微电网半实物仿真系统及风力发电机闭环控制方法与流程

本发明涉及风力发电系统仿真领域，具体涉及一种微电网半实物仿真系统及风力发电机闭环控制方法。

背景技术：

针对风电系统的实验方式主要包括三种：软件模拟实验、现场实验和半实物仿真实验。现场实验是最能反映真实工况的一种条件，获得的数据真实可靠，但实施成本高、难度大，不适合用于风电系统的科学研究中。因而多采用软件模拟或软件与半实物结合的模拟方式。

完整的风电模拟系统包括风力发电机的实时仿真部分、机电随动部分和相应的模拟策略。习知技术如目前的风电系统仿真平台中，多使用模拟软件建模的方法进行风电机组测试。在此基础中，根据自回归模型进行风速建模，采用曲线拟合建立风力发电机的数学模型。

目前针对风力发电机并网的仿真方法通常采用模拟软件对风力发电机、传动系统、发电机及负载等组成部分分别建模，风电机组的参数均通过理想模型推导得出，不能完全与实际风力环境下的状态相符。此外，由于风电机传动系统采用软件模拟，无法准确反映摩擦系数、惯量等影响因素的存在，发电机实际功率、转矩等数值会与真实情况存在偏差；且实施成本高、难度大，此外，由于外界环境的不稳定，容易造成安全风险。因此，现场实验不适合用于风电系统的科学研究中。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种微电网半实物仿真系统及风力发电机闭环控制方法，更贴近实际情况的风力发电半实物仿真系统，减小模拟过程中产生的误差，且能够模拟多变的风力环境，同时增加了仿真系统的准确性。

为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

一方面，本发明提供了一种微电网半实物仿真系统，包括：依次连接的输入参数控制模块、风力发电机仿真模块及并网模块；

所述输入参数控制模块，用于将模拟得到的风力发电机的输入参数发送至所述风力发电机仿真模块；

所述风力发电机仿真模块，用于根据接收的所述输入参数进行仿真运行；

所述并网模块，用于控制所述风力发电机仿真模块接入微电网模拟源及本地电网。

进一步的，所述输入参数控制模块包括：风力发电机实时模拟器、直流电机控制器及供电电源；

所述风力发电机实时模拟器用于根据风力电动机的输出参数，采用风力发电机闭环控制方法获取所述风力发电机的输入参数，并将所述输入参数发送至直流电机控制器；

所述直流电机控制器根据所述输入参数控制所述风力发电机仿真模块进行仿真运行；

所述供电电源分别连接所述风力发电机实时模拟器及直流电机控制器；

其中，所述输出参数包括不同的风力环境、风力电动机的输出转矩与转速；所述输入参数包括电枢电流和转速。

进一步的，所述风力发电机仿真模块包括：依次连接的直流电动机、传动机构及发电机；

所述直流电动机与所述直流电机控制器通信连接，且根据所述直流电机控制器发送的输入参数模拟所述风力电动机的运行，使得所述直流电动机的输出功率和输出转矩与所述风力电动机相同；

所述传动机构的两侧分别连接所述直流电动机及发电机的转动端；

所述发电机根据所述传动机构与直流电动机的同步运行产生幅值和频率变化的交流电，并将该幅值和频率变化的交流电传输至所述并网模块。

进一步的，所述直流电动机上设有速度传感器，且所述速度传感器与所述直流电机控制器通信连接，将所述直流电动机在运行时的速度和加速度发送至所述直流电机控制器。

进一步的，所述传动机构为齿轮箱，且所述齿轮箱将所述直流电动机产生的动作传递给所述发电机的转动端。

进一步的，所述并网模块包括：分别连接至电网的逆变器、微电网实时模拟器、发电机控制器及RLC防孤岛负载；

所述逆变器的一端与发电机的输出端连接，另一端分别连接所述微电网实时模拟器，且所述逆变器将接收的幅值和频率变化的交流电通过变流系统转换为直流电能，再将所述直流电能转换为与本地电网同频率且同相位的正弦波电流，并输入本地电网；

