作者：李長(zhǎng)青，丁立新，關(guān)哲，趙書(shū)強(qiáng)

引言

出于保護(hù)環(huán)境的考慮以及全球面臨的能源短缺現(xiàn)狀，風(fēng)力發(fā)電在世界范圍內(nèi)得到了快速發(fā)展。隨著風(fēng)電行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，風(fēng)力發(fā)電成本逐步降低，在經(jīng)濟(jì)性上已經(jīng)能夠與核能發(fā)電、水力發(fā)電展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)。當(dāng)前，我國(guó)面臨電力短缺局面，在煤電占主導(dǎo)地位的我國(guó)電力行業(yè)，因環(huán)境承載力限制以及各種因素導(dǎo)致的煤炭短缺局面，煤電發(fā)展受到制約。而我國(guó)風(fēng)能資源豐富，風(fēng)能利用得到了政府的政策支持，風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)面臨前所未有的發(fā)展機(jī)遇。近幾年來(lái)，我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢(shì)頭良好，多個(gè)大型風(fēng)電場(chǎng)處于建設(shè)或規(guī)劃階段。

我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展尚存在諸多制約因素。就技術(shù)層面而言，大型風(fēng)力發(fā)電設(shè)備生產(chǎn)技術(shù)不過(guò)關(guān)，大多從國(guó)外采購(gòu)或引進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)，研發(fā)基礎(chǔ)薄弱；對(duì)風(fēng)電機(jī)組或風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行特性的研究不足，設(shè)備運(yùn)行管理水平還有待提高。將仿真技術(shù)廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)測(cè)試、運(yùn)行分析等各個(gè)方面，將有助于加快我國(guó)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展步伐，是縮小與發(fā)達(dá)國(guó)家技術(shù)差距的捷徑。

1 仿真技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用概況

隨著風(fēng)力發(fā)電在世界的廣泛應(yīng)用，為降低風(fēng)力發(fā)電成本、提高風(fēng)能利用效率，風(fēng)力發(fā)電設(shè)備單機(jī)容量越來(lái)越大，同時(shí)為風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)制造、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行等各個(gè)方面提出了更多的研究課題。傳統(tǒng)的實(shí)物測(cè)試研究方法已不能滿足發(fā)展需要，仿真技術(shù)因不受氣象條件的限制，且投入低等優(yōu)點(diǎn)，逐漸在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的研究和測(cè)試領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

仿真即選取一個(gè)物理的或抽象的系統(tǒng)的某些行為特征，用數(shù)學(xué)模型來(lái)表示它們的過(guò)程，若用計(jì)算機(jī)求解數(shù)學(xué)模型，稱為計(jì)算機(jī)仿真。通俗說(shuō)來(lái)，仿真是指使用儀器設(shè)備、模型、多媒體技術(shù)，以及利用場(chǎng)地、環(huán)境的布置，模仿出真實(shí)系統(tǒng)的工作特性和環(huán)境，進(jìn)而用于科學(xué)研究、工業(yè)設(shè)計(jì)、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)或教學(xué)訓(xùn)練等目的的一項(xiàng)綜合技術(shù)。仿真若僅限于設(shè)計(jì)研究目的，則勿需仿真對(duì)象系統(tǒng)的環(huán)境，亦無(wú)實(shí)時(shí)仿真的必要，借助一臺(tái)主流微型計(jì)算機(jī)和商業(yè)仿真軟件即可開(kāi)展仿真研究工作。

1980 年代初，國(guó)外學(xué)者開(kāi)始將仿真方法用于風(fēng)電機(jī)組的的性能研究 ，其后，仿真技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用范圍逐漸拓展。目前，從風(fēng)電關(guān)鍵設(shè)備和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造、性能測(cè)試與研究，風(fēng)電機(jī)組或風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行分析等各個(gè)方面均有仿真技術(shù)的應(yīng)用。仿真技術(shù)的應(yīng)用在很大程度上替代了傳統(tǒng)的利用實(shí)際設(shè)備開(kāi)展的設(shè)計(jì)檢驗(yàn)等手段。主要的研究方向整理如下。

