CN102705169B - 一种风力发电运行状态监测与控制模型机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电运行状态与控制模型机，它是基于MATLAB软件主要针对1.5兆瓦风力发电机系统而全面的建立了风力发电全过程状态监控与仿真分析模型，可以实时演示任何工况下的状态参数和演变过程，为风力发电研究及人才培养提供了一个系统而全面的操作平台。

Description

一种风力发电运行状态监测与控制模型机

技术领域

本发明属于对典型大中型风力发电机的系统级建模和控制技术领域，主要涉及模拟不同工况下风力发电的运行特性，涉及到多域物理建模和系统级控制策略领域。

背景技术

世界风力发电技术越来越成熟，风力发电机组装机容量越来越大，从定桨距控制到变桨距控制，从恒速恒频到变速恒频，从陆地到海上，风力发电正以前所未有的速度发展。作为风力资源较为丰富的国家之一，我国也加快了风电技术领域的自主开发与研究，截止2011年底，我国新增风电装机容量接近1800万千瓦，总装机容量达到6500万千瓦，已经是世界上风电设备制造大国和风电装机容量最多的国家，“十二五”规划中提到，到2015年时，全国风电并网装机达到1亿千瓦，风电新增装机7000万千瓦，建设6个陆上和2个海上及沿海风电基地。“十二五”期间，我国要从风电大国向风电强国转变。

风力发电产业的快速发展直接带动风力发电技术人员需求的增长，但当前的人才供应状况不容乐观。国内高校设立风力发电专业或专业方向较少，通常风力发电企业只能从相关专业遴选所需的技术人员。同时技术人员缺乏对风力发电场系统构成与运行知识的了解，更缺乏运行操作经验。借助仿真实验平台，可以在较短的时间内培训出合格的运行操作人员。在风力发电仿真平台的开发过程中，需要针对风力发电机组的各个环节，如风力机、发电机等，进行物理特性的研究和仿真模型的建立，从而对整个机组运行特性就有了一个全面而细致的了解。风速风向的随机性和波动性给控制系统开发带来了很大的困难和风险。将不成熟的控制规律和控制系统运用于风力发电场的运行控制，可能带来灾难性的事故。仿真实验平台可以对控制规律进行全面的检验，减少了运行风险和控制系统的开发周期。此外，技术人员可以在仿真实验平台上开展反事故演习和不同运行方式仿真实验，熟练掌握各种异常运行工况下的应对处理措施，进而提高实际风力发电场的运行水平，减少设备受损几率，提高风力发电场运行的安全性和经济性。

目前国内将仿真运用于风力发电系统尚处于起步阶段，公开的成果尚不多见。其中上海寰晟新能源科技有限公司开发的《BLADE风力发电机组仿真设计及应用软件》为成果之一，但是只是风力发电机组设计演示，不能对风力发电机组运行状态和控制进行实验和演示。总之，国内目前还没有针对风力发电运行状态和控制进行实验和演示产品。针对现有的技术的不足和需要，开发风力发电机组全过程仿真实验平台，具有深远而特殊的意义。

发明内容

发明目的：针对上述现有存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种封闭式、一键操作且占地小的橡胶沥青室内制备装置。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种风力发电运行状态监测与控制模型机，其特征在于：包括气动转化模块、传动系统模块、发电系统模块、液压变桨距模块和偏航系统模块，其中：

所述气动转化模块，建立叶轮捕获风能并将风能转换成轮毂上的机械转矩这一过程的数学模型；所述传动系统模块，为一级行星两级圆柱齿轮传动，将叶轮低转速转换成高转速输出；所述发电系统模块，将传动模块的高转速机械能输出转换成电能，并监测输出电能；所述液压变桨距模块，根据风速对风轮的桨距角进行控制，从而使得当风速低于额定风速时，以最大风能捕获输出；而当风速大于额定风速时，进行恒功率输出；所述偏航系统模块，使风轮跟踪变化的风向，当风向与风轮轴线偏离一个角度时，控制偏航电机将风轮调整到与风向一致的方位。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：（1）系统而全面的建立了风力发电过程的模型和运行控制方法，可以演示在任何运行工况下的状态参数和演变过程，可以实时演示风速、风向、叶片力矩、桨距角、转速、转矩、发电机电流、发电机出口电压、有功、无功以及直流母线电压等物理量的变化状况；(2)可以为风力发电研究以及人才培养等提供一个系统而全面的操作平台，在该平台上，研究人员可以研究风力发电过程动态特性，为动态特性的改进提供基础；在人才培养方面，可以使操作人员对整个机组的运行特性有一个全面而细致的了解。

附图说明

图1为本发明的风力发电系统控制系统图；

图2为桨叶空气动力负荷原理图；

图3为桨叶C_l、C_d与i关系图；

图4为变桨距控制框图；

图5为变桨距控制器示意图；

图6为液压变桨距机构简化前的数学物理模型；

图7为液压变桨距机构简化后的数学物理模型；

图8为变桨距电液比例控制系统的结构原理图；

图9为变桨距电液比例控制系统方框图；

图10为偏航控制的结构图；

图11为齿轮传动系统模型；

图12为传动系统刚性轴系模型；

图13为转速功率曲线；

图14为工况切换逻辑流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本发明利用MATLAB软件并针对典型1.5兆瓦风力发电机的系统级状态监测和控制，建立风力发电全过程模型，融合全过程模型和全过程控制方法，显示风力发电全过程的状态参数和演变过程，如图1所示是风力发电系统控制系统的系统图。

