一种适用于多类型风机的紧凑型风力发电模拟装置及方法与流程

本发明涉及风力发电，更具体的说是涉及一种适用于多类型风机的紧凑型风力发电模拟装置及方法。

背景技术：

1、风力发电作为一种有效的可再生能源利用形式，近年来越来越受到关注，但是由于条件所限，大量的实际风场实验验证是不现实的，为了高效的对系统控制策略及软硬件进行验证，通常需要对风力发电系统进行前期实验室地面模拟实验研究，由于实验室场地和空间有限，对实验平台的成本要求较高、因而灵活、可编程性强、体积小、重量轻、能够适应风力机、各种传动系、各种风力发电机的风力发电实验室模拟系统成为了迫切需求。

2、现有的一些专利从不同的方面开发了一些风力发电模拟系统，提出的风电模拟系统模拟了风机气动特性(跟踪转矩-转速曲线)、mppt控制、桨距角控制等常规特性同时对并网电能质量、系统稳定性、电网适应性等情况。但是上述风电模拟系统采用了电动机+发电机+变频器的对拖系统以及背靠背的变流器，具有体积大、设备重、针对不同参数风机进行模拟的灵活性差，不具备可编程特性等缺点，满足不了实验室对场地、空间、重量等限制要求，且现有的风机模拟系统都只对某一固定风力发电机型进行模拟实验，模拟平台不具备灵活性和可编程性。

3、因此，如何减少模拟系统的占用空间，提高系统灵活性是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种适用于多类型风机的紧凑型风力发电模拟装置及方法，将风机模型、齿轮箱、发电机等进行数学建模，用可编程上位机软件代替，因此系统占用空间少，具有更强的灵活性，可实现多类型风机及多控制方式的模拟。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种适用于多类型风机的紧凑型风力发电模拟装置，包括交流电网、工频隔离变压器、并网接触器、机侧变流器、网侧变流器、电压跌落装置和可编程上位机；

4、所述网侧变流器的直流侧与所述机侧变流器背靠背连接直流母线；所述网侧变流器依次通过所述工频隔离变压器、所述并网接触器、所述电压跌落装置接入所述交流电网；所述机侧变流器的逆变侧依次通过所述工频隔离变压器、所述并网接触器接入到交流电网；所述机侧变流器和所述网侧变流器均连接所述可编程上位机；在所述可编程上位机内模拟风机发电模型，生成控制指令传输至所述机侧变流器或所述网侧变流器。

5、优选的，所述直流母线上设置有电容。

6、优选的，所述机侧变流器采用p/q控制模式，实时接收所述可编程上位机发来的功率指令值；所述可编程上位机向所述网侧变流器发送启动指令和所述功率指令值，所述网侧变流器采用定电压控制方式。

7、优选的，所述机侧变流器和所述网侧变流器采用modbus协议，经路由器和所述可编程上位机相连，实现双向数据通信。

8、优选的，所述风机发电模型包括风速模型、风机模型、变速齿轮箱模型和发电机模型；所述发电机模型可以为不同类型的发电机模型；所述可编程上位机根据所述风机模型和所述风速模型模拟计算风机功率输出指令，根据所述风机功率输出指令计算输入所述变速齿轮箱模型的齿轮箱输入扭矩，结合所述变速齿轮箱模型模拟得到发电机输入扭矩，所述发电机模型根据所述发电机输入扭矩模拟计算发电机输出功率，根据所述发电机输出功率生成功率指令值。

9、优选的，风机模型的主要参数包括空气密度，转子旋转基速、转子初始化速度、风机的转动惯量，表示为：

10、

11、其中，p为风力机实际获得的轴功率；cp为风力机的风能利用系数；ρ为空气的密度；s风轮处截面积；v为风轮上游风速。

12、优选的，风速模型包括基本风模型、阵风模型、渐变风模型和随机风模型，其中，

13、阵风模型表示为：

14、

15、式中，t1g、tg、分别为阵风启动时间、阵风周期和阵风最大值；t表示时间；

16、渐变风模型表示为：

17、

18、式中，vramp＝vwrmax[1-(t-t2r)/(t1r-t2r)]；vwrmax、t1r、t2r、tr分别为渐变风速最大值、渐变风起始时间、渐变风终止时间和渐变风保持时间；

19、随机风模型表示为：

20、

21、式中，ωi＝(i-0.5)·δω；φi是0～2π之间均匀分布的随机变量；δω是幅值波动参数，值可取0.5～2；k是地表粗糙系数，一般可取0.004；f0是紊流尺度；μ是相对高度的平均风速；n为设定常数，n＝50。

22、优选的，变速齿轮箱模型采用三质量块模型，考虑了风轮的转动惯量jr，齿轮箱风轮侧的转动惯量为j1，发电机侧的转动惯量为j2，发电机的转动惯量为jg，表示为：

23、

24、

25、

26、

27、其中，tr是风轮的转矩；jr是风轮的转动惯量；dr是低速轴的阻尼系数，kr是低速轴的刚度系数，是低速轴齿轮箱侧的转动惯量；j2是高速轴齿轮箱侧的转动惯量；dg是高速轴的阻尼系数；kg是高速轴的刚度系数；jg是发电机的转动惯量；tg是发电机的扭矩；t2齿轮箱右侧输出扭矩n是齿轮箱传动比，t1齿轮箱左侧输入扭矩；θr是风轮机械旋转角；θg是发电机机械旋转角；θ1是低速轴机械旋转角；θ2是高速轴机械旋转角。