1）風(fēng)能特性仿真，反映風(fēng)能的位置分布和時(shí)間變化特性。風(fēng)特性仿真結(jié)果將用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組或風(fēng)電場(chǎng)的仿真分析中，是風(fēng)電仿真研究的基礎(chǔ)。

2）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組仿真，仿真特定風(fēng)力機(jī)組在風(fēng)能變化下輸出電能的變化規(guī)律，分析其特性，尋找設(shè)備本身存在的不足，提供改進(jìn)建議。表征電能特性的參數(shù)主要包括有功功率、無(wú)功功率、電壓和頻率。

3）控制系統(tǒng)仿真，建立待檢驗(yàn)的控制系統(tǒng)的仿真模型和控制對(duì)象的仿真模型，建立模型間的相互聯(lián)系。改變仿真風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能參數(shù)或工作狀態(tài)，測(cè)試在各種不同運(yùn)行方式下控制系統(tǒng)的動(dòng)作特性和工作效果，尋找控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，改進(jìn)設(shè)計(jì)后修正仿真模型進(jìn)一步驗(yàn)證，直到控制系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)和運(yùn)行要求。

4）風(fēng)電場(chǎng)仿真，針對(duì)特定風(fēng)電場(chǎng)的具體風(fēng)能特性和實(shí)際（或規(guī)劃設(shè)計(jì)）安裝的風(fēng)電機(jī)組情況，建立整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的仿真模型。研究風(fēng)能變化、風(fēng)機(jī)介入或退出系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)電能特性的影響，進(jìn)而分析風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的可行性，分析風(fēng)電場(chǎng)不同運(yùn)行方式下對(duì)電力系統(tǒng)的影響，或用于運(yùn)行人員培訓(xùn)，提高風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行管理水平。

國(guó)內(nèi)利用仿真技術(shù)開(kāi)展風(fēng)電系統(tǒng)研究的起步較晚，公開(kāi)發(fā)表的仿真研究成果不多，尚未形成氣候。近幾年情況在發(fā)生變化，更多的研究人員已經(jīng)將仿真技術(shù)引入風(fēng)電系統(tǒng)的研究工作中，相信近期內(nèi)將會(huì)有更多的高水平仿真研究成果發(fā)表，并能有力促進(jìn)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。

2 風(fēng)能及風(fēng)電機(jī)組仿真模型

與常規(guī)發(fā)電機(jī)組（如火電、水電、核電）相比，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的突出特點(diǎn)是輸入能量不受控制，這一特點(diǎn)導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在構(gòu)成上與常規(guī)發(fā)電機(jī)組有著很大的不同且呈現(xiàn)出多樣化特點(diǎn)。我們知道，常規(guī)發(fā)電機(jī)組的機(jī)械能-電能轉(zhuǎn)換裝置普遍采用同步發(fā)電機(jī)，而并網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組采用的發(fā)電機(jī)則形式多樣，如恒速恒頻同步/異步發(fā)電機(jī)、交/直/交發(fā)電機(jī)、磁場(chǎng)調(diào)制發(fā)電機(jī)、交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)等。因采用的發(fā)電機(jī)類型不同，相應(yīng)的控制系統(tǒng)區(qū)別很大，電能參數(shù)隨風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn)開(kāi)發(fā)針對(duì)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組的仿真模型總體結(jié)構(gòu)

在風(fēng)電場(chǎng)中得到廣泛應(yīng)用的恒速風(fēng)力機(jī)如圖1 所示，異步發(fā)電機(jī)將風(fēng)輪吸收的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能，發(fā)電機(jī)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?。?% 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(fēng)力機(jī)系統(tǒng)示意圖

一種典型的變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組見(jiàn)圖2，它采用雙饋異步發(fā)電機(jī)（DFIG）。發(fā)電機(jī)的定子線圈直接與電網(wǎng)相連，轉(zhuǎn)子線圈則通過(guò)滑環(huán)和電力電子逆變器與電網(wǎng)連接。因此，當(dāng)風(fēng)速變化引起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，通過(guò)控制轉(zhuǎn)子電流的頻率，可保持定子頻率的恒定，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變速運(yùn)行。在高風(fēng)速條件下，通過(guò)調(diào)整葉片槳距限制風(fēng)力機(jī)的輸出功率。