1.气动转化模块的数学模型（基于叶素理论）

风力机通过叶轮捕获风能，并将风能转换为轮毂上的机械转矩，这个过程是一个复杂的气动力问题。图2为桨叶空气动力负荷原理图。

其中各物理量的含义如下，v：风速；w：相对于叶素的风速；dL：叶素升力；dD：叶素阻力；dF_t：叶素运动方向升力；dF_a：叶素轴向阻力；dF：叶素所受合力；-ω_wtr：切向风速分量；i：攻角（合成气流方向与翼型几何弦线的夹角）；

入流角(合成气流速度与旋转平面之间的夹角)；β：桨距角（回转平面与桨叶截面弦长的夹角）。

根据叶素理论，风机叶片受力如下:

$\mathrm{dL}=\frac{1}{2}\mathrm{\ρw}{\left(j\right)}^{2}c\left(j\right)C_l\mathrm{dr}---\left(1\right)$

$\mathrm{dD}=\frac{1}{2}\mathrm{\ρw}{\left(j\right)}^{2}c\left(j\right)C_d\mathrm{dr}---\left(2\right)$

$d{F}_a=\frac{1}{2}\mathrm{\ρw}{\left(j\right)}^{2}c\left(j\right)\mathrm{dr}(C_l\cos (i+\mathrm{\β})+C_d\sin (i+\mathrm{\β}))---\left(3\right)$

$d{F}_t=\frac{1}{2}\mathrm{\ρw}{\left(j\right)}^{2}c\left(j\right)\mathrm{dr}(C_l\sin (i+\mathrm{\β})-C_d\cos (i+\mathrm{\β}))---\left(4\right)$

式中，c(j)为叶素弦长，m；ρ空气密度，kg/m³；dL为翼型在顺翼展方向的升力；dD翼型在平行于w方向的阻力；dF_a为沿旋转方向的升力积分单元，dF_t为沿旋转方向的阻力积分单元。

为简化计算，对于风机叶片的受力，采用下式表示：

$L=\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}[v^2+{\left(\frac{2}{3}l{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{wt}}\right)}^2]A{C}_l---\left(5\right)$

$D=\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}[v^2+{\left(\frac{2}{3}l{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{wt}}\right)}^2]A{C}_d---\left(6\right)$

A=lb                            （7）

则

$F_a=\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}[v^2+{\left(\frac{2}{3}l{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{wt}}\right)}^2]A(C_l\cos (i+\mathrm{\β})+C_d\sin (i+\mathrm{\β}))---\left(8\right)$

$F_t=\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}[v^2+{\left(\frac{2}{3}l{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{wt}}\right)}^2]A(C_l\sin (i+\mathrm{\β})-C_d\cos (i+\mathrm{\β}))---\left(9\right)$

其中攻角i由下式给出

式中，l为叶片长度，b叶片宽度，F_a为轴向升力，F_t为轴向阻力，C_l为叶片升力系数，C_d为叶片阻力系数，C_d和C_l均为攻角i的函数，其关系可表达成如图3所示。

2.变桨距控制模型

本发明的变桨距控制模型根据风力发电机组的控制目标：额定风速以下，利用转速控制器实现最大风能捕获控制；额定风速以上，进行恒功率控制，使系统在高风速下保持恒功率输出。控制框图如图4和图5所示:

本发明的桨距角控制器基于转速和功率，控制器的设计采用标幺值，机组的额定功率为1。当功率大于等于0.75时，由最大转速1.2和实际风轮转速差值经比例环节设计转速控制器；当功率小于0.75时，利用功率转速曲线得出理想转速并与风轮实际转速做差设计转速控制器，功率转速曲线见图13。此外，功率控制环节（实际功率与额定功率的差值经PI环节）在整个控制过程中起桨距角补偿作用。控制器采用传统的PI进行控制。

3.变桨距执行机构数学模型

为了模拟变桨执行机构的动作，本发明构建了液压变桨距机构数学物理模型，如图6所示：

本发明设计的变桨距液压系统，实质上是一个液压缸驱动工作部件的进口节流调速回路系统，即系统通过节流阀控制压力，间接实现对液压缸活塞杆位移的控制。显然，系统的性能取决于节流阀、液压缸等元部件的特性。由于比例阀和节流阀的特性相似，本发明所建立数学模型忽略节流阀的作用并进行简化，采用如下简化后的液压系统图7建立变桨距执行机构的数学模型。

3.1阀控缸系统的数学模型

3.1.1负载压力和负载流量

对非对称缸系统的负载压力与负载流量的定义应为：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_L=P_1-\mathrm{\λ}{P}_2\\ Q_{L1}=Q_1\end{array}\right.$ x＞0            （11）

