一种风电机组模拟方法与流程

本发明属于风力发电技术领域，特别涉及风力发电模拟技术领域，具体是一种风电机组模拟控制方法。

背景技术：

随着风电机组累计装机容量的提升，风电从业人员的日益增多，无论从机组设计、制造，还是运维角度，对相关人员的技术培训需求越来越迫切。风电机组的装备特点受场地、气象的约束很明显，所以一个能够在车间内就可全面、真实的模拟风电机组实际运行实操训练平台具有十分重要的意义。

当前有些模拟平台一般只是使用一个电动机带动一个发电机，简单拖动到并网转速附近进行并网。有些模拟平台会使用两台风电机组低速轴对拖的方式进行并网。上述两种方式一般都只是简单的并网发电，并没有模拟风电机组启机控制，最大功率跟踪和恒功率控制等功能，只是一个简单的并网装置。有的则是建立真实风洞实验平台，使用真实的风驱动风电机组运行发电，但是这需要很大实验场地和资金的投入。

技术实现要素：

在下文中给出了关于本发明实施例的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，以下概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

为了克服背景技术中所述的两种方式的缺点，本发明提供一种既经济，又实用的一种基于真实机组传动链部件、变流器系统和主控系统的模拟控制技术，在车间内就可以更加全面、真实的模拟实际机组的运行特性，根据模拟风况进行启停机运行，最大功率跟踪和恒功率控制等特性。

根据本申请的一个方面，提供一种风电机组模拟方法，提供拖动电机、发电机、相互电性连接的机组传动链部件、拖动变频器系统和主控系统；机组传动链部件与拖动电机和发电机均连接；其控制方法包括：

模拟机组传动链部件的桨叶角度和风速、以及实际风轮转速；

利用真实风机的传动链部件和仿真机组的转动惯量、桨叶风能利用效率、模拟的风速模型和实际机舱角度，计算机组有效吸收风能，利用吸收风能计算传动链加速度；

使用电动机拖动发电机根据计算速度进行速度控制；

模拟实际机组以及主控系统的启停机控制，最大功率跟踪和恒功率控制。

其中，为降低传动链计算加速度和真实传动链拖动的时延，在使用电动机拖动发电机的拖动转速计算中增加一阶微分超前环节。

进一步的，所述控制方法还包括：风电机组在启动后，所述主控系统判断当前激活的状态码是否为停机等级以上的状态码，如果没有则正常启机运行。

进一步的，主控系统中产生实时风况模型，该风况模型的计算方法描述如下：模拟风速由6部分组成，模拟风速v＝基值风速vb+波值风速vw+阵风风速vg+梯度风速vl+白噪声风速vn；其中基值风速vb、波值风速vw、阵风风速vg可用单位圆上的不同角速度旋转的矢量的正弦值乘以相应的风速模值计算；白噪声风速vn为一限定幅值范围内的噪声风速；梯度风速vl根据如下的曲线线性插补计算：

y＝-2，0≤x＜40；

y＝-2+4(x-40)/5，40≤x＜50；

y＝6，50≤x＜70；

y＝6+3*(70-x)/10，70≤x＜85；

y＝1.5，85≤x＜100；

y＝1.5+7*(100-x)/40，100≤x≤120。

其中，主控系统中风况模型计算实时风速v具体包括如下过程：主控系统中变桨控制算法输出变桨角度设定值pitset，主控系统内部变桨模拟模块进行变桨角度模拟跟随，返回实际变桨角度pitact，主控系内部风机传动链模型模块根据风况模拟模型输出的风速v，模拟的变桨角度pitact和模拟平台真实风轮转速rotspeed，计算叶尖速比lamda，再根据桨叶角度pitact查询如图2所示的桨叶风能利用系数cp。根据风电机组风能吸收公式p＝0.5ρsv3cp，(ρ为空气密度，s为风轮扫掠面积，v为风速)计算风机吸收的气动功率paero。气动功率减去一定的机械制动功率pbrake得到风轮驱动功率，再根据公式trot＝(paero–pbrake)/rotspeed计算气动转矩trot。进一步地，根据公式计算风轮加速度αrot＝trot/jrot，jrot为风轮等效的转动惯量，包含低速轴的转动惯量和高速轴转动惯量等效到低速轴的值。然后计算风轮下一控制周期的速度ωrot1＝ωrot0+αrot*interval，interval为控制周期，ωrot0为风轮当前计算周期的速度。根据齿轮箱传动速比ratio_tur，计算发电机下一控制周期的发电机转速ωgen1＝ωrot1*ratio_tur，该转速ωgen1经过一阶微分环节和系数为拖动系统速比ratio_drv的比例环节，得到拖动电机目标转速ωdrv，主控系统把该目标值下发给拖动变频器系统，拖动变频器驱动拖动电动机运行，从而实现发电机转速的输出。