上述兩種風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)力機(jī)的控制系統(tǒng)要比恒速系統(tǒng)復(fù)雜得多，其仿真模型相應(yīng)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(jī)組系統(tǒng)示意圖

圖 3 恒速風(fēng)力機(jī)仿真模型的總體結(jié)構(gòu)

圖 4 變速風(fēng)力機(jī)仿真模型的總體結(jié)構(gòu)

2.2 風(fēng)能特性模型

描述風(fēng)能特性的參數(shù)主要有風(fēng)速、風(fēng)向和風(fēng)密度。風(fēng)的密度主要取決于風(fēng)機(jī)所處的地理位置，氣候變化也會(huì)產(chǎn)生一定影響，對(duì)于特定風(fēng)機(jī)而言，風(fēng)密度可以直接取自測(cè)量數(shù)據(jù)，并可以忽略密度的變化；針對(duì)研究型的仿真應(yīng)用，風(fēng)向的變動(dòng)可不予考慮，即假定風(fēng)力機(jī)一直跟蹤風(fēng)向的變化。因此，我們主要關(guān)注風(fēng)速的變化特性。

風(fēng)因大氣環(huán)流形成，風(fēng)速是一個(gè)典型的隨機(jī)變量。若不考慮風(fēng)的方向性，風(fēng)速是其空間坐標(biāo)位置和時(shí)間的函數(shù)，即v=f（x，y，z，t） 。我們將描述某一區(qū)域風(fēng)速的空域、時(shí)域分布變化特性的模型又稱為風(fēng)場(chǎng)模型（Wind Field Model）。嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，各空間位置上的風(fēng)速因風(fēng)的隨機(jī)性、風(fēng)場(chǎng)地形等因素影響而各不相同，因此，要建立一個(gè)準(zhǔn)確的風(fēng)場(chǎng)模型幾乎是不可能的，需要進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化處理。

若風(fēng)場(chǎng)的地形相對(duì)平坦，周邊空曠，則基本可以認(rèn)為在同一高度層上整個(gè)風(fēng)場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn)的風(fēng)速是相同的，這樣可以將風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速的三維空間模型簡(jiǎn)化為沿高度方向變化的一維模型。對(duì)于空間分布廣，且地形復(fù)雜的大型風(fēng)電場(chǎng)，可以將整個(gè)風(fēng)場(chǎng)劃分成幾個(gè)區(qū)域，針對(duì)不同區(qū)域的風(fēng)能特點(diǎn)建立簡(jiǎn)化的一維空間模型，形成分段集總式一維模型。風(fēng)速空域模型轉(zhuǎn)化為研究風(fēng)速沿地平面高度方向的變化規(guī)律，借助空氣動(dòng)力學(xué)理論和風(fēng)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)，模型不難建立。

在時(shí)間維度上，大時(shí)期尺度（小時(shí)、天）的風(fēng)速變化范圍很大，且沒(méi)有規(guī)律可循，只能根據(jù)風(fēng)場(chǎng)監(jiān)測(cè)記錄數(shù)據(jù)擬合出風(fēng)速變化模型。對(duì)于絕大多數(shù)仿真應(yīng)用而言，我們不太關(guān)心大時(shí)間尺度的風(fēng)速變化，而重點(diǎn)關(guān)注小時(shí)間尺度上的風(fēng)速變化特性。在小時(shí)間尺度上觀察，風(fēng)速隨時(shí)間的變化呈現(xiàn)出脈動(dòng)變化的特點(diǎn)，即風(fēng)速均值在一段時(shí)間內(nèi)基本不變，風(fēng)速在均值附近波動(dòng)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者據(jù)此提出了各種描述風(fēng)頻分布的方法，如概率分布模型、瑞利分布模型、對(duì)數(shù)正態(tài)分布模型等［1］ 。