所述发电机控制器与所述发电机通信连接；

所述微电网实时模拟器用于设置电网变化参数；

所述RLC防孤岛负载的孤岛模式为主动防孤岛和被动防孤岛相结合的模式；

其中，所述电网变化参数包括：频率漂移及电压突变参数。

进一步的，所述直流电动机为无刷直流电机BLDCM。

另一方面，本发明提供了一种基于所述的系统的风力发电机闭环控制方法，包括：

步骤1.所述风力发电机实时模拟器根据所述速度传感器获取直流电动机的转速及预设的齿轮变速比，确定所述风力发电机的转速；

步骤2.所述风力发电机根据所述风力发电机的转速及预设风速计算得到所述风力发电机的气动转矩；

步骤3.所述风力发电机实时模拟器将所述风力发电机的气动转矩发送至所述直流电机控制器。

进一步的，所述方法还包括：

步骤4.所述直流电机控制器根据所述风力发电机的气动转矩调节直流电动机的电枢电压，使得所述风力发电机仿真模块的输出转矩与风力发电机的气动转矩相同。

进一步的，所述步骤1之前还包括：

步骤0.根据所述直流电动机的反电动势、相电流与转速，确定所述风力发电机的电磁转矩反馈值；

其中，所述相电流根据设置在所述直流电动机上的相电流传感器与转速传感器获取，所述反电动势根据设置在所述直流电动机上的滑膜观测器获取。

由上述技术方案可知，本发明所述的一种微电网半实物仿真系统，包括用于将模拟得到的风力发电机的输入参数发送至风力发电机仿真模块的输入参数控制模块、用于根据接收的输入参数进行仿真运行的风力发电机仿真模块，以及用于控制风力发电机仿真模块接入微电网模拟源及本地电网的并网模块。本发明更贴近实际情况的风力发电半实物仿真系统，减小模拟过程中产生的误差，且能够模拟多变的风力环境，同时增加了仿真系统的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一中的一种微电网半实物仿真系统的一种具体实施例的结构示意图；

图2是本发明实施例二中输入参数控制模块10的一种具体实施例的结构示意图；

图3是本发明实施例三中风力发电机仿真模块20的一种具体实施例的结构示意图；

图4是本发明实施例四中并网模块30的一种具体实施例的结构示意图；

图5是本发明实施例五中的风力发电机闭环控制方法的一种具体实施例的流程示意图；

图6是本发明具体应用例中的一种微电网半实物仿真系统的结构示意图；

图7是本发明具体应用例中的电机转矩T与气动转矩T关系示意图；

图8是本发明具体应用例中的模拟电机转矩与气动转矩关系示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例一提供了一种微电网半实物仿真系统的一种具体实施方式。参见图1，该仿真系统具体包括如下内容：

依次连接的输入参数控制模块10、风力发电机仿真模块20及并网模块30。

所述输入参数控制模块10，用于将模拟得到的风力发电机23的输入参数发送至所述风力发电机仿真模块20。

在输入参数控制模块10中，用风力发电机实时模拟器11设定不同的风力环境，根据风力发电机23的输出转矩与转速特性，采用转矩闭环模拟策略，控制无刷直流电动机21BLDCM与风力发电机23输出相同。

