郭帥

摘 要：隨著社會(huì)的不斷的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，世界上逐漸廣泛的開(kāi)發(fā)風(fēng)電資源，其具有較廣的分布，但是同時(shí)具有很多的缺點(diǎn)，對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)造成不利影響。因此文章對(duì)風(fēng)電場(chǎng)建模及其對(duì)電力系統(tǒng)的影響進(jìn)行了具體的分析。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電場(chǎng)模型；電力系統(tǒng)；影響

中圖分類(lèi)號(hào)：TM7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）28-0180-02

前言

可再生資源里包括風(fēng)電資源，較廣的分布和相對(duì)成熟的開(kāi)發(fā)技術(shù)是其主要的特點(diǎn)。風(fēng)電與環(huán)境具有明顯的友好性，這是其主要的優(yōu)勢(shì)，但是同時(shí)其也具有明顯的缺點(diǎn)，輸出電力的平穩(wěn)性受到其隨機(jī)性和間接性的影響，從而對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和發(fā)電的正常運(yùn)行造成不利影響[1]。因此具體研究風(fēng)電模型及其對(duì)電力系統(tǒng)的影響具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 風(fēng)電場(chǎng)模型的論述

1.1 風(fēng)力發(fā)電組動(dòng)態(tài)建模

1.1.1 風(fēng)的統(tǒng)計(jì)理論和風(fēng)速建模

在風(fēng)力發(fā)電過(guò)程中將風(fēng)作為主要的動(dòng)力。風(fēng)向和風(fēng)速、間接性、不可預(yù)測(cè)性和隨機(jī)性是風(fēng)的自然特性。風(fēng)力發(fā)電機(jī)建模的重要組成部分之一是風(fēng)向與風(fēng)速的建模。在研究風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，人們對(duì)風(fēng)速的特性更加重視，其中Weibull是風(fēng)速描述中經(jīng)常見(jiàn)的分布，其分布函數(shù)主要是：

Fw（V）=1-exp（-VIC）k

其中C、k、V分別是尺度參數(shù)、形狀參數(shù)和風(fēng)速。

當(dāng)前在簡(jiǎn)單的模擬計(jì)算中適合這種模型，造成這種現(xiàn)象的主要原因是其沒(méi)有將陣風(fēng)分量參數(shù)的方法確定下來(lái)。一般平均風(fēng)速與湍流分量相疊加的風(fēng)速模型是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究中主要使用的[2]。在該模型中風(fēng)速的均值可以在一分鐘到十分鐘內(nèi)保持不變，內(nèi)由湍流分量提供風(fēng)速的變化情況。

1.1.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的建模

風(fēng)力機(jī)、發(fā)電機(jī)、相應(yīng)控制系統(tǒng)的4個(gè)模塊和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是典型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要包括的內(nèi)容。復(fù)雜性是風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，所以在模型中人們對(duì)風(fēng)速與機(jī)械出力的關(guān)系更加重視，其中通過(guò)推導(dǎo)理論得到風(fēng)能-機(jī)械能的傳遞公式是經(jīng)常見(jiàn)到的處理方式。

風(fēng)力機(jī)、低速軸和高速軸是組成風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的主要部分。復(fù)雜性是傳動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)理建模所具有的特點(diǎn)，因此人們會(huì)簡(jiǎn)化其建模[3]。而且研究的目的不相同，人們對(duì)其簡(jiǎn)化可以加大力度，如可以將整個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)作為一個(gè)剛體，其特性可以用1階慣性環(huán)節(jié)來(lái)表示，其表達(dá)式如下所示：

其中M、Mm與Th分別為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸入、輸出的轉(zhuǎn)矩和輪彀時(shí)間常數(shù)。

定槳距、變槳距和變恒速頻三種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要是根據(jù)風(fēng)力發(fā)電過(guò)程中變化的漿距和發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)分類(lèi)的。國(guó)外風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主導(dǎo)產(chǎn)品是變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其中兆瓦級(jí)是主要的容量。

