随着经济的发展, 环境问题引起了越来越多的关注, 风能作为清洁能源之一被大量地研究和利用^[1]。在国家政策的鼓励下, 风电的装机容量得到快速提升, 同时也带来了风电机组运行专业人才匮

乏的问题^[2]。目前, 在风电机组运行方面, 许多来自于火电等相关领域的运行专业人才没有接受过风电运行技术的系统培训; 电力集团中风电运行人才培训主要采用老员工带新员工的方式; 国内高等院校也只能依靠书本理论等学习方式, 全面系统的培训还相对匮乏。人才不足以及后续人才培养问题已经成为制约我国风力发电产业可持续发展的一个重大问题^[3]。由于风力运行人才的技术技能依赖性较强, 依靠以老带新和书本理论学习, 不能解决人才培训的问题, 因此本文提出开发风力发电机组电站仿真系统以解决风电运行技能人才培养的问题。

仿真系统以某风力发电场为对象, 开发1∶ 1风力发电机组电站系统仿真软件, 模拟风电机组变桨、偏航、电控、刹车、保护等系统及设备的运行和调节特性, 模拟风力发电场运行, 真实反映风力发电机组故障现象及处理过程的动态响应。

为了研究风力发电相关问题, 提升和改进风力发电系统的性能, 对空气动力学的研究必不可少。下面将以数学模型进行研究。

空气的质量公式为

$ m=\rho V=\rho Sv $

(1)

式中: ρ——空气密度;

V——空气体积;

S——截面积;

v——风速。

空气所包含的能量为

$ E=\frac{1}{2}m{{v}^{2}}=\frac{1}{2}\rho S{{v}^{3}} $

(2)

气流流过叶片的示意如图 1所示。假定: 理想风轮有无限多叶片, 气流流过时无阻力; 气流均匀通过叶片, 通过叶片后沿叶轴平行方向流出。

假定空气不可压缩, 即

$ {{S}_{1}}{{v}_{1}}={{S}_{2}}{{v}_{2}}={{S}_{3}}{{v}_{3}} $

(3)

风轮受力为

$ F=\rho {{S}_{2}}{{v}_{2}}\left( {{v}_{1}}-{{v}_{3}} \right) $

(4)

风轮吸收功率为

$ P=F{{v}_{2}}=\rho {{S}_{2}}v_{2}^{2}\left( {{v}_{1}}-{{v}_{3}} \right) $

(5)

上、下游空气能量减少量为

$ \text{ }\!\!\Delta\!\!\text{ }E=\frac{1}{2}\rho {{S}_{2}}{{v}_{2}}\left( v_{1}^{2}-v_{3}^{2} \right) $

(6)

由能量守恒可以得到:

$ P=\text{ }\!\!\Delta\!\!\text{ }E $

(7)

将式(5)和式(6)联立解得:

$ {{v}_{2}}=\frac{{{v}_{1}}+{{v}_{3}}}{2} $

(8)

将式(8)代入式(5)可得:

$ P=F{{v}_{2}}=\frac{1}{4}\rho {{S}_{2}}\left( {{v}_{1}}+{{v}_{3}} \right)\left( v_{1}^{2}-v_{3}^{2} \right) $

(9)

假定v₁给定, 令dP/dv₃=0, 即ρS₂v₂(v₁²-2v₁v₃-3v₃)/4=0, 解得: v₃=-v₁ (舍去); v₃=v₁/3。所以方程有唯一解: v₃=v₁/3。此时, 代入式(9)可以得到最大功率为

$ {{P}_{\max }}=\frac{8}{27}\rho {{S}_{2}}v_{1}^{3} $

(10)

风能利用系数C_p的最大值为

$ {{E}_{\text{K}1}}=\frac{1}{2}{{S}_{2}}\rho v_{1}^{3} $

(12)

将式(10)代入式(11)可得:

$ {{C}_{\text{pmax}}}=\frac{{{P}_{\max }}}{{{E}_{\text{K}1}}}=\frac{\frac{8}{27}\rho {{S}_{2}}v_{1}^{3}}{\frac{1}{2}{{S}_{2}}\rho v_{1}^{3}}=\frac{16}{27}\approx 0.593 $

