一种直驱永磁风电机组的建模与仿真方法和装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及风力发电技术领域，更为具体地说，涉及一种直驱永磁风电机组的建 模与仿真方法和装置。
【背景技术】
[0002] 直驱永磁风电机组是基于永磁同步发电机且由风力直接驱动进行发电的变频恒 速风电机组，该直驱永磁风电机组采用叶轮与发电机直接相连进行驱动的方式，能够保证 发电机的高效运转。
[0003] 完整的直驱永磁风电机组模型包括多个结构的相关模型，基于大量特征量进行计 算，从而过多增加了模型中方程的阶数，甚至达到十几阶，甚至几十阶，导致在研究直驱永 磁风电机组时，计算量大、仿真速度慢和运行不稳定。为了克服上述问题，相关技术中，在研 究直驱永磁风电机组模型时，一般基于特征值分析法分析直驱永磁风电机组的相关模态， 即通过计算特征根、特征向量和特征值的灵敏度，确定主导模态，保留与主导模态相关的状 态变量，消去其它状态变量，从而降低模型的阶数，然而上述简化的直驱永磁风电机组模型 过于简化，只是反映直驱永磁风电机组的部分结构在特定情况下的运行状况，在计算风电 机组模态时，并不能充分反映直驱永磁风电机组中主要结构的运行特性。
[0004] 综上所述，如何降低计算量，提高仿真速度，并充分反映直驱永磁风电机组的主要 运行特性成为目前本领域技术人员亟待解决的技术问题。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种直驱永磁风电机组的建模与仿真的技术方案，以解决背 景技术中所介绍的现有技术中的直驱永磁风电机组模型的计算量大，仿真速度慢且不能准 确反映风电机组的主要运行特性的问题。
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
[0007] 根据本发明的第一方面，提出了 一种直驱永磁风电机组的建模与仿真方法，该直 驱永磁风电机组的建模与仿真方法包括：
[0008] 构建直驱永磁风电机组的风电机组模型；
[0009] 根据所述风电机组模型对并入电网的直驱永磁风电机组进行仿真；其中，所述构 建直驱永磁风电机组的风电机组模型的方法包括：
[0010]构建直驱永磁风电机组的风力机模型；
[0011] 构建所述直驱永磁风电机组的三阶双质块轴系模型；
[0012] 构建所述直驱永磁风电机组的二阶桨距角控制模型；
[0013] 根据所述直驱永磁风电机组的发电机转速与发电机电流关系，模拟发电机转速控 制，构建所述直驱永磁风电机组的发电机、机侧变流器及控制所述发电机和机侧变流器的 控制系统的第一一阶控制模型；
[0014] 构建所述直驱永磁风电机组的一阶直流电容模型；
[0015] 根据变流器直流电容电压与风电机组有功电流的关系，构建所述直驱永磁风电机 组的网侧变流器及所述网侧变流器的控制系统的第二一阶控制模型。
[0016] 优选地，所述构建直驱永磁风电机组的风电机组模型的方法，具体还包括：
[0017] 根据风速、桨距角、风力机转速和风力机机械转矩之间的关系，模拟直驱永磁风电 机组的风力机吸收风功率过程，构建所述风力机模型，根据所述风力机模型，计算风力机机 械转矩；
[0018] 根据风力机转速、发电机转速、所述风力机机械转矩以及发电机电磁转矩之间的 关系，模拟所述直驱永磁风电机组的风力机机械转矩和发电机电磁转矩的能量传递关系， 构建所述三阶双质块轴系模型，根据所述三阶双质块轴系模型，计算风力机转速和发电机 转速；
[0019] 根据所述发电机转速与桨距角的关系，模拟直驱永磁风电机组的桨距角控制和伺 服环节，构建所述二阶桨距角控制模型，根据所述二阶桨距角控制模型计算桨距角；
[0020] 根据所述发电机转速与发电机电流的关系，模拟发电机转速控制，构建所述发电 机、机侧变流器及控制所述发电机和机侧变流器的控制系统的第一一阶控制模型，根据所 述第一一阶控制模型，计算发电机电磁转矩和机侧变流器功率；
[0021 ]根据变流器直流电容电压、所述网侧变流器功率和所述机侧变流器功率的关系， 构建所述一阶直流电容模型，根据所述一阶直流电容模型，计算变流器直流电容电压；
[0022] 根据所述变流器直流电容电压与风电机组有功电流的关系，模拟直驱永磁风电机 组的直流电容电压控制，构建所述网侧变流器及所述网侧变流器的控制系统的第二一阶控 制模型，根据所述第二一阶控制模型计算网侧变流器功率，其中，所述网侧变流器功率即为 风电机组功率。
