1.4 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的仿真

1.4.1 建模的基本模塊

風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)建模時(shí)，在大多情況下，可以將它表示為6個(gè)基本模塊，如圖1-2所示。這6個(gè)模塊分別為氣動(dòng)系統(tǒng)（風(fēng)輪模型）、機(jī)械系統(tǒng)（軸系模型）、發(fā)電機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)（發(fā)電機(jī)和電力電子變流器）、槳距控制系統(tǒng)、風(fēng)力機(jī)控制系統(tǒng)、風(fēng)力機(jī)保護(hù)系統(tǒng)。

圖1-2中，f為電網(wǎng)頻率；I_s、I_r分別為定子、轉(zhuǎn)子電流；U_s、U_r分別為定子、轉(zhuǎn)子電壓；P、Q分別為有功、無功功率；上標(biāo)*為參考值；T_c、T_m分別為電磁、機(jī)械轉(zhuǎn)矩；ω_t、ω_r分別為風(fēng)力機(jī)、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速；β為槳距角。

圖1-2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型框圖

1.氣動(dòng)系統(tǒng)

風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)系統(tǒng)是指風(fēng)輪（即槳葉和輪轂）。風(fēng)輪改變空氣流速，吸收空氣動(dòng)能，轉(zhuǎn)化為機(jī)械功率。風(fēng)力機(jī)的機(jī)械功率輸出取決于風(fēng)速、槳距角和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速。氣動(dòng)系統(tǒng)與機(jī)械系統(tǒng)的聯(lián)系可以用機(jī)械功率或者機(jī)械轉(zhuǎn)矩表示。

2.機(jī)械系統(tǒng)

風(fēng)力機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)由風(fēng)輪、軸、齒輪箱和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子組成。系統(tǒng)的慣量主要取決于風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子。齒輪箱的齒輪僅占相對很小的一部分，因此常忽略齒輪慣性，僅考慮其變速比。因而，機(jī)械系統(tǒng)模型通常采用軸連接的雙質(zhì)塊模型。模型中也可包含低速和高速系統(tǒng)以及慣性齒輪系統(tǒng)，但將使系統(tǒng)含有三個(gè)旋轉(zhuǎn)部分和兩個(gè)連接軸。

3.發(fā)電機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)

發(fā)電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)包含發(fā)電機(jī)及其換流器。對于定速異步電機(jī)，發(fā)電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)僅指發(fā)電機(jī)本身，多數(shù)電力系統(tǒng)仿真程序中都有異步電機(jī)模型。變速發(fā)電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)由傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)和提供轉(zhuǎn)差或解耦的電力電子設(shè)備組成，其中雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)和用全功率變流器連接的永磁同步發(fā)電機(jī)傳動(dòng)是最常用的變速發(fā)電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)。多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)仿真程序中并沒有這些模型，只有個(gè)別元件的標(biāo)準(zhǔn)模型，即異步發(fā)電機(jī)和變頻器，且缺少內(nèi)部控制系統(tǒng)模型，因而無法組成變速發(fā)電機(jī)傳動(dòng)的整體模型。

分析發(fā)電機(jī)傳動(dòng)模型的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性時(shí)，假設(shè)忽略電磁暫態(tài)，即忽略發(fā)電機(jī)定子電流的直流偏置，這意味著忽略定子繞組磁通的時(shí)間常數(shù)，使定子磁通不再是暫態(tài)模型中的狀態(tài)變量，而是動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性模型中可計(jì)算的代數(shù)變量。這樣，即可用三階和五階模型進(jìn)行計(jì)算，階數(shù)表示發(fā)電機(jī)模型中狀態(tài)變量的個(gè)數(shù)。

4.槳距控制系統(tǒng)