28、优选的，所述发电机模型根据所述发电机输入扭矩模拟计算发电机输出功率，根据永磁同步发电机模拟对应的所述发电机模型，表示为：

29、

30、

31、te＝1.5p·[ψ·iq+(ld-lq)·id·iq]

32、

33、其中，vd、vq、id、iq分别是所述永磁同步发电机在同步旋转坐标系下分解后的d轴定子电压、q轴定子电压、d轴定子电流和q轴定子电流；ld、lq均为同步旋转坐标系下分解后的d轴等效电感和q轴等效电感；ρ为永磁同步发电机的极对数；te为永磁同步发电机电磁转矩；tm为负载扭矩；f为摩擦系数；ψ为转子上感应产生的磁链幅值；j为转子轴的转动惯量；ωr为转子转速。

34、一种适用于多类型风机的紧凑型风力发电模拟方法，模拟过程包括以下步骤：

35、步骤1：在可编程上位机上构建风机发电模型，生成控制指令，并定时传输给机侧变流器；

36、步骤11：在可编程上位机上构建风机模型和风速模型，根据所述风机模型和所述风速模型计算风机功率输出指令，根据所述风机功率输出指令得到齿轮箱输入扭矩；

37、步骤12：在所述可编程上位机上构建变速齿轮箱模型，将所述齿轮箱输入扭矩输入所述变速齿轮箱模型，得到发电机输入扭矩；

38、步骤13：在所述可编程上位机上构建发电机模型，将所述发电机输入扭矩输入所述发电机模型，得到发电机输出功率；

39、步骤14：根据所述发电机输出功率生成功率指令值，通过modbus通信协议，经过无线路由器将所述功率指令值传输给所述机侧变流器，且令所述机侧变流器的控制模式为p/q控制；

40、步骤2：所述机侧变流器接收到所述功率指令值后，通过电流前馈解耦控制，计算出对应的有功/无功电流指令参考，并启动功率因数可控pwm整流，实现电流闭环无差拍跟踪控制，实现风力发电机发出功率的模拟；此时，机侧变流器的逆变侧依次通过工频隔离变压器和并网接触器连接固定电压的交流电网，将能量释放到与网侧变流器相连的直流母线电容中；

41、步骤3：随着直流母线电压的升高，当所述可编程上位机监测到直流母线电压达到网侧变流器并网发电最小直流母线电压条件时，所述可编程上位机向所述网侧变流器发送启动指令和功率指令值，启动所述网侧变流器工作，依次通过所述工频隔离变压器、所述并网接触器、所述电压跌落装置连接固定电压的交流电网；通过电压跌落装置模拟电网的跌落和骤升，可以来研究风力发电机的低电压穿越(lvrt)和高电压穿越(hvrt)性能；

42、步骤4：所述风速模型模拟的风速曲线可根据需要(如最大风速、基本风速、渐变风速、浆距角、风能利用系数、风轮直径、风机效率、随机风波动幅值、随机风波动间距等参数)由可编程上位机自动生成，通过调整风速曲线返回步骤1，完成不同环境下风力发电模拟装置的模拟测试；模拟的点数也可以通过程序自动设置，功率点数量由上位计算机软件设定，通过定时器向机侧变流器发送功率指令值，模拟风速点数越多，精度也就越高。

43、本发明中可编程上位机的模拟软件中包含典型的风机模型、变速齿轮箱模型及发电机模型且上述模型均对用户开放，可根据实际需求自由修改所需参数及添加自建模型。

44、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种适用于多类型风机的紧凑型风力发电模拟装置及方法，具有以下有益效果：

45、(1)本发明可以对不同参数规格的风机、变速箱、风力发电机等进行数学建模，形成可编程上位机后台软件，可以模拟风剪、塔影效应、湍流效应引起的并网功率波动，为研究风电并网电能质量提供了平台。

46、(2)本发明可模拟大型风机具有的大惯量特性，可模拟风机的传动轴的柔性，省略了齿轮箱，可实现对不同功率等级风机的功率、机械特性的模拟。

47、(3)本发明的风力机模拟器采用了全数字化建模方式，可灵活的对不同类型风机进行模拟。另外，传统方案中的风力发电机有：交流异步电机、永磁同步电机、直流发电机等，传动系也采用了实物，由于采用了实物装置，导致整体模拟系统造价高、占地空间大，使用不便。本发明针对不同类型发电机进行建模，具有通用性、扩展性且系统更加紧凑，用户可根据实际需求灵活选择，大大满足了实验室风力发电模拟研究的需要。

48、(4)本发明的电网处接入了电压跌落装置，可模拟电网的跌落和骤升，为研究风电的低电压穿越(lvrt)和高电压穿越(hvrt)提供了平台。