电力仿真解读

2风能及风电机组仿真模型

与常规发电机组(如火电、水电、核电)相比，风力发电机组的突出特点是输入能量不受控制，这一特点导致风力发电机组在构成上与常规发电机组有着很大的不同且呈现出多样化特点。我们知道，常规发电机组的机械能-电能转换装置普遍采用同步发电机，而并网型风电机组采用的发电机则形式多样，如恒速恒频同步/异步发电机、交/直/交发电机、磁场调制发电机、交流励磁双馈发电机等。因采用的发电机类型不同，相应的控制系统区别很大，电能参数随风能变化的特性也有很大的不同。

仿真研究人员需要根据风力发电机组的特点开发针对性的仿真模型软件。限于篇幅，本文主要介绍共性部分的仿真。

2.1典型风力发电机组的仿真模型总体结构

在风电场中得到广泛应用的恒速风力机如图1所示[2]，异步发电机将风轮吸收的机械能转化成电能，发电机转速随发电量的变化而在一定范围内变化，因转速变化范围很小(1%左右)，通常称为恒速系统。恒速系统通常选用失速型调节方式。

图1恒速风力机系统示意图

一种典型的变速风力发电机组见图2，它采用双馈异步发电机(DFIG)。发电机的定子线圈直接与电网相连，转子线圈则通过滑环和电力电子逆变器与电网连接。因此，当风速变化引起发电机转速变化时，通过控制转子电流的频率，可保持定子频率的恒定，进而实现风力发电机组的变速运行。在高风速条件下，通过调整叶片桨距限制风力机的输出功率。

上述两种风力发电机组的仿真模型的总体结构分别表示在图3和图4中[3]，变速风力机的控制系统要比恒速系统复杂得多，其仿真模型相应增加了桨距角、转速、端电压等控制器子模型和变频器的仿真模型。

图2典型的双馈发电机组系统示意图

图3恒速风力机仿真模型的总体结构

图4变速风力机仿真模型的总体结构

2.2风能特性模型

描述风能特性的参数主要有风速、风向和风密度。风的密度主要取决于风机所处的地理位置，气候变化也会产生一定影响，对于特定风机而言，风密度可以直接取自测量数据，并可以忽略密度的变化;针对研究型的仿真应用，风向的变动可不予考虑，即假定风力机一直跟踪风向的变化。因此，我们主要关注风速的变化特性。

风因大气环流形成，风速是一个典型的随机变量。若不考虑风的方向性，风速是其空间坐标位置和时间的函数，即v=f(x,y,z,t)。我们将描述某一区域风速的空域、时域分布变化特性的模型又称为风场模型(WindFieldModel)。严格说来，各空间位置上的风速因风的随机性、风场地形等因素影响而各不相同，因此，要建立一个准确的风场模型几乎是不可能的，需要进行一定的简化处理。