一般情况下C_p都在0.45左右^[4]。实际情况中, 叶尖速比λ和桨距角β的变化也会影响风能利用系数C_p的大小, 具体公式为

$ {{C}_{p}}(\lambda , \beta )={{c}_{1}}{{\left( \frac{{{c}_{2}}}{{{\lambda }_{\text{i}}}}-{{c}_{3}}\beta -{{c}_{4}} \right)}^{-\frac{{{c}_{5}}}{{{\lambda }_{\text{i}}}}}}+{{c}_{6}}\lambda $

(13)

$ \lambda =\frac{\omega R}{v} $

(14)

$ \frac{1}{{{\lambda }_{\text{i}}}}=\frac{1}{\lambda +0.08\beta }-\frac{0.035}{{{\beta }^{3}}+1} $

(15)

式中: ω——风力机旋转角速度;

R——风力机风轮半径;

c₁, c₂, c₃, c₄, c₅, c₆——常数, 分别取0.517 6, 116, 0.4, 5, 21, 0.006 8。

将风速模型分为基本风、渐变风、阵风以及随机风的组合。假设:

基本风的风速v_b=12 m/s。

渐变风的风速公式为

$ {{v}_{\text{g}}}={{v}_{\text{gmax}}}\left( \frac{{{t}_{\text{g}1}}-t}{{{t}_{\text{g}1}}-{{t}_{\text{g}2}}} \right) $

(16)

式中: v_gmax——渐变风的最大风速;

t_g1, t_g2——渐变风的开始时间和结束时间;

t——仿真机开始运行时间。

阵风的风速公式为

$ {{v}_{\text{gu}}}=\frac{{{v}_{\text{gumax}}}}{2}\left[ 1-\cos 2\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }\left( \frac{t}{T}-\frac{{{t}_{\text{gu}1}}}{T} \right) \right] $

(17)

式中: v_gumax——阵风最大风速;

t_gu1——阵风开始时间;

T——阵风持续时间。

随机风的风速公式为

$ {{v}_{\text{n}}}=2\sum\limits_{i=1}^{N}{{{\left[ \frac{2{{K}_{\text{N}}}{{F}^{2}}\left| {{\omega }_{i}} \right|}{{{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}^{2}}{{\left[ 1-{{\left( \frac{F{{\omega }_{i}}}{\mu \text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }} \right)}^{2}} \right]}^{\frac{3}{4}}}} \right]}^{\frac{1}{2}}}}\cdot \cos \left( {{\omega }_{i}}t+{{\phi }_{i}} \right) $

(18)

$ {{\omega }_{i}}=\left( i-\frac{1}{2} \right)\Delta \omega $

(19)

式中: N——常数, 一般取50;

K_N——表面张力系数, 一般取0.004;

F——紊流尺度因子, 一般取2 000;

μ——参考高度的平均风速;

ϕ_i——起始角度;

Δω——随机风速波动的平均间距, 一般取0.5π~2π rad/s。

综上所述, 风力发电所接收到的风速可以由以上4种风速组合而成, 即

$ v={{v}_{\text{b}}}+{{v}_{\text{g}}}+{{v}_{\text{gu}}}+{{v}_{\text{n}}} $

(20)

风能是复杂高强度不稳定能源, 风的大小和方向随时可能发生变化, 所以在仿真系统上采用4种风速的组合, 更能接近真实的风速模型。风速的仿真结果如图 2所示。

风机捕获的风能为

$ {{P}_{\text{w}}}=\frac{1}{2}{{C}_{\text{p}}}\rho S{{v}^{3}} $

(21)

风机机械转矩为

$ {{T}_{\text{w}}}=\frac{\frac{1}{2}{{C}_{\text{p}}}\rho S{{v}^{3}}}{\omega } $

(22)

永磁直驱同步发电机的传动系统数学模型为^[5]

$ \frac{\text{d}{{\omega }_{\text{g}}}}{\text{d}t}=\frac{1}{{{J}_{\text{eq}}}}\left( {{T}_{\text{e}}}-{{T}_{\text{w}}}-{{B}_{\text{m}}}{{\omega }_{\text{g}}} \right) $