需要說(shuō)明的是，在建立風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)各風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的仿真模型時(shí)，需要考慮到風(fēng)力機(jī)的尾流效應(yīng)，即上游風(fēng)力機(jī)對(duì)下游風(fēng)力機(jī)流入風(fēng)速的影響，影響關(guān)系和程度取決于風(fēng)向、風(fēng)速和風(fēng)機(jī)安裝位置關(guān)系，此時(shí)，風(fēng)力機(jī)的輸出機(jī)械能通常由尾流系數(shù)予以校正。

2.3 風(fēng)力機(jī)模型［4］

風(fēng)力機(jī)實(shí)際能夠獲得的機(jī)械功輸出為：

（1）

式中， R 、ρ、 v 和Cp分別為風(fēng)輪半徑、空氣密度、風(fēng)速和風(fēng)能利用系數(shù)。

Cp代表風(fēng)力機(jī)能夠從風(fēng)能中提取出機(jī)械能的程度，它取決于風(fēng)力機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài)，其數(shù)值由風(fēng)機(jī)廠家提供。Cp主要是葉尖速比λ和槳距角β的函數(shù)，即 ：Cp=f（λ，β），對(duì)于投入運(yùn)行的風(fēng)力機(jī)，葉片的潔凈程度對(duì)Cp的影響很大，譬如葉片結(jié)冰、污物聚集等會(huì)改變?nèi)~片的氣動(dòng)外型，進(jìn)而降低風(fēng)能利用系數(shù)的數(shù)值。

式中，Ct為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)，它是葉尖速比λ的函數(shù)，與風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài)相關(guān)。 輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩確定后，針對(duì)不同的發(fā)電機(jī)類型，不難建立發(fā)電機(jī)電能和風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速仿真模型。

3 風(fēng)電場(chǎng)仿真模型

3.1 集總建模方法

風(fēng)電場(chǎng)通常由幾百臺(tái)甚至上千臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組構(gòu)成，涉及多種風(fēng)力機(jī)型號(hào)和發(fā)電機(jī)類型，還需考慮各風(fēng)力機(jī)間的相互影響，使得風(fēng)電場(chǎng)仿真變得很復(fù)雜。

按正常思路，要建立風(fēng)電場(chǎng)的仿真模型，需要針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)中的全部風(fēng)力機(jī)，一一建立其仿真模型，并依據(jù)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際結(jié)構(gòu)關(guān)系與電網(wǎng)模型連接（多點(diǎn)接入），形成風(fēng)電場(chǎng)整體仿真模型。此種詳細(xì)建模方法的缺點(diǎn)是模型復(fù)雜，需要更多的仿真數(shù)據(jù)，運(yùn)算量大，需要更長(zhǎng)的仿真計(jì)算時(shí)間。

為解決上述問(wèn)題，有人提出了風(fēng)電場(chǎng)集總建模方法［5］ 。集總模型包含兩層含義，一方面是由一個(gè)單一集總模型代替整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)模型，電能通過(guò)一個(gè)假想的公共接入點(diǎn)接入電網(wǎng)（單點(diǎn)接入）；另一方面，根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)力機(jī)的具體構(gòu)成情況，將多個(gè)風(fēng)力機(jī)的機(jī)械能或電能計(jì)算合并進(jìn)行。此種方法因大幅減少了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量，從而能夠有效地縮減電力系統(tǒng)模型規(guī)模，減少模型運(yùn)算時(shí)間，缺點(diǎn)是模型精度有所降低。

3.2 集總風(fēng)電場(chǎng)模型

對(duì)風(fēng)電場(chǎng)仿真而言，另一項(xiàng)主要工作是建立風(fēng)力發(fā)電機(jī)所接入的電網(wǎng)的仿真模型。電網(wǎng)模型與風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)力機(jī)集總模型的有機(jī)結(jié)合形成風(fēng)電場(chǎng)仿真模型，電網(wǎng)仿真模型的研究已相當(dāng)成熟，在此不再贅述。

