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仿真技术在风力发电系统中的应用

导读: 本文简单介绍了仿真技术在风力发电系统的应用情况,重点分析了风速、风电机组以及风电场的建模方法和模型结构,最后结合我国风电系统发展实际,说明了应用风电场仿真机解决运行人员培训问题的重要意义。

  0 引言

  出于保护环境的考虑以及全球面临的能源短缺现状,风力发电在世界范围内得到了快速发展。随着风电行业的技术进步,风力发电成本逐步降低,在经济性上已经能够与核能发电、水力发电展开竞争。当前,我国面临电力短缺局面,在煤电占主导地位的我国电力行业,因环境承载力限制以及各种因素导致的煤炭短缺局面,煤电发展受到制约。而我国风能资源丰富,风能利用得到了政府的政策支持,风力发电产业面临前所未有的发展机遇。近几年来,我国风电产业发展势头良好,多个大型风电场处于建设或规划阶段。

  我国风电产业发展尚存在诸多制约因素。就技术层面而言,大型风力发电设备生产技术不过关,大多从国外采购或引进技术生产,研发基础薄弱;对风电机组或风电场的运行特性的研究不足,设备运行管理水平还有待提高。将仿真技术广泛应用于风力发电设备的设计、试验测试、运行分析等各个方面,将有助于加快我国风力发电技术的发展步伐,是缩小与发达国家技术差距的捷径。

  1 仿真技术在风力发电系统的应用概况

  随着风力发电在世界的广泛应用,为降低风力发电成本、提高风能利用效率,风力发电设备单机容量越来越大,同时为风机的设计制造、控制系统设计和运行等各个方面提出了更多的研究课题。传统的实物测试研究方法已不能满足发展需要,仿真技术因不受气象条件的限制,且投入低等优点,逐渐在风力发电机组的研究和测试领域得到了越来越广泛的应用。

  仿真即选取一个物理的或抽象的系统的某些行为特征,用数学模型来表示它们的过程,若用计算机求解数学模型,称为计算机仿真。通俗说来,仿真是指使用仪器设备、模型、多媒体技术,以及利用场地、环境的布置,模仿出真实系统的工作特性和环境,进而用于科学研究、工业设计、预测预报或教学训练等目的的一项综合技术。仿真若仅限于设计研究目的,则勿需仿真对象系统的环境,亦无实时仿真的必要,借助一台主流微型计算机和商业仿真软件即可开展仿真研究工作。

  1980 年代初,国外学者开始将仿真方法用于风电机组的的性能研究[1] ,其后,仿真技术在风力发电系统的应用范围逐渐拓展。目前,从风电关键设备和控制系统的设计、制造、性能测试与研究,风电机组或风电场运行分析等各个方面均有仿真技术的应用。仿真技术的应用在很大程度上替代了传统的利用实际设备开展的设计检验等手段。主要的研究方向整理如下。

  1)风能特性仿真,反映风能的位置分布和时间变化特性。风特性仿真结果将用于风力发电机组或风电场的仿真分析中,是风电仿真研究的基础。

  2)风力发电机组仿真,仿真特定风力机组在风能变化下输出电能的变化规律,分析其特性,寻找设备本身存在的不足,提供改进建议。表征电能特性的参数主要包括有功功率、无功功率、电压和频率。

  3)控制系统仿真,建立待检验的控制系统的仿真模型和控制对象的仿真模型,建立模型间的相互联系。改变仿真风电机组的风能参数或工作状态,测试在各种不同运行方式下控制系统的动作特性和工作效果,寻找控制系统设计中存在的问题,改进设计后修正仿真模型进一步验证,直到控制系统满足设计和运行要求。

  4)风电场仿真,针对特定风电场的具体风能特性和实际(或规划设计)安装的风电机组情况,建立整个风电场的仿真模型。研究风能变化、风机介入或退出系统对风电场电能特性的影响,进而分析风电场建设的可行性,分析风电场不同运行方式下对电力系统的影响,或用于运行人员培训,提高风电场运行管理水平。

  国内利用仿真技术开展风电系统研究的起步较晚,公开发表的仿真研究成果不多,尚未形成气候。近几年情况在发生变化,更多的研究人员已经将仿真技术引入风电系统的研究工作中,相信近期内将会有更多的高水平仿真研究成果发表,并能有力促进风电产业的技术进步。

 

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