(23)

$ {{T}_{\text{e}}}=\frac{3}{2}{{n}_{\text{p}}}\left[ {{\psi }_{\text{f}}}{{i}_{\text{q}}}+\left( {{L}_{\text{d}}}-{{L}_{\text{q}}} \right){{i}_{\text{d}}}{{i}_{\text{q}}} \right] $

(24)

式中: ω_g——发电机转子转速;

J_eq——风力发电系统等效转动惯量;

T_e——电磁转矩;

B_m——传动系统黏滞系数;

n_p——极对数;

ψ_f——永磁体磁链;

i_d, i_q——直轴、交轴电流;

L_d, L_q——直轴、交轴电感。

风力发电系统的变桨执行机构, 可以通过控制桨距角β的大小来改变叶片对风的攻角大小, 使得风力发电系统在低风速时即可获得电能, 在高风速时控制桨距角的大小使风力发电系统运行在恒功率状态。变桨执行机构的动态方程为^[6]

$ \dot{\beta }=\frac{1}{{{T}_{\beta }}}\left( {{\beta }_{\text{r}}}-\beta \right) $

(25)

式中: T_β——时间常数;

β_r——给定的桨距角。

风电发电场有57台2.2 MW的直驱永磁型风力发电机组, 总装机容量为125.4 MW。

模拟的风电主接系统如图 3所示。其220 kV侧采用单母线接线, 包括1台220 kV容量为150 MVA的主变压器; 35 kV系统采用单母线接线, 其连接设备包括1^#SVG、母线PT、1^#主变、1^#~6^#电源进线、1^#接地场变; 400 V系统为单母线接线, 400 V场用电系统电源的设置有2路, 一路由35 kV接地场变供电, 一路由10 kV站备变供电。

多学科仿真支撑平台(Multi-subject Simulation Platform, MSP)能够为大型复杂系统的连续过程仿真提供设计、调试、数据访问、运行管理等功能^[7]。MSP的软件框架提供了多种插件支持, 通过增减插件能够方便地对平台进行功能扩展和屏蔽。本文通过MSP开发了风力发电机组电站仿真系统。

电气系统建模工具软件集可为复杂的交流和直流系统提供精确、高保真的仿真模型。它利用基尔霍夫电流定律和诺顿等效电路以及复杂的变量计算达到建立高精度仿真模型的目的。通过求解复杂网络矩阵方程, 该工具可精确地计算出电子组件之间的交互作用, 如电压、电流、频率、实电流、虚电流和总电流等参数, 实现风力系统和电气系统建模。

电气系统模块库界面如图 4所示。该界面包含所有电气系统所需要的基本模块。建模人员选择设备模块, 按照仿真对象的工艺流程进行模块的连接, 系统按照设备模块的连接关系自动生成仿真模型。电气系统模块包括通用模块、励磁同期(励磁装置)和风力发电3个分类。通用模块主要包含线缆、开关、变压器等设备模块; 励磁同期(励磁装置)主要包含火电发电机的励磁和同期等开关设备; 风力发电是进行搭建风力发电系统时所需要的模块库, 主要包含风力机、直驱永磁发电机、双馈发电机、逆变器等相关模块。该界面还包括模块的基本信息、图标/端口/网络元、算法/变量、预处理算法/变量和特性曲线。

风力发电场部分电气主接线如图 5所示。从图 5可以看出, 该电气主接线图是由电气系统模块连接组合而成的。当绘制完成电气图后进行编译仿真运行, 即可得出相应的运行状态数据。

控制系统组态建模工具软件包括建模环境和控制算法库模块。控制算法库中, 通用算法库包含了基本的控制算法模块, 诸如: 逻辑运算(如“与” “或”“非”)、模拟量计算(如“加法”“乘法”等)和控制功能(如“PID”等), 实现控制系统的建模。控制系统组态建模工具软件界面包括I/O模块、模拟函数、控制算法、逻辑运算等; 还可以查看相应的基本信息、图标、端口和端口变量、其他变量以及模块算法。