[0023] 优选地，所述根据直驱永磁风电机组的发电机转速与发电机电流关系，模拟发电 机转速控制，构建所述直驱永磁风电机组的发电机、机侧变流器及控制所述发电机和机侧 变流器的控制系统的第一一阶控制模型的方法具体包括：
[0024]
[0025] iqs = kpM( 〇 ref_ 〇 g)+ki〇jXl
[0026] 其中，^为第一中间状态变量，Core3f为发电机参考转速，〇^为发电机转速，iqs为发 电机定子q轴电流，为PI控制器的比例系数，kw为PI控制器的积分系数。
[0027] 优选地，所述根据变流器直流电容电压与风电机组有功电流的关系，构建所述直 驱永磁风电机组的网侧变流器及所述网侧变流器的控制系统的第二一阶控制模型的方法 具体包括：
[0028]
[0029 ] Idg - kpudc ( Udc-ref _Udc ) +kiudcX2
[0030] 其中，X2为第二中间状态变量，Udmf为变流器直流电容电压参考值、Udc为变流器 直流电容电压实际值，id g为风电机组注入电网有功电流，kpudc为PI控制器的比例系数，kludc 为PI控制器的积分系数。
[0031] 优选地，所述根据所述风电机组模型对并入电网的直驱永磁风电机组进行仿真的 方法具体包括：
[0032] 将构建的所述直驱永磁风电机组模型接入电网开始仿真，待所述直驱永磁风电机 组与所述电网进入稳态时，对风电机组施加扰动；
[0033] 计算直驱永磁风电机组输出的风电机组输出有功功率，根据所述风电机组输出有 功功率输入电网后引起的电网响应，分析风电并网后对电网的影响。
[0034] 根据本发明的第二方面还提出了 一种直驱永磁风电机组的建模与仿真装置，该直 驱永磁风电机组的建模与仿真装置包括：
[0035] 模型构建模块，用于构建直驱永磁风电机组的风电机组模型；
[0036] 仿真模块，用于根据所述风电机组模型对并入电网的直驱永磁风电机组进行仿 真;其中，所述模型构建模块包括：
[0037]风力机模型构建子模块，用于构建直驱永磁风电机组的风力机模型；
[0038]三阶双质块轴系模型构建子模块，用于构建所述直驱永磁风电机组的三阶双质块 轴系模型；
[0039]二阶桨距角控制模型构建子模块，用于构建所述直驱永磁风电机组的二阶桨距角 控制模型；
[0040]第一一阶控制模型构建子模块，用于根据所述直驱永磁风电机组的发电机转速与 发电机电流关系，模拟发电机转速控制，构建所述直驱永磁风电机组的发电机、机侧变流器 及控制所述发电机和机侧变流器的控制系统的第一一阶控制模型；
[0041 ] -阶直流电容模型构建子模块，用于构建所述直驱永磁风电机组的一阶直流电容 丰旲型；
[0042]第二一阶控制模型构建子模块，用于根据变流器直流电容电压与风电机组有功电 流的关系，构建所述直驱永磁风电机组的网侧变流器及所述网侧变流器的控制系统的第二 一阶控制模型。
[0043]优选地，所述风力机模型构建子模块，具体用于根据风速、桨距角、风力机转速和 风力机机械转矩之间的关系，模拟直驱永磁风电机组的风力机吸收风功率过程，构建所述 风力机模型，根据所述风力机模型计算风力机机械转矩；
[0044]所述三阶双质块轴系模型构建子模块，具体用于根据风力机转速、发电机转速、所 述风力机机械转矩以及发电机电磁转矩之间的关系，模拟所述直驱永磁风电机组的风力机 机械转矩和发电机电磁转矩的能量传递关系，构建所述三阶双质块轴系模型，根据所述三 阶双质块轴系模型，计算风力机转速和发电机转速；
[0045]所述二阶桨距角控制模型构建子模块，具体用于根据所述发电机转速与桨距角的 关系，模拟直驱永磁风电机组的桨距角控制和伺服环节，构建所述二阶桨距角控制模型，根 据所述二阶桨距角控制模型计算桨距角；
[0046 ]所述第 阶控制模型构建子模块，具体用于根据所述发电机转速与发电机电流 的关系，模拟发电机转速控制，构建所述发电机、机侧变流器及控制所述发电机和机侧变流 器的控制系统的第一一阶控制模型，根据所述第一一阶控制模型计算发电机电磁转矩和机 侧变流器功率；
[0047]所述一阶直流电容模型构建子模块，具体用于根据变流器直流电容电压、所述网 侧变流器功率和所述机侧变流器功率的关系，构建所述一阶直流电容模型，根据所述一阶 直流电容模型，计算变流器直流电容电压；
[0048] 所述第二一阶控制模型构建子模块，具体用于根据所述变流器直流电容电压与风 电机组有功电流的关系，模拟直驱永磁风电机组的直流电容电压控制，构建所述网侧变流 器及所述网侧变流器的控制系统的第二一阶