所述风力发电机仿真模块20，用于根据接收的所述输入参数进行仿真运行。

在风力发电机仿真模块20中，直流电动机21通过传动机构22驱动发电机23，复现实际环境中风电机组的运行状态。

所述并网模块30，用于控制所述风力发电机仿真模块20接入微电网模拟源及本地电网。

在并网模块30中，并网的部分使用虚拟的微电网仿真系统，通过逆变器31将风力发电机并网接入微电网模拟源，再连接至本地电网，评测风电机在微电网中的运行的稳定性。

从上述描述可知，本发明的实施例减小模拟过程中产生的误差。适合模拟多变的风力环境，是一种高效可行的新型技术方案。

本发明实施例二提供了上述仿真系统中输入参数控制模块10的一种具体实施方式。参见图2，该输入参数控制模块10具体包括如下内容：

风力发电机实时模拟器11、直流电机控制器12及供电电源13。

所述风力发电机实时模拟器11用于根据风力电动机的输出参数，采用风力发电机闭环控制方法获取所述风力发电机23的输入参数，并将所述输入参数发送至直流电机控制器12。

所述直流电机控制器12根据所述输入参数控制所述风力发电机仿真模块20进行仿真运行。

所述供电电源13分别连接所述风力发电机实时模拟器11及直流电机控制器12；其中，所述输出参数包括不同的风力环境、风力电动机的输出转矩与转速；所述输入参数包括电枢电流和转速。

从上述描述可知，本发明的实施例实现了使用风力发电机实时模拟器设定不同的风力环境，根据风力发电机的输出转矩与转速特性，采用转矩闭环模拟策略，控制无刷直流电动机BLDCM与风力发电机输出相同。

本发明实施例三提供了上述仿真系统中风力发电机仿真模块20的一种具体实施方式。参见图3，该风力发电机仿真模块20具体包括如下内容：

依次连接的直流电动机21、传动机构22及发电机23；

直流电动机21上设有速度传感器24，且所述速度传感器24与所述直流电机控制器12通信连接，将所述直流电动机21在运行时的速度和加速度发送至所述直流电机控制器12，其中的直流电动机21为无刷直流电机BLDCM。

所述直流电动机21与所述直流电机控制器12通信连接，且根据所述直流电机控制器12发送的输入参数模拟所述风力电动机的运行，使得所述直流电动机21的输出功率和输出转矩与所述风力电动机相同。

所述传动机构22的两侧分别连接所述直流电动机21及发电机23的转动端；且所述传动机构22为齿轮箱，且所述齿轮箱将所述直流电动机21产生的动作传递给所述发电机23的转动端。

所述发电机23根据所述传动机构22与直流电动机21的同步运行产生幅值和频率变化的交流电，并将该幅值和频率变化的交流电传输至所述并网模块30。

从上述描述可知，本发明的实施例中的无刷直流电机具有易于控制的优点和较宽的变速恒频运行范围，利用无刷直流电机模拟风力发电机，是一种高效可行的新型技术方案。

本发明实施例四提供了上述仿真系统中并网模块30的一种具体实施方式。参见图4，该并网模块30具体包括如下内容：

分别连接至电网的逆变器31、微电网实时模拟器32、发电机控制器33及RLC防孤岛负载34。

所述逆变器31的一端与发电机23的输出端连接，另一端分别连接所述微电网实时模拟器32，且所述逆变器31将接收的幅值和频率变化的交流电通过变流系统转换为直流电能，再将所述直流电能转换为与本地电网同频率且同相位的正弦波电流，并输入本地电网。

所述发电机控制器33与所述发电机23通信连接。

所述微电网实时模拟器32用于设置电网变化参数。

所述RLC防孤岛负载34的孤岛模式为主动防孤岛和被动防孤岛相结合的模式。其中，所述电网变化参数包括：频率漂移及电压突变参数。

从上述描述可知，本发明的实施例不再与单负载连接，而是通过逆变器和大功率的微电网实时模拟器将其并入电网，利用可受控的负载转矩调节，不仅可以完成最基本的静态特性观测，也可以实现对于风电系统动态变化特性的观测。