风力发电系统的报警逻辑图如图 6所示。风力发电系统在运行中会遇到各种各样的故障, 因此需要在出现故障时及时进行报警, 工作人员进行人工调整修复或者系统进行自动调整修复。图 6中显示的有机舱振动、风速、风向仪及机舱对风等总报警。这些模块通过控制系统图形化建模工具软件进行逻辑或控制运算, 实现风力发电系统的总报警功能。

图形界面显示工具提供了一个友好的图形用户界面, 生成生动逼真的系统流程图和虚拟盘台, 同时具有数字、颜色、文本与图片的动态功能。画面中的各个部件都可与相应的仿真数据相连, 从而可以在实时环境下对其进行监测、控制和测试。

通过使用图形界面显示工具进行编辑的风力发电场仿真界面如图 7所示。

该界面包括基本图形、电气标准图库等, 十分方便用户进行自定义编辑。该界面相关画面通过与变量进行关联, 还能实时显示相应的数值。例如: 每台集电线路的风机都可显示其容量、平均风速、总有功功率、总无功功率、日发电量、月发电量、故障台数等; 每台风机都可显示其发电状态、风速、功率等; 可显示电厂概况, 包括装机容量、装机台数、日发电量、月发电量、年发电量、年上网量完成率等; 还可进行状态统计, 包括正常状态、维护状态和停机状态的相应数据。

本文开发的风力发电机组电站仿真系统具有向受训人员提供参考风电机组各种运行特性的功能, 可以进行风电机组的正常工况操作、异常工况操作以及反事故演练。操作员的所有操作产生的结果响应, 都与参考系统的实际运行特性一致。

仿真系统可连续、实时地仿真参考风力发电机组的正常/异常工况运行培训。仿真系统的模型软件可通过具体的运行操作模拟机组的运行特性, 通过教练员站画面显示风电机组的运行状态和模拟量参数, 提供机组的报警和保护。

教练员站界面显示有标准工况、故障工况、题库工况、用户工况4种工况, 可以方便地加载相应工况进行操作与练习。

仿真系统可实时地仿真机组设备故障、性能下降、装置损坏和自动控制功能失灵等异常事故工况, 能仿真不同程度和渐变的故障。

故障测试管理界面如图 8所示。其中, 故障测试列表有电气故障和风机故障2类。故障测试内容包括设备的名称、状态、故障程度、延迟时间(单位: s)、距离出发时间(单位: s)、对应的变量名称、数据库值和所在的组。

一机多模指一套仿真硬件上既安装有多个仿真模型, 一套硬件又可以分为多组同时使用一套模型进行协同培训的模式。既可以单机操作, 又可以多人协同操作。

操作票功能也称任务驱动教学功能, 针对仿真操作训练, 将仿真机组的启动、停止、各种状态运行以及故障模拟操作分为若干个工作任务。对这些任务一一编写操作票, 可对每一个任务进行单独的操作培训, 还附带了自动演示、交互演示、加载工况和录制功能。在培训过程中, 采用演示、练习交替、任务驱动、目标导向的培训模式。针对学员的个人需要, 可选择不同的操作票练习, 快速提高学员的技术水平和操作能力。

400 V母线由运行转冷备用工况的操作票, 包括仿真界面、操作项目、操作顺序和操作说明。

软件提供远程网络培训的功能。用户可以在指定地点建设一个仿真机房, 机房外培训室和个人用户可以通过远程访问获得授权来进行仿真培训, 充分发挥仿真系统的功能和作用, 降低仿真培训的成本, 实现用户仿真培训的集中培训与分散培训并行, 统一考核, 集中维护的功能。

本文在分析风力发电机组电站系统特性的基础上, 开发了风力发电机组电站仿真系统软件, 使远程网络培训更加便捷, 具有重要的实用价值。

该仿真软件给学习风电场机电设备运行与维护、风力发电工程技术、风电系统运行与维护、风能与动力工程等专业的学生和电站运维人员提供了仿真操作平台, 极大地方便了对风力发电电站相关知识的学习, 为将要成为或已经成为的风电从业人员提升技能和故障分析能力奠定了基础。