風(fēng)力機(jī)的氣變槳距和槳距角由槳距伺服來控制。主控制系統(tǒng)產(chǎn)生參考槳距角，槳距伺服是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)際控制風(fēng)力機(jī)槳葉旋轉(zhuǎn)到要求的角度。槳距伺服受結(jié)構(gòu)限制，葉片僅能在某物理限度內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)槳速度也有限制。

5.風(fēng)力機(jī)控制系統(tǒng)

風(fēng)力機(jī)的控制系統(tǒng)主要控制其功率和轉(zhuǎn)速。

對于恒速異步風(fēng)力機(jī)，風(fēng)輪槳距角是唯一的控制量。雖然可測的參數(shù)很多，如風(fēng)速、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和有功功率，但它們僅被用來優(yōu)化槳距角。高風(fēng)速時(shí)，控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)槳距角降低風(fēng)力機(jī)功率，使它保持在最大額定功率水平。

對于變速風(fēng)力機(jī)，除了槳距角，發(fā)電機(jī)也是可控元件，發(fā)電機(jī)瞬時(shí)有功和無功功率輸出均能受控制。變速特性把風(fēng)力機(jī)調(diào)節(jié)到最優(yōu)轉(zhuǎn)速，優(yōu)化風(fēng)能利用系數(shù)。這意味著控制系統(tǒng)必須包含速度控制系統(tǒng)和參考速度的確定方法。速度控制系統(tǒng)控制旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的機(jī)械功率，以及發(fā)電機(jī)的電氣功率，即控制旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的功率平衡也就控制了速度。因此，電氣功率控制系統(tǒng)和槳距角控制系統(tǒng)的動(dòng)作必須協(xié)調(diào)一致。

6.風(fēng)力機(jī)保護(hù)系統(tǒng)

風(fēng)力機(jī)的保護(hù)系統(tǒng)根據(jù)各種參數(shù)的實(shí)測值進(jìn)行動(dòng)作，如電壓、電流和轉(zhuǎn)速。如果電壓、電流或轉(zhuǎn)速超出限定值一定時(shí)間，就會(huì)觸發(fā)繼電器動(dòng)作。顯然，保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作將對仿真結(jié)果產(chǎn)生重要影響。

1.4.2 不同類型仿真的模型精度要求

計(jì)算機(jī)仿真時(shí)，仿真類型、模型精度和數(shù)據(jù)精度對研究結(jié)果有著顯著的影響。除了仿真目標(biāo)，必須注意到全系統(tǒng)模型的每個(gè)獨(dú)立部分，并將其分類；必須合理地平衡仿真系統(tǒng)中的所有模型（即獨(dú)立元件模型和可能的外部系統(tǒng)模型）的精度；還必須有相稱水平，即可接受的模型最小精度必須隨特定模型對考察現(xiàn)象的重要性而增加。

計(jì)算機(jī)仿真能用于研究多種不同現(xiàn)象，因此，對仿真程序、建模準(zhǔn)確性和模型數(shù)據(jù)的要求會(huì)因研究對象而有很大的不同。根據(jù)仿真目標(biāo)，應(yīng)該針對特定研究類型選擇軟件程序。

1.電磁暫態(tài)

電磁暫態(tài)用特定的電磁暫態(tài)程序仿真，這些程序能準(zhǔn)確描述所有電氣元件的相位，通常還包括可能很復(fù)雜的飽和性、行波傳播和短路電弧。通常，仿真在時(shí)域中進(jìn)行，輸出的是電壓、電流等參數(shù)的瞬時(shí)值。

電磁暫態(tài)仿真程序用于求解所有對稱的和不對稱的故障條件下的故障電流，還可以仿真電力電子設(shè)備，如高壓直流電網(wǎng)（HVDC）、靜止無功補(bǔ)償器（SVC）、靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）和電壓源變流器（VSC）等的準(zhǔn)確特性。

2.機(jī)電暫態(tài)