本发明实施例五提供了上述仿真系统中风力发电机闭环控制方法的一种具体实施方式。参见图5，该风力发电机闭环控制方法具体包括如下内容：

步骤000：根据所述直流电动机21的反电动势、相电流与转速，确定所述风力发电机23的电磁转矩反馈值。

在步骤000中，所述相电流根据设置在所述直流电动机21上的相电流传感器与转速传感器获取，所述反电动势根据设置在所述直流电动机21上的滑膜观测器获取。

步骤100：所述风力发电机实时模拟器11根据所述速度传感器获取直流电动机21的转速及预设的齿轮变速比，确定所述风力发电机23的转速。

步骤200：所述风力发电机23根据所述风力发电机23的转速及预设风速计算得到所述风力发电机23的气动转矩。

步骤300：所述风力发电机实时模拟器11将所述风力发电机23的气动转矩发送至所述直流电机控制器12。

步骤400：所述直流电机控制器12根据所述风力发电机23的气动转矩调节直流电动机21的电枢电压，使得所述风力发电机仿真模块20的输出转矩与风力发电机23的气动转矩相同。

从上述描述可知，本发明的实施例采用转矩闭环模拟策略，使得无刷直流电动机BLDCM与风力发电机输出相同。

为更进一步的说明本方案，本发明还提供一种微电网半实物仿真系统的具体应用例，系统的具体结构参见图6，该仿真系统的具体应用例包括如下内容：

仿真系统包括三大部分：输入参数控制模块、风力发电机仿真模块和并网模块。具体的设备有：风力发电机实时模拟器、无刷直流电机BLDCM控制器和发电机的控制器，大功率回馈型电网模拟源、风电机并网逆变器，RLC防孤岛负载。以及均为实物的直流电机、传动机构及发电机。

使用风力发电机实时模拟器设定不同的风力环境，根据风力发电机的输出转矩与转速特性，采用转矩闭环模拟策略，控制无刷直流电动机BLDCM与风力发电机输出相同。直流电动机通过传动机构驱动发电机，复现实际环境中风电机组的运行状态。并网的部分使用虚拟的微电网仿真系统，通过逆变器将风力发电机并网接入微电网模拟源，再连接至本地电网，评测风电机在微电网中的运行的稳定性。

采取以下的技术方案进一步实现：

电源与控制器之间通过电缆连接。控制器与控制电机之间通过电缆连接。发电机与逆变器之间通过电缆连接。发电机与电网模拟源之间通过电缆连接。实时仿真部分与发电机控制器采用串口通信。实时仿真部分与直流电机控制器采用CAN通信。

直流电机BLDCM控制器与发电机控制器可以采用ABB公司的变频器ACS800，实时仿真器可采用NI公司的PXIe-8133四核嵌入式控制器。

微电网实时模拟器和风电机并网逆变器可采用西安爱科赛博电气股份有限公司的产品。RLC防孤岛负载可采用保定特创电力公司的TC-3087防孤岛装置。

风力发电机实时模拟器采用风力发电机气动模型对风力发电机建模。引入叶尖速比λ和桨叶节距角β两个量，以计算风力发电机的风能利用系数。用风能利用系数C_p表示风力发电机吸收的风能与经过风电机的风能之比。气动转矩与风力发电机吸收的风能和风力发电机转速有关，公式为：

式中，R为风力发电机的叶片半径，n为风力发电机的转速，v是风速。采用曲线拟合的方法，建立C_p(λ，β)曲线，即可得知风能利用系数的值。风力发电机吸收的动能可表示为：

P_w＝0.5ρS_tν³C_p；

式中S_t为风力发电机扫掠面积，ρ为空气密度。气动转矩可通过如下公式计算：

BLDCM直流电动机通过转矩追踪模拟风力发电机的运行，保证直流电机的输出功率和输出转矩与风力发电机相同。直流电机的输出转矩和输出功率可表示为：

所述的直流电动机控制器，采用电枢电流I_a和转速n作为两个控制量。具体实现过程为：使用速度传感器，反馈得到电机的转速，由电机转速与给定的齿轮变速比，得到风力发电机的转速。设置风力仿真条件，给定风速、风力发电机参数等，进而计算叶尖速比λ，根据风力发电机的风能利用系数求出气动转矩。通过调节电枢电压U，改变电枢电流，使直流电机的输出转矩T_e与风力发电机气动转矩相同。