所述主控系统在停机阶段，对变桨和转矩进行开环控制，并对变桨和转矩的速度根据不同的停机等级来选择相应控制策略。

本发明利用真实风机的传动链部件和仿真机组的转动惯量、桨叶风能利用效率、模拟的风况模型和实际机舱角度等，计算机组有效吸收风能、从而计算传动链加速度，考虑到传动链计算加速度和真实传动链拖动的时延，在拖动转速计算中增加一阶微分超前环节，然后使用电动机拖动发电机根据计算速度进行速度控制。可以真实地模拟实际机组以及主控系统的启停机控制，最大功率跟踪和恒功率控制。同时可以通过主控系统实现真实传动链部件如转速检测、冷却系统、加热系统、润滑系统等子系的控制，从而在不需要实际风洞实验或真实风轮的条件下，进行机组的全真模拟，达到提高模拟平台的真实性，在降低模拟平台成本的同时提高培训的效果。

附图说明

本发明可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本发明的优选实施例和解释本发明的原理和优点。在附图中：

图1为风电机组模拟平台的布置图；

图2为风电机组模拟平台的另一种布置图；

图3为风速模型中的基值、波值、阵风分量；

图4为风速模型中的梯值分量；

图5为风电机组模拟桨叶的cp表；

图6为风电机组发电机转速计算流程；

图7为风电机组变桨控制原理图；

图8为风电机组发电机转矩控制原理图。

具体实施方式

下面将参照附图来说明本发明的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

参照图1，本发明的风电机组模拟平台包括机组传动链部件、拖动变频器系统、主控系统以及偏航系统。机组传动链部件与拖动电机和发电机均连接。

风电机组模拟方法如下：

风电机组初始启机阶段，主控系统根据判断当前激活的状态码，如果没有停机等级以上的状态码激活，则进行正常启机运行。

主控系统中产生实时风况模型，具体计算方法描述：模拟风速由6部分组成，模拟风速v＝基值风速vb+波值风速vw+阵风风速vg+梯度风速vl+白噪声风速vn。其中基值风速vb、波值风速vw、阵风风速vg可用单位圆上的不同角速度旋转的矢量的正弦值乘以相应的风速模值计算。梯度风速vl根据如图4的曲线线性插补计算。白噪声风速vn为一限定幅值范围内的噪声风速。

主控系统中风况模型计算实时风速v，如图4所示的主控系统中变桨控制算法输出变桨角度设定值pitset，主控系统内部变桨模拟模块进行变桨角度模拟跟随，返回实际变桨角度pitact，主控系统内部风机传动链模型模块根据风况模拟模型输出的风速v，模拟的变桨角度pitact和模拟平台真实风轮转速rotspeed，计算叶尖速比lamda，再根据桨叶角度pitact查询如图3所示的桨叶风能利用系数cp。根据风电机组风能吸收公式p＝0.5ρsv3cp，(ρ为空气密度，s为风轮扫掠面积，v为风速)计算风机吸收的气动功率paero。气动功率减去一定的机械制动功率pbrake得到风轮驱动功率，再根据公式trot＝(paero–pbrake)/rotspeed计算气动转矩trot。进一步地，根据公式计算风轮加速度αrot＝trot/jrot，jrot为风轮等效的转动惯量，包含低速轴的转动惯量和高速轴转动惯量等效到低速轴的值。然后计算风轮下一控制周期的速度ωrot1＝ωrot0+αrot*interval，interval为控制周期，ωrot0为风轮当前计算周期的速度。根据齿轮箱传动速比ratio_tur，计算发电机下一控制周期的发电机转速ωgen1＝ωrot1*ratio_tur，该转速ωgen1经过一阶微分环节和系数为拖动系统速比ratio_drv的比例环节，得到拖动电机目标转速ωdrv，主控系统把该目标值下发给拖动变频器系统，拖动变频器驱动拖动电动机运行。实现发电机转速的输出。

所述主控系统在启机运行之后，对变桨采取如图5所示双pi控制技术，控制目标为设定转速和设定功率。如图6发电机转矩控制的为pi控制，控制目标为发电机设定转速。实现低风速段的最大功率跟踪和高风速段的恒功率控制。