恒速恒頻發(fā)電機(jī)組中包括定槳距和變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。當(dāng)前在風(fēng)力機(jī)組中恒速恒頻發(fā)電機(jī)組占據(jù)較大的百分比，但是其具有很差的電網(wǎng)功率因數(shù)，造成這種現(xiàn)象的主要原因是其在建立磁場(chǎng)的過(guò)程中使用的無(wú)功電流主要是從電網(wǎng)中吸收的。雙饋發(fā)電機(jī)的并速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的網(wǎng)絡(luò)兼容性比較好，同時(shí)可以將系統(tǒng)的機(jī)械負(fù)載降低，從而使風(fēng)力機(jī)的機(jī)械應(yīng)力減小，將風(fēng)能最大限度的捕捉，要想將最佳的運(yùn)行效率保持住，需要在最大范圍內(nèi)保持其最大的運(yùn)行速度，這樣可以盡量避免影響輸出功率的陣風(fēng)和塔影效應(yīng)等相關(guān)因素，從而改變變槳距系統(tǒng)的要求，使其快速性降低，所以在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中普遍的應(yīng)用。

1.2 風(fēng)電場(chǎng)整體建模

1.2.1 風(fēng)電場(chǎng)的單機(jī)等值

風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)具有多臺(tái)風(fēng)機(jī)，其之間具有非常緊密的聯(lián)系，在系統(tǒng)發(fā)生故障后，各臺(tái)風(fēng)機(jī)具有相似的反應(yīng)，所以在模擬風(fēng)電場(chǎng)的反應(yīng)工程中使用的方法主要是加權(quán)求和方法[4]。風(fēng)電場(chǎng)模型的參數(shù)相同于單個(gè)風(fēng)機(jī)的，但是組成所有風(fēng)電機(jī)的和是其額定的功率。

1.2.2 風(fēng)能-電能的轉(zhuǎn)換的描述

在風(fēng)電場(chǎng)輸出隨風(fēng)速變化波動(dòng)性的研究過(guò)程中，主要使用的描述法是風(fēng)機(jī)功率的特性曲線(xiàn)，由于其對(duì)發(fā)電機(jī)和傳動(dòng)機(jī)部分的特性以及風(fēng)機(jī)之間的影響比較小，所以可以完全忽略不計(jì)這些影響，直接聯(lián)系將輸出功率和風(fēng)速直接聯(lián)系起來(lái)。由于這種方法具有有限的精確度和應(yīng)用范圍，所以這種方法只用來(lái)描述風(fēng)電機(jī)組出力與風(fēng)速變化之間的關(guān)系。

1.2.3 將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組看做PQ節(jié)點(diǎn)

在穩(wěn)態(tài)的分析中一般使用的兩種模型主要是PQ或RX，簡(jiǎn)潔性是其主要的優(yōu)點(diǎn)。在風(fēng)電場(chǎng)的建模中，可以使用的另一種方法主要是辨識(shí)系統(tǒng)的方式。由于系統(tǒng)許多的特點(diǎn)，如可測(cè)的輸出和無(wú)法定義的輸入等，所以建模方法可以是隨機(jī)和時(shí)間序列的?！盎蚁洹苯Ｖ饕菍y(cè)試法建模融入到機(jī)理建模當(dāng)中，使用這種建模方法的主要原因是隨機(jī)和時(shí)間序列的建模方法在物理本質(zhì)的實(shí)驗(yàn)中無(wú)法將其動(dòng)態(tài)過(guò)程反映出來(lái)。

2 風(fēng)電并網(wǎng)

2.1 計(jì)算含風(fēng)電場(chǎng)的電力系統(tǒng)潮流

對(duì)電力系統(tǒng)的規(guī)劃、運(yùn)行和繼電保護(hù)等方面的影響主要是由接入電力系統(tǒng)中大容量的風(fēng)電場(chǎng)造成的，而對(duì)這種問(wèn)題進(jìn)行量化分析的基本方法是潮流計(jì)算[5]。在將風(fēng)力發(fā)電組加大以后，主要的是研究電力系統(tǒng)潮流和網(wǎng)損，造成這種現(xiàn)象的主要原因是在配電網(wǎng)中將小容量的風(fēng)電機(jī)組直接接入，會(huì)使傳統(tǒng)電源功率單項(xiàng)流動(dòng)的特點(diǎn)發(fā)生重大改變。