$\left\{\begin{array}{c}{P}_L=P_2-\frac{1}{\mathrm{\λ}}{P}_1\\ Q_{L2}=Q_2\end{array}\right.$ x＜0            （12）

式中：P_L—负载压力，Pa；

P₁、P₂—分别为液压缸无杆腔和有杆腔压力，Pa；

λ—液压缸有杆腔面积A₂和无杆腔面积A₁之比，

Q₁、Q₂—分别为液压缸无杆腔和有杆腔的流量，m³/s；

Q_L2、Q_L1—负载流量，m³/s；

3.1.2数学模型的建立

以

为例对系统进行分析，阀控非对称液压缸系统的三个基本方程进行拉氏变换后得：

$Q_L\left(s\right)=C_{\mathrm{tc}}{P}_L\left(s\right)+C_{\mathrm{tb}}{P}_s+\left(\frac{V_{1}s}{{\mathrm{\β}}_e(1+{\mathrm{\λ}}^3)}\right)P_L\left(s\right)+A_1\mathrm{sY}\left(s\right)---\left(13\right)$

Q_L(s)=K_qX(s)-K_cP_L(s)                         （14）

A₁P_L(s)=M₁s²Y(s)+B_psY(s)+K_sY(s)+F_L(s)        （15）

式中：β_e—油液的体积模量；

C_tc—油缸的总泄漏系数，m⁵/s·V，

（C_ic为液压缸内泄漏系数，m⁵/N·s；C_ec为液压缸外泄漏系数，m⁵/N·s）

C_tb—系统泄漏系数，m⁵/s·V，

K_q—流量增益，m³/s·V，且系数

（C_d为控制阀口的流量系数；ω为节流口面积梯度，m；P_L0，x₀为工作点的参数值；Ps为泵的出口压力；ρ为液压油密度，kg/m³）

K_c—阀的流量-压力系数，

（r_c为比例阀阀芯的径向间隙，mm；u为流体动力粘度，Pa）

M₁—活塞以及与活塞相联的负载折算到活塞上的总质量，kg；

B_P—活塞和负载的粘性阻尼系数，N/m·s；

K_S—负载弹性刚度，N/m；

F_L—作用在活塞上的任意外干扰力；

阀控非对称缸的数学模型：

$Y\left(s\right)=\frac{\frac{K_q}{A_1}X\left(s\right)-\frac{K_{\mathrm{ce}}}{A_1^2}(1+\frac{V_1}{K_{\mathrm{ce}}{\mathrm{\β}}_e(1+{\mathrm{\λ}}^3)}s)F_L\left(s\right)}{\frac{M_1{V}_1}{A_1^2{\mathrm{\β}}_e(1+{\mathrm{\λ}}^3)}{s}^3+(\frac{K_{\mathrm{ce}}{M}_1}{A_1^2}+\frac{B_p{V}_1}{A_1^2{\mathrm{\β}}_e(1+{\mathrm{\λ}}^3)})s^2+(\frac{K_s{V}_1}{A_1^2{\mathrm{\β}}_e(1+{\mathrm{\λ}}^3)}+\frac{K_{\mathrm{ce}}{B}_P}{A_1^2}+1)s+\frac{K_{\mathrm{ce}}{K}_s}{A_1^2}}$

（16）

式中：X(s)—阀芯位移信号；

      Y(s)—活塞位移信号；

K_ce—液压缸的总流量压力系数，定义为：K_ce=C_tc+K_c。

以阀芯位移信号X(s)为指令输入，以活塞位移信号Y(s)为输出的阀控液压缸的传递函数为：

$G\left(s\right)=\frac{Y\left(s\right)}{X\left(s\right)}=\frac{\frac{K_q}{A_1}}{s(\frac{s^2}{{\mathrm{\ω}}_n^2}+\frac{2{\mathrm{\ξ}}_n}{{\mathrm{\ω}}_n}s+1)}---\left(17\right)$

式中：ω_n—阀控液压缸无阻尼液压固有频率，rad/s；

${\mathrm{\ω}}_n=\sqrt{\frac{A_1^2{\mathrm{\β}}_e(1+{\mathrm{\λ}}^3)}{M_1{V}_1}}---\left(18\right)$

ξ_n—阀控液压缸液压阻尼系数。

${\mathrm{\ξ}}_n=\frac{K_{\mathrm{ce}}}{2A_1}\sqrt{\frac{M_1{\mathrm{\β}}_e(1+{\mathrm{\λ}}^3)}{V_1}}+\frac{B_p}{2A_1}\sqrt{\frac{V_1}{M_1{\mathrm{\β}}_e(1+{\mathrm{\λ}}^3)}}---\left(19\right)$

3.2直动式电液比例方向阀的数学模型

4.2.1比例控制放大器的数学模型

I(s)=K_AU(s)                （20）

式中：K_A—比例控制放大器增益，A/V。

4.2.2直动式电液比例方向阀阀芯运动的数学模型

直动式电液比例方向阀数学模型为:

$G_X\left(s\right)=\frac{X\left(s\right)}{I\left(s\right)}=\frac{K_V}{\frac{s^2}{{\mathrm{\ω}}_h^2}+\frac{2{\mathrm{\ξ}}_h}{{\mathrm{\ω}}_h}s+1}---\left(21\right)$

式中：K_V—比例阀电流位移增益，mmA；

ω_h—比例阀衔铁组件弹簧质量系统固有频率，rad s；

ξ_h—比例阀衔铁组件无因次阻尼比。

3.3变桨距电液比例控制系统的数学模型

变桨距电液比例控制系统结构原理如图8所示：

由于位移传感器的响应速度远远高于动力机构，所以可以看成一个比例放大环节，其增益为K_F，根据分析结果和比例控制系统的结构原理可以得到控制系统的方框图，如图9所示，而整个系统模型为：

$G_K\left(s\right)=\frac{Y\left(s\right)}{U\left(s\right)}=\frac{K_A{K}_V{K}_M{K}_F}{s(\frac{s^2}{{\mathrm{\ω}}_h^2}+\frac{2{\mathrm{\ξ}}_h}{{\mathrm{\ω}}_h}s+1)(\frac{s^2}{{\mathrm{\ω}}_n^2}+\frac{2{\mathrm{\ξ}}_n}{{\mathrm{\ω}}_n}s+1)}---\left(22\right)$

式中：K_M—速度放大系数，定义为

开环传递函数式中的分母为五阶，分析起来较为复杂，仍需进一步简化，在系统中液压缸对系统的动态特性有决定性影响，也就是说一般情况，ω_h□ω_n，因此，开环传递函数可作如下近似：

$G_K\left(s\right)=\frac{Y\left(s\right)}{U\left(s\right)}=\frac{K_A{K}_V{K}_M{K}_F}{s(\frac{s^2}{{\mathrm{\ω}}_n^2}+\frac{2{\mathrm{\ξ}}_n}{{\mathrm{\ω}}_n}s+1)}---\left(23\right)$

在不考虑负载作用的情况下，变桨距电液比例控制系统的闭环传递函数为：

$G_B\left(s\right)=\frac{Y\left(s\right)}{U\left(s\right)}=\frac{K_A{K}_V{K}_M}{s(\frac{s^2}{{\mathrm{\ω}}_n^2}+\frac{2{\mathrm{\ξ}}_n}{{\mathrm{\ω}}_n}s+1){+K}_A{K}_V{K}_M{K}_F}---\left(24\right)$

4.偏航控制模型

本发明所述偏航系统由控制器、功率放大器、执行机构、偏航计数器等部件组成，偏航执行机构有电机驱动。偏航控制结构图如图11所示。本发明所述的偏航执行系统的数学模型为一个二阶系统，其传递函数为：

$G\left(s\right)=\frac{\mathrm{\θ}\left(s\right)}{V\left(s\right)}=\frac{K_m}{s(T_{m}s+1)}---\left(25\right)$

$K_m=\frac{1}{C_e}---\left(26\right)$

$T_m=\frac{\mathrm{RG}{D}^2}{365C_e{C}_t}---\left(27\right)$

式中，θ(s)和V(s)分别为偏航角度和电枢电压；T_m为电机时间常数；K_m为电动势传递系数；C_t为转矩系数；C_e为电动势系数；G为转子重量；D为转子直径。

本系统偏航控制器采用PI控制，控制结构图如图10所示。

5.传动系统物理模型

本发明中的风电机组传动系统物理模型为一级行星两级圆柱齿轮传动，结构图如图11所示：

低速轴为行星传动，使功率风流，同时合理应用了内啮合，末二级为平行轴圆柱齿轮传动，可合理分配增速比，为进一步理解传动机构的工作机理，本发明搭建了传动机构数学模型，其实质为刚性传动模型。

刚性轴系模型认为传动系统的扭转刚度足够大，将低速轴、齿轮箱的传动轴、高速轴看作是刚性连接，高速轴与低速轴的转速按齿轮箱恒定的传动比变化，风轮转子和发电机的速度变化来自于气动转矩与发电机响应转矩的不平衡。刚性轴等效模型示意图如图12所示：

根据刚性轴系模型的观点，发电机侧的高速轴转速是低速轴转速的K_g倍，而转矩则降低了K_g倍。因此，传动系统的刚性轴系动态模型为：

转动惯量折算到低速轴： $T_{\mathrm{wt}}-\frac{K_g}{\mathrm{\η}}{T}_G=J_l\frac{d{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{wt}}}{\mathrm{dt}}---\left(28\right)$

转动惯量折算到高速轴： $\frac{\mathrm{\η}}{K_g}{T}_{\mathrm{wt}}-T_G=J_h\frac{d{\mathrm{\ω}}_G}{\mathrm{dt}}---\left(29\right)$

式中，T_wt，T_G分别风轮转矩和发电机转矩；ω_wt，ω_G分别为风轮转速和发电机转速；J_l，J_h分别为系统的转动惯量折算到低速轴侧、高速轴侧的等效转动惯量；K_g为总传动比。