所述的直流电机控制器，通过调制占空比来实现电磁功率的调制。由于BLDCM存在换相，因而会有两相导通和三相导通的形式。通常采用两相导通。

前述的微电网半实物仿真系统，其中，所述的风电机模拟部分采用转矩闭环控制。实现转矩闭环控制的前提是需要准确获得电机的电磁转矩反馈值，BLDCM的电磁转矩通过反电动势、相电流与转速求得，相电流与转速用相应的传感器来检测。

所述的风电机模拟部分，反电动势的获取是计算电磁转矩的关键。采用的方法是滑膜观测器，滑膜观测器对系统的噪声和扰动有很强的抗性，可以较为精确地获取反电动势。

所述的传动机构模拟部分，模拟静态特性时，计算模拟电机与风力发电机摩擦等损耗，使用两种情况下的摩擦系数，对原有转矩闭环模拟策略进行修正。参见图7，电机转矩T_e与气动转矩T_M关系为：

T_e＝T_w'-(B_W'-B_M)ω

其中，T_W’和B_W’是气动转矩和风力发电机摩擦系数折算到传动轴的值，B_M为模拟电机的摩擦系数。

所述的传动机构模拟部分，模拟动态特性时，考虑风速随时间变化、或者负载发生变化的情况。参见图8，模拟电机转矩与气动转矩关系为：

传动机构模拟部分，模拟动态特性时，除了转速外，还需要反馈模拟电机的运行加速度。当风速或负载发生变化时，风力发电机转速出现动态的变化过程，产生加速度。通过速度传感器和加速度传感器实现速度和加速度的反馈，并对直流电机进行转矩闭环控制，可以实现风力发电机输出转矩的准确模拟。

所述的传动机构模拟部分，采用齿轮箱提升发电机的转速。进行更加贴近实际风力系统的模拟。

所述的风电机并网逆变器，将风力发电机产生的幅值和频率变化的交流电，通过变流系统转换为直流电，再将直流电能转换为与电网同频率、同相位的正弦波电流。通过以上先整流后逆变的过程，将风力发电机产生的不稳定电能转化为高质量的稳定电能，馈入电网。

微电网实时模拟器，针对风电机并网逆变器性能检测而开发，提供电压/频率响应特性、零/低电压穿越模拟、电能质量指标模拟等功能。电源可模拟电网中频率和电压的一般性变化，并可模拟市电的电压暂降、短时中断、闪降、频率漂移、三相电压不平衡等。

所述的微电网实时模拟器，设置频率漂移、电压突变等电网的变化情况，以观测电网负载改变情况下风电机参数的动态变化过程，并将参数波形显示于监测器，方便进行数据分析。设备采用三相解耦设计，可分别调整各相位的电压、频率等参数状态。

所述的RLC防孤岛负载，是并网安全防护最重要的项目。通常采用主动防孤岛和被动防孤岛相结合的模式，实现联动保护。

从上述描述可知，本发明以半实物仿真系统替代原有的全软件仿真系统，使用实物的部分为：无刷直流电机、传动机构和发电机。风电机不再与单负载连接，而是通过逆变器和大功率的微电网实时模拟器将其并入电网，利用可受控的负载转矩调节，不仅可以完成最基本的静态特性观测，也可以实现对于风电系统动态变化特性的观测。已有的仿真系统在动态特性模拟时，只考虑输入端的变化或只考虑负载端的变化。本系统可以实现输入端与负载端的同步控制。风力发电机实时模拟器作为输入端，可以实现发电机输出转矩的控制。微电网实时模拟器作为负载端，可以实现负载变化情况的控制。