3.2.1 恒速風(fēng)力機(jī)集總模型

對(duì)于特定的恒速風(fēng)力機(jī)而言，風(fēng)機(jī)的機(jī)械功或發(fā)電量直接取決于作用與風(fēng)機(jī)葉片上的風(fēng)速，不存在能量緩沖。因此，可以將全部風(fēng)力機(jī)的機(jī)械功線形迭加，由一個(gè)發(fā)電機(jī)模型替代全部的恒速發(fā)電機(jī)計(jì)算電能參數(shù)。有的研究人員則將全部風(fēng)力機(jī)合并成幾個(gè)更大容量的風(fēng)力機(jī)對(duì)待，并相應(yīng)調(diào)整發(fā)電機(jī)容量，此種處理方法實(shí)際上相當(dāng)于認(rèn)為多臺(tái)風(fēng)力機(jī)處于相同的風(fēng)速下，當(dāng)然會(huì)帶來(lái)較大的誤差。

恒速風(fēng)力機(jī)集總模型結(jié)構(gòu)如圖5 所示，其模型建立過(guò)程簡(jiǎn)單說(shuō)明如下。

圖 5 恒速風(fēng)力機(jī)集總模型結(jié)構(gòu)

1）根據(jù)風(fēng)場(chǎng)多年的監(jiān)測(cè)記錄數(shù)據(jù)建立針對(duì)性的風(fēng)速模型；

2）將風(fēng)場(chǎng)布置輸入風(fēng)速模型，產(chǎn)生各風(fēng)力機(jī)的風(fēng)速信號(hào)；

3）依據(jù)輸入風(fēng)速，計(jì)算每臺(tái)風(fēng)力機(jī)的機(jī)械功輸出；

4）累加各臺(tái)風(fēng)力機(jī)的機(jī)械功輸出；

5）總機(jī)械功輸入到代替全部發(fā)電機(jī)的等效發(fā)電機(jī)模型中，計(jì)算電能參數(shù)。

3.2.2 變速風(fēng)力機(jī)集總模型

變速風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)子類似于能量緩沖器，風(fēng)機(jī)的發(fā)電量與風(fēng)速之間沒(méi)有直接對(duì)應(yīng)關(guān)系，前面所述的恒速風(fēng)力機(jī)集總方法不能應(yīng)用于變速風(fēng)力機(jī)中。因此，每臺(tái)風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)子必須單獨(dú)仿真。

變速風(fēng)力機(jī)集總模型的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6，其模型建立過(guò)程與變速風(fēng)力機(jī)類似。

圖 6 變速風(fēng)力機(jī)集總模型結(jié)構(gòu)

在文獻(xiàn)［3］ 中，作者就兩種不同的建模方法（詳細(xì)建模和集總建模）所建立的風(fēng)電場(chǎng)模型的仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明，集總風(fēng)電場(chǎng)模型除不能客觀反映出恒速風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)在有功/無(wú)功功率和接入點(diǎn)電壓的脈動(dòng)特性外，其仿真結(jié)果與詳細(xì)仿真模型的結(jié)果間具有高度的一致性，證明集總建模方法能夠滿足仿真研究的需要。

4 風(fēng)電場(chǎng)仿真機(jī)

仿真技術(shù)除用于系統(tǒng)分析研究、設(shè)計(jì)檢驗(yàn)等目的外，還可用于人員培訓(xùn)目的。在電力系統(tǒng)，人們習(xí)慣上將用于人員培訓(xùn)目的的仿真系統(tǒng)稱為仿真機(jī)。為追求更好的培訓(xùn)效果，要求仿真機(jī)具有很高的逼真度。仿真機(jī)逼真度主要體現(xiàn)在數(shù)學(xué)模型精度、人機(jī)界面逼真度和環(huán)境的相似性等幾個(gè)方面。因此，仿真機(jī)軟件具有不同于研究系統(tǒng)的特點(diǎn)。

