一种直驱风力发电机组动态仿真模拟系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种直驱风力发电机组动态仿真模拟系统。包括：风速模拟模块、传动系统模拟模块、直驱同步发电机模拟模块、以及控制系统模拟模块；所述风速模拟模块、传动系统模拟模块、直驱同步发电机模拟模块依次连接；所述直驱同步发电机模拟模块与变流器联接，所述变流器联接控制系统模拟模块；所述变流器与电网联接。因此，本发明具有如下优点：解决了大规模风电场和类似于电气化铁路这种冲击性负荷接入电网的模型需求，为解决带有此类负荷的电网仿真提供了有效工具。通过仿真模拟分析复杂电网络环境下电力系统的运行特性，提高电网供电质量，增强电网的运行可靠性，提供了参考依据。
【专利说明】—种直驱风力发电机组动态仿真模拟系统
[0001]
【技术领域】
[0002]本发明涉及一种动态仿真模拟系统，尤其是涉及一种直驱风力发电机组动态仿真模拟系统。
【背景技术】
[0003]基于永磁同步发电机(PMSG)的直驱式变速恒频风力发电系统在性能、可靠性、成本及低电压穿越等方面具有较高的优势，由此构成的大型风电场等新能源接入电网从而给电网引入了含有大量电力电子装置的波动性电源和负荷。且当附近有电气化铁路这样的冲击性负荷接入时，情况变得更加复杂。而一般的常规模型不足以精细模拟复杂负荷环境下风电机组的动态行为，缺乏深入研究现代电网环境下影响电网电能质量的有效工具。
【发明内容】
[0004]本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种解决了大规模风电场和类似于电气化铁路这种冲击性负荷接入电网的模型需求，为解决带有此类负荷的电网仿真提供了有效工具。通过仿真模拟分析复杂电网络环境下电力系统的运行特性，提高电网供电质量，增强电网的运行可靠性，提供了参考依据的一种直驱风力发电机组动态仿真模拟系统。
[0005]本发明的上 述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的:
一种直驱风力发电机组动态仿真模拟系统，其特征在于，包括:
一风速模拟模块:根据四分量法够成模拟基本风、阵风、渐变风、噪声风；风速模拟模块是根据四分量法构成的模拟自然风的风速模拟模块，包含四个分量，分别是基本风、阵风、渐变风噪声风来实现风速的模拟，同时可以输入历史数据来模拟实际风况
一传动系统模拟模块:考虑桨距角调节；所述传动系统模拟模块根据主流的两只块模拟模块构成传动系统部分，实现机械转矩的输入；
一直驱同步发电机模拟模块:转子侧和网侧双PWM的交直交变流器的；实现机械功率到电磁功率的转换；
一控制系统模拟模块:能够控制直驱风机桨矩角和转自侧电流网侧功率因数及直流母线电压；控制系统模拟模块通过转子磁链矢量和电网电压定向矢量控制策略，实现功率的稳定输出和功率因数的恒定；直驱风机发出的符合电网要求的电能输入到电网上。
[0006]所述风速模拟模块、传动系统模拟模块、直驱同步发电机模拟模块依次连接；所述直驱同步发电机模拟模块与变流器连接，所述变流器连接控制系统模拟模块；所述变流器与电网连接。
[0007]在上述的一种直驱风力发电机组动态仿真模拟系统，所述风速模拟模块的具体工作步骤如下: 利用第五代中尺度模式MM5专业气象数值分析方法(MM5是基于天气运动变化的非线性变化偏微分方程组，处理大密度的数据、进行复杂的运算)，据风电场设立点获取的气象观测资料数据计算预测风机安装点的风速数据。自定义动态链接库模块，嵌入仿真模型。读取预测数据输入，采用四分量法，将风速分解为基本风Vm、阵风vg、渐变风\和随机风vn,作用在风力机上的风速Vw为以上4个分量的叠加，提供给直驱风力发电机组动态仿真模拟模块使用。
[0008]在上述的一种直驱风力发电机组动态仿真模拟系统，所述传动系统模拟模块的具体工作步骤如下:直驱风力发电机组的转子采用永磁式结构，风力机与永磁同步发电机通过轴系直接耦合，使用比例环节描述风机轴功率到发电机轴功率的传递关系，利于二维插值表加PI控制构造风速、机组转速到桨距角的控制，实现最佳风功率获取功能。