K_g=k₁×k₂×k₃                （32）

其中：k₁、k₂、和k₃分别为行星齿轮，一级斜齿轮，两级斜齿轮的传动比率；

J₁、J₂和J₃分别为中心齿轮轴、一级传动轴和两级传动轴的转动惯量；η为传动效率。

6.双馈发电机控制模型

本发明的双馈感应发电机的控制模型，转子侧变换器是通过DFIG定子磁链定向进行控制，网侧变换器是通过电网电压定向控制的。

转子侧变换器控制系统采用双闭环系统，外环为功率控制环，内环为电流控制环。在功率环中，P^*和Q^*分别由参考有功功率模型计算模型和参考无功功率计算模型计算得到，P^*和Q^*与功率反馈值P、Q进行比较，差值经PI型功率调节器运算，输出定子电流无功功率及有功功率参考指令

和

和转子电流反馈值i_dr、i_qr比较后的差值送入PI型电流调节器，调节后输出电压分量u′_dr、u′_qr，加上电压补偿分量后就可获得转子电压指令

经坐标变化后得到两相静止坐标系的控制指令。根据指令信号进行空间电压矢量PWM调制后输出对发电机侧变换器的驱动信号，实现对DFIG的控制。

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{dr}}^{*}\\ u_{\mathrm{qr}}^{*}\end{array}\right]=f\left(\begin{array}{cccc}{Q}^{*}& Q& P^{*}& P\end{array}\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{dr}}^{*}=R_r{i}_{\mathrm{dr}}-{\mathrm{\ω}}_s\mathrm{\σ}{L}_r{i}_{\mathrm{qr}}-{\mathrm{\ω}}_s\frac{L_m}{L_s}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{qs}}+u_{\mathrm{dr}}^{\′}\\ u_{\mathrm{dr}}^{\′}=K_p(i_{\mathrm{dr}}^{*}-i_{\mathrm{dr}})+K_i\∫(i_{\mathrm{dr}}^{*}-i_{\mathrm{dr}})\mathrm{dt}\\ i_{\mathrm{dr}}^{*}=K_p(Q^{*}-Q)+K_i\∫(Q^{*}-Q)\mathrm{dt}\\ Q^{*}=0\\ Q=-\frac{3}{2}{U}_m\frac{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ds}}}{L_s}-\frac{3}{2}{U}_m\frac{L_m}{L_s}{i}_{\mathrm{dr}}\\ \mathrm{\σ}{=1-L}_m^2/\left(L_r{L}_s\right)\end{array}\right.$ $\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{qr}}^{*}=R_r{i}_{\mathrm{qr}}-{\mathrm{\ω}}_s\mathrm{\σ}{L}_r{i}_{\mathrm{dr}}-{\mathrm{\ω}}_s\frac{L_m}{L_s}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ds}}+u_{\mathrm{qr}}^{\′}\\ u_{\mathrm{qr}}^{\′}=K_p(i_{\mathrm{qr}}^{*}-i_{\mathrm{qr}})+K_i\∫(i_{\mathrm{qr}}^{*}-i_{\mathrm{qr}})\mathrm{dt}\\ i_{\mathrm{qr}}^{*}=K_p(P^{*}-P)+K_i\∫(P^{*}-P)\mathrm{dt}\\ P^{*}=\frac{K{\mathrm{\ω}}_m^3}{1-s}\\ P=-\frac{3}{2}{U}_m\frac{L_m}{L_s}{i}_{\mathrm{qr}}\\ \mathrm{\σ}{=1-L}_m^2/\left(L_r{L}_s\right)\end{array}\right.$

式中

分别为转子电压指令d轴和q轴分量；

u_qr，u_dr分别为转子电压的q轴和d轴分量；

u′_dr，u'_qr分别是经调节器调节后输出电压d轴和q轴分量;

分别为电流参考指令d轴和q轴分量；

i_qr，i_dr分别为转子电流的q轴和d轴分量；

P^*，Q^*分别为参考有功功率和参考无功功率；

P、Q分别是实测有功功率和无功功率反馈值；

ω_s为滑差率；

σ为漏磁系数；

为dq坐标系定子与转子同轴等效绕组间的互感；

为dq坐标系转子等效两相绕组的自感；

为dq坐标系定子等效两相绕组的自感；

R_r为转子绕组电阻；

U_m为三相电网相电压幅值；

ω_mm为风力机最大转速。

s为发电机转差率；

ρ为空气密度，C_p为风能利用系数，R为风轮半径。

K_p为比例增益；K_i为积分增益。

网侧变流器的控制目标主要是保证直流侧电压的恒定且具有良好的动态响应能力和确保并网时网侧的输入量为正弦，功率因数接近1，即实现单位功率因数整流和单位功率因数逆变。在结构上，网侧变流器采用了电流内环和直流电压外环配合运行的方式。

