仿真技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　0 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，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)模型來表示它們的過程，若用計(jì)算機(jī)求解數(shù)學(xué)模型，稱為計(jì)算機(jī)仿真。通俗說來，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)仿真軟件即可開展仿真研究工作。

　　1980 年代初，國(guó)外學(xué)者開始將仿真方法用于風(fēng)電機(jī)組的的性能研究[1] ，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)開展風(fēng)電系統(tǒng)研究的起步較晚，公開發(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。