[0009]在上述的一种直驱风力发电机组动态仿真模拟系统，所述直驱同步发电机模拟模块的具体工作步骤如下:直驱风力发电机组采用永磁同步电机，不需要电功率励磁，定子绕组切割固定在转子上的永磁体形成的磁场，通过电磁感应作用产生与旋转速度成正比的感应电动势，在闭合回路中形成感应电流，实现从机械功率到电功率的转换。
[0010]在上述的一种直驱风力发电机组动态仿真模拟系统，所述控制系统模拟模块的具体工作步骤如下:控制系统包括综合协调控制、桨矩角控制、变流器控制，其中:
综合协调控制根据人机交互自行设定生成各个子系统的指令信号。
[0011]桨矩角控制:利用模型风机实验获取不同风机桨矩角下，风速、机组转速与输出功率的关系，构造二维插值表；控制系统模块利用这个二维表根据风速确定最大的机械功率输出，并依据最大直流电压和直流电流输出限制确定合适的输出电流和电压，从输出的直流电压确定机组转速，再通过PI控制实现桨矩角与机组转速的协联调整。
[0012]变流器控制包含直流控制环节、无功控制环节和逆变执行环节，直流控制环节用于跟踪协调控制的指令电压，稳定直流侧母线电压，并生成有功电流指令信号。无功控制环节采集电网交流电压，跟踪综合协调控制的无功指令信号，输出无功电流的指令信号。逆变执行环节综合直流跟踪环节的有功电流指令和无功控制环节无功电流指令信号，生成网侧电流信号，通过逆变器输出相应的有功功率和无功功率。
[0013]因此，本发明具有如下优点:解决了大规模风电场和类似于电气化铁路这种冲击性负荷接入电网的模型需求，为解决带有此类负荷的电网仿真提供了有效工具。通过仿真模拟分析复杂电网络环境下电力系统的运行特性，提高电网供电质量，增强电网的运行可靠性，提供了参考依据。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]附图1是本发明的系统结构原理示意图。
【具体实施方式】
[0015]下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
[0016]实施例:
本发明在于克服常规软件对直驱风电机组模拟不够准确，现象不够清楚，从风力发电机原理出发，建立通用的PSCAD/EMTDC平台的直驱风电机组仿真模型: (I)根据四分量法来模拟自然界中的风速，方法简单实用可重复性强，并且可以输入历史记录风速来检验模型的准确性。
[0017](2)建立多质量块和传动系统模型，根据风能最大跟踪原理建立起与实际风机模型相匹配的直驱风机模型。
[0018](3)建立交直交双PWM的背靠背式直驱风机变流器模型，使直驱风机的输出转速追随参考转速的变化而变化，通过全功率的PWM变流器控制发电机的转速和功率输出。
[0019](4)建立直驱风机网侧和转子侧控制系统模型。转子侧通过转子磁链定向矢量控制策略生成转子侧变流器的控制信号，控制有功功率和无功功率输出；网侧变流器通过电网电压定向矢量控制策略来稳定直流母线电压，维持功率因数恒定。
[0020]模型使用国际通用的电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC搭建，封装成自定义模块的形式提供给最终用户，可用于对大规模风电场接入电力系统的仿真和复杂电网条件下风电场与电气化铁路的相互影响仿真研究，为提高电网的供电可靠性提供设计参考依据。
[0021]以下是结合上述系统结构的一个具体实施例:
结合上图1阐述模型的结构和功能:1.1风速模型是根据四分量法构成的模拟自然风的风速模型，包含四个分量，分别是基本风、阵风、渐变风噪声风来实现风速的模拟，同时可以输入历史数据来模拟实际风况；1.2传动系统模型根据主流的两只块模型构成传动系统部分，实现机械转矩的输入；1.3永磁同步发电机模块实现机械功率到电磁功率的转换1.4转子侧和网侧变流器实现将电能整流及逆变为符合标准的电能并网；1.5控制系统模型通过转子磁链矢量和电网电压定向矢量控制策略，实现功率的稳定输出和功率因数的恒定；直驱风机发出的符合电网要求的电能输入到模型1.6电网上。