直流环节给定电压

和反馈电压U_dc相比较后的误差经PI调节器调节输出

则由功率因数的性质决定。在双PWM型变换器作为DFIG的励磁电源时则实行单位功率因数，即

分别与对应的反馈值i_d、i_q相比较后的误差经PI调节器调节后输出u'_d、u'_q，再与各自的解耦补偿项和电网电压扰动补偿项相运算后得到变换器交流侧参考电压

经坐标变换，进行SVPWM调制，产生驱动信号实现对网侧变换器的控制。

$\left[\begin{array}{c}{u}_{d1}^{*}\\ u_{q1}^{*}\end{array}\right]=f\left(\begin{array}{cccc}{U}_{\mathrm{dc}}^{*}& U_{\mathrm{dc}}& i_q^{*}& i_q\end{array}\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{d1}^{*}=u_d-i_{d}R+i_q{\mathrm{\ω}}_{1}L+u_d^{\′}\\ u_d^{\′}=K_p(i_d^{*}-i_d)+K_i\∫(i_d^{*}-i_d)\mathrm{dt}\\ i_d^{*}=K_p(U_{\mathrm{dc}}^{*}-U_{\mathrm{dc}})+K_i\∫(U_{\mathrm{dc}}^{*}-U_{\mathrm{dc}})\mathrm{dt}\end{array}\right.$ $\left\{\begin{array}{c}{u}_{q1}^{*}=u_q-i_{q}R+i_d{\mathrm{\ω}}_{1}L+u_q^{\′}\\ u_q^{\′}=K_p(i_q^{*}-i_q)+K_i\∫(i_q^{*}-i_q)\mathrm{dt}\\ i_q^{*}=0\end{array}\right.$

式中，

分别为变换器交流侧参考电压d轴和q轴分量；

u'_d，u'_q分别为经调节器调节后输出电压d轴和q轴分量；

为直流环节给定的参考电压；

U_dc为实际反馈直流母线电压；

为经PI调节器调节输出电流d轴分量；

为参考电流q轴分量，

i_d、i_q为实测反馈电流d轴和q轴分量；

R为电网侧的电阻；

L为电网侧的电感；

ω₁为同步转速；

K_p为比例增益；K_i为积分增益。

7.风力发电过程模型的融合与参数显示

本发明采用的工具为MATLAB软件，融合1-7部分的风力发电过程模型和风力发电机组的过程控制方法，如最大风能追踪、变桨距控制、偏航系统控制、工况与模式切换、发电机与并网控制等，风力发电系统控制结构图如附图1所示，控制目的和机理如下：

①机组控制系统主要的任务是在额定风速以上时，限制风力机转速和气动功率捕获，确保发电机组输出功率稳定在额定值；在额定风速以下时，控制发电机转子励磁电流来控制发电机转矩，进而控制风力机转速变化，跟踪最佳叶尖速比实现最大风能捕获；在很大的风速范围内，能够向电网提供满足电压、频率、功率因数等严格要求的优质电能。在整个运行范围内，通过优化控制协调最佳效率与降低机械载荷，确保各机械部分的应力在限制之内。其控制系统主要包括：桨距控制系统、转速控制系统、功率控制系统三个控制子系统。

②控制系统主要是在高风速下调节桨距角以限制气动功率为目标，当风速超过机组额定风速时，由于机组机械强度和发电机、电力电子容量的限制，必须降低风轮的能量捕获，使输出功率保持在额定值附近，同时限制叶片载荷和整个风力机受到的冲击，保证风力机安全运行。因此桨距控制系统要根据风速测量值判断是否动作，并根据实际功率与额定功率的偏差获得桨距角给定值控制变桨系统调节风轮桨距角。

③速控制系统主要是根据风速变化，获得最佳叶尖速比下的转速指令，控制发电机的转速，在低风速下捕获最大风能；

④率控制系统主要由变频器实现风电机组与电网之间的传递功率，采用矢量控制技术完成有功功率和无功功率的解耦控制，同时控制发电机转子励磁电流改变发电机转速，实现风电机组变速恒频运行。

数显示采用MATLAB软件的数据图形显示功能实现，整个界面友好，便于与操作者交互。整个控制与仿真系统在一台个人计算机中就可以实现所有的功能。

8.工况逻辑切换

本发明中的工况切换逻辑建立了风力发电机组启动、运转、停机以及刹车工况下的逻辑模型，如图14所示。

Claims (2)

1.一种风力发电运行状态监测与控制模型机，其特征在于：包括气动转化模块、传动系统模块、发电系统模块、液压变桨距模块和偏航系统模块，其中：

所述气动转化模块，建立叶片捕获风能以及叶轮通过轮毂将转矩输入到传动系统这一过程的数学模型；

所述传动系统模块，为一级行星两级圆柱齿轮传动，将低转速转换成高转速输送给发电机；

所述发电系统模块，将机械能转换成电能，并监测输出电能；

所述液压变桨距模块，根据风力发电机组的控制目标：额定风速以下，利用转速控制器实现最大风能捕获控制；额定风速以上，进行恒功率控制，使系统在高风速下保持恒功率输出；

所述偏航系统模块，使风轮跟踪变化稳定的风向，当风向与风轮轴线偏离一个角度时，控制偏航电机将风轮调整到与风向一致的方位，其中：

所述气动转化模块是建立风能转换成机械转矩的数学模型，在气流的作用下，风力机叶片所受轴向升力F_a和轴向阻力F_t对应关系如下：

$F_a=\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}[v^2+{\left(\frac{2}{3}{\mathrm{l\ω}}_{\mathrm{wt}}\right)}^2]A(C_l\cos (i+\mathrm{\β})+C_d\sin (i+\mathrm{\β}))$