4.1 電力系統(tǒng)仿真機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀

電力工業(yè)涉及能量轉(zhuǎn)換、電力傳輸與調(diào)度等生產(chǎn)環(huán)節(jié)，產(chǎn)品具有不可見(jiàn)、不能直接存儲(chǔ)的突出特點(diǎn)。發(fā)供電量直接取決于不斷變動(dòng)的用戶負(fù)荷，其生產(chǎn)工況處于不斷變化之中，有許多重大生產(chǎn)事故、設(shè)備故障可能多年不遇，但一旦發(fā)生緊急情況，留給運(yùn)行操作人員處理的時(shí)間非常短暫，如果不能及時(shí)正確處理，后果不堪設(shè)想；再則，為了追求能量轉(zhuǎn)換與傳輸?shù)母咝?，電力工業(yè)裝備向大容量、高參數(shù)方向發(fā)展，系統(tǒng)更加復(fù)雜，也更難以操作與控制。因此，對(duì)崗位操作人員的素質(zhì)要求很高。但由于電力工業(yè)設(shè)備昂貴，且具有連續(xù)作業(yè)的生產(chǎn)特點(diǎn)，在生產(chǎn)裝置上進(jìn)行培訓(xùn)效率低、風(fēng)險(xiǎn)大，而且無(wú)法得到事故處理等方面的培訓(xùn)機(jī)會(huì)。因此，自九十年代起，電力培訓(xùn)用仿真機(jī)得到了大范圍推廣與應(yīng)用。目前，電力系統(tǒng)仿真機(jī)的普及率和產(chǎn)業(yè)化程度居各行業(yè)之首，并代表了國(guó)內(nèi)仿真行業(yè)的技術(shù)水平。

1980 年代初，國(guó)內(nèi)高校最先開(kāi)展了火電機(jī)組仿真機(jī)的研發(fā)工作，并于1980 年代末期開(kāi)始轉(zhuǎn)入實(shí)際應(yīng)用。十幾年來(lái)，幾家最早生產(chǎn)火電機(jī)組仿真機(jī)的單位引領(lǐng)了國(guó)內(nèi)電力仿真技術(shù)的發(fā)展方向，并直接推動(dòng)了電力系統(tǒng)仿真機(jī)的普及。1990 年代中期以后，水電機(jī)組仿真機(jī)、核電機(jī)組仿真機(jī)、變電站仿真機(jī)、地區(qū)調(diào)度以及電網(wǎng)仿真機(jī)陸續(xù)投入使用，培訓(xùn)仿真機(jī)已應(yīng)用于電力生產(chǎn)與調(diào)度的各個(gè)環(huán)節(jié)。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前國(guó)內(nèi)投入使用的各類型火電機(jī)組仿真機(jī)（含全范圍仿真機(jī)和原理型仿真機(jī)）在300 臺(tái)左右；變電站仿真機(jī)超過(guò)100 臺(tái)；核電仿真機(jī)雖臺(tái)數(shù)不多，但仿真機(jī)與發(fā)電機(jī)組的比例最高。絕大多數(shù)仿真機(jī)由國(guó)內(nèi)企業(yè)開(kāi)發(fā)生產(chǎn)。仿真機(jī)的使用有效解決了運(yùn)行操作人員的技能訓(xùn)練問(wèn)題，并為提升我國(guó)電力工業(yè)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平發(fā)揮了很大的促進(jìn)作用。

4.2 風(fēng)電場(chǎng)仿真機(jī)的作用

大型風(fēng)電場(chǎng)通常安裝幾十臺(tái)或幾百臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，且單機(jī)容量更大，控制系統(tǒng)也更加復(fù)雜（變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在低風(fēng)速下具有更高的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率，相信會(huì)得到更為廣泛的應(yīng)用），對(duì)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行操作人員提出了更高的要求?？紤]到我國(guó)風(fēng)電系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，風(fēng)電場(chǎng)仿真機(jī)的應(yīng)用將有助于消除風(fēng)電發(fā)展面臨的某些制約因素。

首先，可有效解決人才短缺問(wèn)題。風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展直接帶動(dòng)風(fēng)電技術(shù)人員需求的增長(zhǎng)，但當(dāng)前的人才供應(yīng)狀況不容樂(lè)觀。國(guó)內(nèi)高校未設(shè)立風(fēng)電專業(yè)或?qū)I(yè)方向，風(fēng)電企業(yè)只能從相關(guān)專業(yè)遴選所需的技術(shù)人員。技術(shù)人員缺乏對(duì)風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)構(gòu)成與運(yùn)行知識(shí)的了解，更缺乏運(yùn)行操作經(jīng)驗(yàn)。借助仿真機(jī)，可以在較短的時(shí)間內(nèi)培訓(xùn)出合格的運(yùn)行操作人員。