[0022]本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属【技术领域】的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
【权利要求】
1.一种直驱风力发电机组动态仿真模拟模块，其特征在于，包括: 一风速模拟模块:根据四分量法够成模拟基本风、阵风、渐变风、噪声风；风速模拟模块是根据四分量法构成的模拟自然风的风速模拟模块，包含四个分量，分别是基本风、阵风、渐变风噪声风来实现风速的模拟，同时可以输入历史数据来模拟实际风况 一传动系统模拟模块:考虑桨距角调节；所述传动系统模拟模块根据主流的两只块模拟模块构成传动系统部分，实现机械转矩的输入； 一直驱同步发电机模拟模块:转子侧和网侧双PWM的交直交变流器的；实现机械功率到电磁功率的转换； 一控制系统模拟模块:能够控制直驱风机桨矩角和转自侧电流网侧功率因数及直流母线电压；控制系统模拟模块通过转子磁链矢量和电网电压定向矢量控制策略，实现功率的稳定输出和功率因数的恒定；直驱风机发出的符合电网要求的电能输入到电网上； 所述风速模拟模块、传动系统模拟模块、直驱同步发电机模拟模块依次连接；所述直驱同步发电机模拟模块与变流器连接，所述变流器连接控制系统模拟模块；所述变流器与电网连接。
2.根据权利要求1所述的一种直驱风力发电机组动态仿真模拟模块，其特征在于，所述风速模拟模块的具体工作步骤如下:尺度模式MM5专业气象数值分析方法，据风电场设立点获取的气象观测资料数据计算预测风机安装点的风速数据，自定义动态链接库模块，嵌入仿真模型，读取预测数据输入，采用四分量法，将风速分解为基本风Vm、阵风Vg、渐变风 ' 和随机风vn，作用在风力机上的风速vw为以上4个分量的叠加，提供给直驱风力发电机组动态仿真模拟模块使 用。
3.根据权利要求1所述的一种直驱风力发电机组动态仿真模拟模块，其特征在于，所述传动系统模拟模块的具体工作步骤如下:直驱风力发电机组的转子采用永磁式结构，风力机与永磁同步发电机通过轴系直接耦合，使用比例环节描述风机轴功率到发电机轴功率的传递关系，利于二维插值表加PI控制构造风速、机组转速到桨距角的控制，实现最佳风功率获取功能。
4.根据权利要求1所述的一种直驱风力发电机组动态仿真模拟模块，其特征在于，所述直驱同步发电机模拟模块的具体工作步骤如下:直驱风力发电机组采用永磁同步电机，不需要电功率励磁，定子绕组切割固定在转子上的永磁体形成的磁场，通过电磁感应作用产生与旋转速度成正比的感应电动势，在闭合回路中形成感应电流，实现从机械功率到电功率的转换。
5.根据权利要求1所述的一种直驱风力发电机组动态仿真模拟模块，其特征在于，所述控制系统模拟模块的具体工作步骤如下:控制系统包括综合协调控制、桨矩角控制、变流器控制；其中: 综合协调控制根据人机交互自行设定生成各个子系统的指令信号； 桨矩角控制:利用模型风机实验获取不同风机桨矩角下，风速、机组转速与输出功率的关系，构造二维插值表；控制系统模块利用这个二维表根据风速确定最大的机械功率输出，并依据最大直流电压和直流电流输出限制确定合适的输出电流和电压，从输出的直流电压确定机组转速，再通过PI控制实现桨矩角与机组转速的协联调整； 变流器控制包含直流控制环节、无功控制环节和逆变执行环节，直流控制环节用于跟踪协调控制的指令电压，稳定直流侧母线电压，并生成有功电流指令信号，无功控制环节采集电网交流电压，跟踪综合协调控制的无功指令信号，输出无功电流的指令信号，逆变执行环节综合直流跟踪环节的有功电流指令和无功控制环节无功电流指令信号，生成网侧电流信号， 通过逆变器输出相应的有功功率和无功功率。
【文档编号】G05B17/02GK103760779SQ201410034421
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月24日 优先权日:2014年1月24日
【发明者】刘鹏, 刘路, 周柯, 金庆忍, 孙志媛, 刘会金, 曹玉顺, 邓俊杰, 时庆 申请人:广西电网公司电力科学研究院, 武汉大学