場調(diào)制發(fā)電機、交流勵磁雙饋發(fā)電機等。因采用的發(fā)電機類型不同，相應的控制系統(tǒng)區(qū)別很大，電能參數(shù)隨風能變化的特性也有很大的不同。

仿真研究人員需要根據(jù)風力發(fā)電機組的特點開發(fā)針對性的仿真模型軟件。限于篇幅，本文主要介紹共性部分的仿真。

2.1典型風力發(fā)電機組的仿真模型總體結(jié)構(gòu)

在風電場中得到廣泛應用的恒速風力機如圖1所示[2]，異步發(fā)電機將風輪吸收的機械能轉(zhuǎn)化成電能，發(fā)電機轉(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恒速風力機系統(tǒng)示意圖

一種典型的變速風力發(fā)電機組見圖2，它采用雙饋異步發(fā)電機(DFIG)。發(fā)電機的定子線圈直接與電網(wǎng)相連，轉(zhuǎn)子線圈則通過滑環(huán)和電力電子逆變器與電網(wǎng)連接。因此，當風速變化引起發(fā)電機轉(zhuǎn)速變化時，通過控制轉(zhuǎn)子電流的頻率，可保持定子頻率的恒定，進而實現(xiàn)風力發(fā)電機組的變速運行。在高風速條件下，通過調(diào)整葉片槳距限制風力機的輸出功率。

上述兩種風力發(fā)電機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]，變速風力機的控制系統(tǒng)要比恒速系統(tǒng)復雜得多，其仿真模型相應增加了槳距角、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)電機組系統(tǒng)示意圖

圖3恒速風力機仿真模型的總體結(jié)構(gòu)

圖4變速風力機仿真模型的總體結(jié)構(gòu)

2.2風能特性模型

描述風能特性的參數(shù)主要有風速、風向和風密度。風的密度主要取決于風機所處的地理位置，氣候變化也會產(chǎn)生一定影響，對于特定風機而言，風密度可以直接取自測量數(shù)據(jù)，并可以忽略密度的變化;針對研究型的仿真應用，風向的變動可不予考慮，即假定風力機一直跟蹤風向的變化。因此，我們主要關(guān)注風速的變化特性。

風因大氣環(huán)流形成，風速是一個典型的隨機變量。若不考慮風的方向性，風速是其空間坐標位置和時間的函數(shù)，即v=f(x,y,z,t)。我們將描述某一區(qū)域風速的空域、時域分布變化特性的模型又稱為風場模型(WindFieldModel)。嚴格說來，各空間位置上的風速因風的隨機性、風場地形等因素影響而各不相同，因此，要建立一個準確的風場模型幾乎是不可能的，需要進行一定的簡化處理。