$F_t=\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}[v^2+{\left(\frac{2}{3}{\mathrm{l\ω}}_{\mathrm{wt}}\right)}^2]A(C_l\sin (i+\mathrm{\β})-C_d\cos (i+\mathrm{\β}))$

A＝lb

式中，v为风速，m/s；w_wt为相对于叶素的风速，m/s；i为攻角，

为入流角，β为桨距角，l为叶片长度，b叶片宽度，F_a为轴向升力，F_t为轴向阻力，A为风轮扫略面积，m²；C_l为叶片升力系数，C_d为叶片阻力系数，C_d和C_l均为攻角i的函数；

所述液压变桨距模块，是通过改变气动转化模块中风轮的桨距角，从而控制输出，该液压变桨距执行模块包括液压泵、电液比例换向阀、液压缸和位置传感器，所述电液比例换向阀设有进油口、出油口及两个负载口，且两个负载口分别与进油口和出油口连通，且能交叉换向；所述液压泵由电动机驱动；所述的液压缸凭借比例换向阀输出压力，间接实现对活塞杆位移的控制；所述的位置传感器对液压缸活塞杆位移进行监测；

所述液压变桨距模块的控制策略为电液比例位置控制系统，通过控制比例方向阀输出压力，间接实现对液压缸活塞杆位移的控制，如下式：

$C_B\left(s\right)=\frac{Y\left(s\right)}{U\left(s\right)}=\frac{K_A{K}_V{K}_M}{s(\frac{s^2}{{\mathrm{\ω}}_n^2}+\frac{{2\mathrm{\ξ}}_n}{{\mathrm{\ω}}_n}s+1)+K_A{K}_V{K}_M{K}_F}$

式中：K_A—比例控制放大器增益，A/V；

K_V—比例阀电流位移增益，mmA；

K_M—速度放大系数，定义为

K_q—流量增益，m³/s·V，且系数

（C_d为控制阀口的流量系数；ω为节流口面积梯度，m；P_L0，x₀为工作点的参数值；Ps为泵的出口压力；ρ为液压油密度，kg/m³）；

A₁—液压缸无杆腔面积A₁，m²；

ξ_n—阀控液压缸液压阻尼系数；

ω_n—阀控液压缸无阻尼液压固有频率，rad/s；

K_A—比例控制放大器增益，A/V；

Y(s)—活塞位移信号；

U(s)—比例阀输入电压；

所述传动模块为一级行星两级圆柱齿轮传动，低速轴为行星传动，使功率分流，同时利用内啮合，后两级圆柱齿轮进行分配增速比；该传动模块构建的数学模型为刚性传动模型，如下：

$T_{\mathrm{wt}}-\frac{K_g}{\mathrm{\η}}{T}_G=J_l\frac{{\mathrm{d\ω}}_{\mathrm{wt}}}{\mathrm{dt}}$

$J_l=J_1+J_{\mathrm{wt}}+J_2\frac{k_1^2}{\mathrm{\η}}+J_3\frac{{(k_1\·k_2)}^2}{\mathrm{\η}}+J_G\frac{K_g^2}{\mathrm{\η}}\stackrel{\·}{=}{J}_{\mathrm{wt}}+J_G\frac{K_g^2}{\mathrm{\η}}$

K_g＝k₁×k₂×k₃

式中，T_wt，T_G分别风轮转矩和发电机转矩；ω_wt，为风轮转速；J_l为系统的转动惯量折算到低速轴侧侧的等效转动惯量；K_g为总传动比；k₁、k₂、和k₃分别为行星齿轮，一级斜齿轮，两级斜齿轮的传动比率；J₁、J₂和J₃分别为中心齿轮轴、一级传动轴和两级传动轴的转动惯量；η为传动效率；

所述偏航系统模块包括控制器、功率放大器、执行机构和偏航计数器，其中执行机构由电机驱动，该模块的数学模型为一个二阶系统，其传递函数为：

$G\left(s\right)=\frac{\mathrm{\θ}\left(s\right)}{V\left(s\right)}=\frac{K_m}{s(T_{m}s+1)}$

$K_m=\frac{1}{C_e}$

$T_m=\frac{{\mathrm{RGD}}^2}{365C_e{C}_t}$

式中，θ(s)和V(s)分别为偏航角度和电枢电压；T_m为电机时间常数；K_m为电动势传递系数；C_t为转矩系数；C_e为电动势系数；G为转子重量；D为转子直径；

所述发电系统模块为双馈发电机，其动态模型基于矢量控制系统，转子侧变换器是通过DFIG定子磁链定向进行控制，网侧变换器是通过电网电压定向控制的，矢量控制结构方程如下：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{dr}}^{*}\\ u_{\mathrm{qr}}^{*}\end{array}\right]=f\left(\begin{array}{cccc}{Q}^{*}& Q& P^{*}& P\end{array}\right)$