其次，可有效提高運(yùn)行管理水平。技術(shù)人員可以在仿真機(jī)上開(kāi)展反事故演習(xí)和不同運(yùn)行方式仿真實(shí)驗(yàn)，熟練掌握各種異常運(yùn)行工況下的應(yīng)對(duì)處理措施，進(jìn)而提高實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行水平，減少設(shè)備受損幾率，提高風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

4.3 風(fēng)電場(chǎng)仿真機(jī)模型組成特點(diǎn)

前面敘述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和風(fēng)電場(chǎng)的仿真模型側(cè)重于分析研究方面的應(yīng)用，若用于人員培訓(xùn)，則需要在建模方法、模型覆蓋范圍等方面做出調(diào)整。主要體現(xiàn)在下述幾個(gè)方面。

4.3.1 實(shí)時(shí)模型

要求模型參數(shù)的變化在時(shí)間尺度上與實(shí)際系統(tǒng)一致。受限于計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力，對(duì)于運(yùn)算量大的模型要進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。如電網(wǎng)潮流計(jì)算模型適當(dāng)簡(jiǎn)化，電磁暫態(tài)過(guò)程通常不予考慮。

4.3.2 考慮風(fēng)向和季節(jié)因素

除前面討論的風(fēng)速變化特性外，仿真機(jī)還需要考慮風(fēng)向變化對(duì)風(fēng)電機(jī)組和風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的影響。同時(shí)，應(yīng)選取幾個(gè)代表性季節(jié)分別仿真其風(fēng)速特性，并考慮不同季節(jié)的風(fēng)密度的變化。

4.3.3 更詳細(xì)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模型

前面提到的將風(fēng)力機(jī)或發(fā)電機(jī)合并建模的方法不再適用，需要一一建立每一臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的仿真模型。實(shí)際機(jī)組的全部系統(tǒng)、運(yùn)行人員在控制室能夠觀測(cè)到的全部參數(shù)均在仿真之列，仿真范圍較分析研究用模型要寬得多，除圖3、圖4 表示出的子系統(tǒng)外，還包括：

1） 包含金屬溫度、振動(dòng)、受力變形等參數(shù)計(jì)算的設(shè)備本體模型；

2） 偏航控制等輔助控制系統(tǒng)模型；

3） 風(fēng)力機(jī)機(jī)械能計(jì)算應(yīng)考慮尾流效應(yīng)；

4） 各種輔助系統(tǒng)模型，如潤(rùn)滑油系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等；

5） 變壓器及廠用電系統(tǒng)模型。

4.3.3 完整的人機(jī)界面仿真

出于為受訓(xùn)學(xué)員提供一個(gè)真實(shí)的操作環(huán)境，以及操作員站使用培訓(xùn)兩個(gè)方面的考慮，仿真機(jī)應(yīng)設(shè)置多臺(tái)仿真操作員站以仿真實(shí)現(xiàn)操作員站的全部操作監(jiān)視功能。大型風(fēng)電場(chǎng)通常分期建設(shè)，操作員站因設(shè)備供貨廠家的不同而風(fēng)格各異，為此，應(yīng)仿真實(shí)現(xiàn)各種不同類型的操作員站。

結(jié)論與展望

在西方發(fā)達(dá)國(guó)家，仿真技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，仿真理論、方法和建模技術(shù)逐步完善，仿真技術(shù)解決了很多實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中遇到的技術(shù)問(wèn)題。借鑒國(guó)外已有的研究成果，對(duì)于提高我國(guó)風(fēng)電系統(tǒng)仿真技術(shù)的應(yīng)用研究水平將大有幫助。本文提出了應(yīng)用風(fēng)電場(chǎng)仿真機(jī)開(kāi)展人員培訓(xùn)，進(jìn)而解決我國(guó)風(fēng)電發(fā)展面臨的人才短缺問(wèn)題的建議。相信仿真技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)于提高我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)品的自主研發(fā)能力和風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行管理水平將會(huì)發(fā)揮日益重要的作用。

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