機(jī)電暫態(tài)一般用暫態(tài)穩(wěn)定性程序評估，仿真通常在時(shí)域進(jìn)行，輸出的是電壓、電流等參數(shù)的有效值。

暫態(tài)穩(wěn)定性程序通常需要合理的風(fēng)力機(jī)模型，它包含主要的電氣元件，即發(fā)電機(jī)、可能的電力電子設(shè)備（含基本控制）、可能的靜止無功補(bǔ)償、主控制系統(tǒng)、仿真事件中可以啟動(dòng)并投入運(yùn)行的保護(hù)系統(tǒng)、機(jī)械軸系統(tǒng)和風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的機(jī)械功率。

3.小信號穩(wěn)定性

小信號穩(wěn)定性通常是指大系統(tǒng)，如完全互聯(lián)的交流電力系統(tǒng)，在遭受小擾動(dòng)后返回穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)的穩(wěn)定能力。小信號穩(wěn)定性程序包含必要的物理系統(tǒng)模型數(shù)據(jù)和相關(guān)的控制系統(tǒng)，具有內(nèi)建模塊進(jìn)行特征值分析。目前，電力系統(tǒng)的小信號穩(wěn)定性分析中還沒有考慮過風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，因?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電機(jī)組分散在電力系統(tǒng)中，并且單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的容量比中心發(fā)電廠小幾個(gè)數(shù)量級，比總互聯(lián)電力系統(tǒng)小更多的數(shù)量級。風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)容量與風(fēng)電場總?cè)萘恐饾u增加，使風(fēng)力發(fā)電滲透率升高。此外，現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)的可控性得到了提高。因此，小信號穩(wěn)定性分析中將逐漸增加風(fēng)力發(fā)電的研究內(nèi)容。

4.風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)

風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)要考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)模型。設(shè)計(jì)過程中，風(fēng)力機(jī)本身是研究的重點(diǎn)，葉片強(qiáng)度和翼型、軸和齒輪尺寸、塔架強(qiáng)度，甚至塔架基座強(qiáng)度也都需要仔細(xì)考慮。可以借助許多能處理機(jī)械結(jié)構(gòu)的仿真工具，如CAD等；也可以借助能處理動(dòng)態(tài)特性的其他工具。

5.潮流和短路計(jì)算

潮流和短路計(jì)算都假設(shè)在穩(wěn)態(tài)進(jìn)行（即所有時(shí)間導(dǎo)數(shù)都為零）。潮流計(jì)算用于計(jì)算各種運(yùn)行條件下的節(jié)點(diǎn)電壓和節(jié)點(diǎn)間的有功功率和無功功率。短路計(jì)算用于計(jì)算電力系統(tǒng)中任意點(diǎn)的短路電流。

潮流計(jì)算時(shí)，僅需表示有功功率和無功功率的輸入量。定速異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)必須用異步發(fā)電機(jī)表示，有功功率為瞬時(shí)值，潮流計(jì)算程序根據(jù)電機(jī)阻抗計(jì)算無功功率；變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)無功功率具有可控性，可用PQ節(jié)點(diǎn)描述，或在風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)定為電壓控制模式時(shí)設(shè)為PV節(jié)點(diǎn)表示。

短路計(jì)算時(shí)，所需的風(fēng)力發(fā)電機(jī)表達(dá)式取決于所采用的發(fā)電機(jī)技術(shù)。一般地，如果臨近風(fēng)力發(fā)電機(jī)的某短路處，短路計(jì)算中就必須包含所有提供短路電流的部分。對定速風(fēng)力發(fā)電機(jī)，電機(jī)本身有適當(dāng)?shù)谋磉_(dá)式。對含雙饋發(fā)電機(jī)的變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)，短路電流由電機(jī)和部分功率變流器共同提供。對含全功率變流器的永磁直驅(qū)風(fēng)力機(jī)，發(fā)電機(jī)與交流電網(wǎng)解耦，只有變流器與電網(wǎng)連接，因此，短路電流主要由變流器決定。