$\begin{array}{cc}\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{dr}}^{*}=R_r{i}_{\mathrm{dr}}-{\mathrm{\ω}}_s\mathrm{\σ}{L}_r{i}_{\mathrm{qr}}-{\mathrm{\ω}}_s\frac{L_m}{L_s}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{qs}}+u_{\mathrm{dr}}^{\′}\\ u_{\mathrm{dr}}^{\′}=K_p(i_{\mathrm{dr}}^{*}-i_{\mathrm{dr}})+K_i\∫(i_{\mathrm{dr}}^{*}-i_{\mathrm{dr}})\mathrm{dt}\\ i_{\mathrm{dr}}^{*}=K_p(Q^{*}-Q)+K_i\∫(Q^{*}-Q)\mathrm{dt}\\ Q^{*}=0\\ Q=-\frac{3}{2}{U}_m\frac{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ds}}}{L_s}-\frac{3}{2}{U}_m\frac{L_m}{L_s}{i}_{\mathrm{dr}}\\ \mathrm{\σ}=1-L_m^2/\left(L_r{L}_s\right)\end{array}\right.& \left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{qr}}^{*}=R_r{i}_{\mathrm{qr}}+{\mathrm{\ω}}_s\mathrm{\σ}{L}_r{i}_{\mathrm{dr}}-{\mathrm{\ω}}_s\frac{L_m}{L_s}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ds}}+u_{\mathrm{qr}}^{\′}\\ u_{\mathrm{qr}}^{\′}=K_p(i_{\mathrm{qr}}^{*}-i_{\mathrm{qr}})+K_i\∫(i_{\mathrm{qr}}^{*}-i_{\mathrm{qr}})\mathrm{dt}\\ i_{\mathrm{qr}}^{*}=K_p(P^{*}-P)+K_i\∫(P^{*}-P)\mathrm{dt}\\ P^{*}=\frac{{\mathrm{K\ω}}_m^3}{1-s}\\ P=-\frac{3}{2}{U}_m\frac{L_m}{L_s}{i}_{\mathrm{qr}}\\ \mathrm{\σ}=1-L_m^2/\left(L_r{L}_s\right)\end{array}\right.\end{array}$

式中

分别为转子电压指令d轴和q轴分量；u_qr，u_dr分别为转子电压的q轴和d轴分量；u'_dr，u'_qr分别是经调节器调节后输出电压d轴和q轴分量;

分别为电流参考指令d轴和q轴分量；i_qr，i_dr分别为转子电流的q轴和d轴分量；P^*，Q^*分别为参考有功功率和参考无功功率；P、Q分别是实测有功功率和无功功率反馈值；ω_s为滑差率；σ为漏磁系数；

为dq坐标系定子与转子同轴等效绕组间的互感；为dq坐标系转子等效两相绕组的自感；

为dq坐标系定子等效两相绕组的自感；R_r为转子绕组电阻；U_m为三相电网相电压幅值；ω_m为风力机最大转速；s为发电机转差率；

ρ为空气密度，C_p为风能利用系数，R为风轮半径；K_p为比例增益；K_i为积分增益；

$\left[\begin{array}{c}{u}_{d1}^{*}\\ u_{q1}^{*}\end{array}\right]=f\left(\begin{array}{cccc}{U}_{\mathrm{dc}}^{*}& U_{\mathrm{dc}}& i_q^{*}& i_q\end{array}\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{d1}^{*}=u_d-i_{d}R+i_q{\mathrm{\ω}}_{1}L+u_d^{\′}\\ u_d^{\′}=K_p(i_d^{*}-i_d)+K_i\∫(i_d^{*}-i_d)\mathrm{dt}\\ i_d^{*}=K_p(U_{\mathrm{dc}}^{*}-U_{\mathrm{dc}})+K_i\∫(U_{\mathrm{dc}}^{*}-U_{\mathrm{dc}})\mathrm{dt}\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{q1}^{*}=u_q-i_{q}R+i_d{\mathrm{\ω}}_{1}L+u_q^{\′}\\ u_q^{\′}=K_p(i_q^{*}-i_q)+K_i\∫(i_q^{*}-i_q)\mathrm{dt}\\ i_q^{*}=0\end{array}\right.$

式中，

分别为变换器交流侧参考电压d轴和q轴分量；u'_d，u'_q分别为经调节器调节后输出电压d轴和q轴分量；为直流环节给定的参考电压；U_dc为实际反馈直流母线电压；为经PI调节器调节输出电流d轴分量；

为参考电流q轴分量，

i_d、i_q为实测反馈电流d轴和q轴分量；R为电网侧的电阻；L为电网侧的电感；ω₁为同步转速；K_p为比例增益；K_i为积分增益。

2.根据权利要求1所述风力发电运行状态监测与控制模型机，其特征在于：采用MATLAB软件对各模块进行融合，建立风力发电全过程模型，并显示风力发电全过程的状态参数和演变过程。

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