當(dāng)前，只有很少的研究是關(guān)于含風(fēng)電電力系統(tǒng)潮流計(jì)算的。異步機(jī)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要使用的，其電流具有很大的輸出波動(dòng)性，一般在計(jì)算潮流時(shí)的PQ節(jié)點(diǎn)主要是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，變量主要是有功功率和無(wú)功功率作為主要的處理方法。在這種處理方法中，各變量之間的關(guān)系是用異步機(jī)的模型來(lái)處理的，在對(duì)風(fēng)電的PQ模型進(jìn)行建立時(shí)，風(fēng)速的函數(shù)主要是風(fēng)電的有功功率，其表達(dá)式如下：

P=？籽cpAV3/2

其中cp、A和V分別是風(fēng)能利用系數(shù)、風(fēng)輪掃過(guò)的面積和風(fēng)速。

變化性是風(fēng)速的特點(diǎn)，所以其中的變量是P。發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)模型的參數(shù)是無(wú)功功率主要的基礎(chǔ)，而且機(jī)端電壓、轉(zhuǎn)差和吸收的有功功率等因素會(huì)對(duì)其造成一定的影響，同時(shí)由于發(fā)電機(jī)組的不同以及其具有不同的精度要求，所以其表達(dá)形式也是不同的。endprint

2.2 風(fēng)電接入對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

風(fēng)電機(jī)場(chǎng)的規(guī)模和復(fù)雜性是隨著風(fēng)電的進(jìn)一步發(fā)展而逐漸增加的。由于經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的影響，一般在比較偏遠(yuǎn)的地方建立風(fēng)電場(chǎng)，而且由于異步發(fā)電機(jī)是風(fēng)電場(chǎng)主要使用的，其無(wú)功功率主要是從電網(wǎng)中吸收的，而風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)表現(xiàn)出來(lái)的特點(diǎn)與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)不同主要是由這些因素造成的，所以如果當(dāng)具有較高的風(fēng)電滲透率或者將較弱的電網(wǎng)接入時(shí)，同時(shí)系統(tǒng)出現(xiàn)擾動(dòng)或故障的情況下，這時(shí)最重要的一個(gè)課題主要是風(fēng)電場(chǎng)的反應(yīng)及其對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

對(duì)風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)電機(jī)場(chǎng)進(jìn)行可靠性的建模是分析含風(fēng)電電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的首要問(wèn)題。從風(fēng)電場(chǎng)本身方面來(lái)說(shuō)，最重要的就是對(duì)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)各個(gè)機(jī)組間的相互影響及其電壓控制和無(wú)功補(bǔ)償特性進(jìn)行研究，所以將詳細(xì)的風(fēng)電場(chǎng)暫態(tài)模型建立起來(lái)是非常有必要的[6]。在這樣的狀況下，處理方式主要是降階，至少需要7個(gè)變量才能描述一臺(tái)感應(yīng)機(jī)電，如果再對(duì)風(fēng)力機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的特性和多個(gè)風(fēng)機(jī)的組合特性進(jìn)行考慮，這時(shí)就會(huì)加大了風(fēng)電場(chǎng)的建模難度。所以在研究風(fēng)電穩(wěn)定性的過(guò)程中，一般將整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的特性用單機(jī)模型來(lái)代替，但是如果只是研究單機(jī)模型，又會(huì)過(guò)于簡(jiǎn)化風(fēng)電場(chǎng)的穩(wěn)定性，因此需要將一種綜合模型建立起來(lái)，這種模型不但能夠?qū)L(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部機(jī)組之間的相關(guān)聯(lián)系反應(yīng)出來(lái)，同時(shí)可以將其復(fù)雜性大大降低，而且能夠有效性的分析風(fēng)電模擬提供保障。

3 結(jié)束語(yǔ)

由此可見(jiàn)，相關(guān)專(zhuān)家和學(xué)者們長(zhǎng)期重視的重要問(wèn)題就是風(fēng)電場(chǎng)模型及其對(duì)系統(tǒng)影響的分析方法。而且含風(fēng)電電力系統(tǒng)的規(guī)劃和優(yōu)化控制的重要基礎(chǔ)是可靠、有效的分析方法。但是由于風(fēng)電本身具有的缺點(diǎn)，對(duì)其開(kāi)發(fā)也造成了不利影響，所以要不斷拓展風(fēng)電的研究領(lǐng)域，同時(shí)要將其開(kāi)發(fā)技術(shù)水平不斷提高。

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