所述主控系统在停机阶段，对变桨和转矩进行开环控制，并对变桨采取柔性控制策略，先是慢速变桨，再进行快速收桨，在桨角大于80°时再进行慢速收桨。转矩以一定的速率降低至功率在一定限值以内时变流器脱网。实现正常停机流程。其它级别更高的停机流程可对变桨和转矩的速度进行更快的控制。

实施例二

参照图2～图6，本发明的风电机组模拟平台包括机组传动链部件、拖动变频器系统、主控系统以及偏航系统。参见图2，机组传动链部件包括依次连接的低速轴、齿轮箱、高速轴和皮带轮，皮带轮与拖动电机和发电机均连接。

风电机组模拟平台的控制方法如下：

风电机组初始启机阶段，主控系统根据判断当前激活的状态码，如果没有停机等级以上的状态码激活，则进行正常启机运行。

主控系统中产生实时风况模型，具体计算方法描述：模拟风速由6部分组成，模拟风速v＝基值风速vb+波值风速vw+阵风风速vg+梯度风速vl+白噪声风速vn。其中基值风速vb、波值风速vw、阵风风速vg可用单位圆上的不同角速度旋转的矢量的正弦值乘以相应的风速模值计算。梯度风速vl根据如图4的曲线线性插补计算。白噪声风速vn为一限定幅值范围内的噪声风速。

主控系统中风况模型计算实时风速v，如图4所示的主控系统中变桨控制算法输出变桨角度设定值pitset，主控系统内部变桨模拟模块进行变桨角度模拟跟随，返回实际变桨角度pitact，主控系统内部风机传动链模型模块根据风况模拟模型输出的风速v，模拟的变桨角度pitact和模拟平台真实风轮转速rotspeed，计算叶尖速比lamda，再根据桨叶角度pitact查询如图2所示的桨叶风能利用系数cp。根据风电机组风能吸收公式p＝0.5ρsv3cp，(ρ为空气密度，s为风轮扫掠面积，v为风速)计算风机吸收的气动功率paero。气动功率减去一定的机械制动功率pbrake得到风轮驱动功率，再根据公式trot＝(paero–pbrake)/rotspeed计算气动转矩trot。进一步地，根据公式计算风轮加速度αrot＝trot/jrot，jrot为风轮等效的转动惯量，包含低速轴的转动惯量和高速轴转动惯量等效到低速轴的值。然后计算风轮下一控制周期的速度ωrot1＝ωrot0+αrot*interval，interval为控制周期，ωrot0为风轮当前计算周期的速度。根据齿轮箱传动速比ratio_tur，计算发电机下一控制周期的发电机转速ωgen1＝ωrot1*ratio_tur，该转速ωgen1经过一阶微分环节和系数为拖动系统速比ratio_drv的比例环节，得到拖动电机目标转速ωdrv，主控系统把该目标值下发给拖动变频器系统，拖动变频器驱动拖动电动机运行。实现发电机转速的输出。

所述主控系统在启机运行之后，对变桨采取如图4所示双pi控制技术，控制目标为设定转速和设定功率。如图5发电机转矩控制的为pi控制，控制目标为发电机设定转速。实现低风速段的最大功率跟踪和高风速段的恒功率控制。

所述主控系统在停机阶段，对变桨和转矩进行开环控制，并对变桨采取柔性控制策略，先是慢速变桨，再进行快速收桨，在桨角大于80°时再进行慢速收桨。转矩以一定的速率降低至功率在一定限值以内时变流器脱网。实现正常停机流程。其它级别更高的停机流程可对变桨和转矩的速度进行更快的控制。

本发明通过模拟桨叶角度和风速、实际风轮转速等物理量计算并控制风轮和发电机转速以模拟实际机组传动链特性，具有模拟计算和控制风轮和发电机转速以模拟真实风机风能利用和传动链运行特性，具有很好的实用性。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

此外，本发明的方法不限于按照说明书中描述的时间顺序来执行，也可以按照其他的时间顺序地、并行地或独立地执行。因此，本说明书中描述的方法的执行顺序不对本发明的技术范围构成限制。

尽管上面已经通过对本发明的具体实施例的描述对本发明进行了披露，但是，应该理解，上述的所有实施例和示例均是示例性的，而非限制性的。本领域的技术人员可在所附权利要求的精神和范围内设计对本发明的各种修改、改进或者等同物。这些修改、改进或者等同物也应当被认为包括在本发明的保护范围内。