为更进一步的说明本方案，本发明还提供一种应用风力发电机并网的半实物仿真系统的仿真方法的具体应用例，该仿真方法的具体应用例包括如下内容：

S1：将风力环境与风力发电机模型参数(包括风速、空气密度、风力发电机物理参数等)输入风力发电机实时模拟器；

S2：设置风电机并入微电网中的负载转矩，利用发电机控制器，控制电机使其与逆变器及微电网实时模拟器连接，利用本地电网供电，在给定的初始条件下稳定运行。

S3：风力发电机实时模拟器根据风力参数，以及传感器测量的电机转速，计算风力发电机输出的气动转矩，并显示转矩数值；

S4：通过与风力发电机实时模拟器之间的串口通信，直流电机控制器读取转矩数值，对模拟电机进行转矩闭环控制，使模拟电机的输出转矩与仿真的风力发电机相同；

S5：通过传动机构，模拟电机带动发电机运行，实现对风力发电的模拟；

S6：选择风电系统的模拟条件。静态特性模拟执行步骤B1，动态特性模拟执行步骤B2。

其中，B1：静态特性模拟情况下风电系统稳定运行。设置风力发电机实时模拟器的参数，使风速保持不变。同时设置微电网实时模拟器的参数，保持负载不变，通过传感器的转速和转矩反馈曲线，观察电机转矩和转速的变化过程。

B2：动态特性模拟包括两大方面。一方面是输入端风速波动的模拟，执行步骤C1。另一方面是负载端波动的模拟，执行步骤C2。

C1：在风力发电机实时模拟器中，设置风速变化的条件，例如令风速从5m/s阶跃至7m/s。同时控制微电网实时模拟器，保持负载转矩恒定。通过传感器的转速和转矩反馈曲线，观察电机转速与转矩的变化过程。

C2：在微电网实时模拟器中，设置负载突变的条件，例如令电网单相电压减半，或设置支路短路、断路等故障情况。同时控制风力发电机实时模拟器，保持风速恒定。通过传感器的转速和转矩反馈曲线，观察电机转速与转矩的变化过程。

S1-S6为初始条件设置部分，利用预设好的风力环境，模拟风力发电的逐步启动过程。根据传感器的转速和转矩反馈曲线，当上述参数相对稳定后，方可执行后续步骤。

B1-B2为系统特性的选择部分，引入稳态与动态两种特性，实现对多种系统变化情况的观测。

C1-C2为本技术方案的核心部分。即考虑动态过程的模拟，对本实验的半实物仿真系统和已有软件仿真系统进行对比。设置风速突变和负载突变两种情况，理论值为实验条件下，实际风机高速轴应有的转矩和转速，由风力发电机实时模拟器计算得出。实验值为传感器反馈的风机转矩与转速曲线。

对于负载保持稳定，风速突变的情况。由于机械惯性的存在，风力发电机转速不会发生明显变化，此时风力发电机转矩的突变是由风速的突变引起。随后机组转速随之变化，风力发电机转矩逐渐与负载转矩平衡，机组再次进入稳态。

对于风速保持稳定，负载突变的情况。例如发电机负载转矩突然增加，此时机组转速缓慢降低，同时风力发电机转矩逐渐增加，直到与负载转矩再次平衡。

从上述描述可知，本发明由于引入加速度反馈回路，模拟电机电磁转矩收到加速度反馈的作用，对风力发电机输出转矩进行修正，考虑了惯量引起的速度缓慢变化过程。无论突变风速或突变负载，模拟系统结果都能较好地与实际理论值保持一致。有效地提升了软件仿真系统的模拟准确性。对于输入端，可设定恒负载，风速突变的情况，根据传感器的转速和转矩反馈曲线，进行动态特性观测。对于负载端，可设定恒风速，负载突变的情况，根据传感器的转速和转矩反馈曲线，进行动态特性观测。对比传统单负载的模拟系统，提供了更多负载端变化情况的模拟。包括电压暂降、短时中断、短路、频率漂移、三相电压不平衡等情况。实现更广阔的并网故障状况观测，对风电机在供电过程中的实际应用有优秀的参考性。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。