CN103207924A

CN103207924A - 风力发电机组机械暂态与电气暂态混合仿真系统及方法

Info

Publication number: CN103207924A
Application number: CN2012100131117A
Authority: CN
Inventors: 刘先正; 杨明明; 刘小勇; 关蕾; 张超
Original assignee: Sinovel Wind Group Co Ltd
Current assignee: Sinovel Wind Group Co Ltd
Priority date: 2012-01-16
Filing date: 2012-01-16
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2032-01-16
Also published as: CN103207924B

Abstract

本发明公开了一种风力发电机组机械暂态与电气暂态混合仿真系统及方法，该混合仿真系统及方法通过对风力发电机组的机械暂态过程进行仿真计算，并采集该仿真计算的结果和步长间隔；并在对机械暂态过程进行仿真计算的同时，对风力发电机组的电气暂态过程进行仿真计算，且采集该仿真计算的结果和步长间隔；然后将机械暂态过程的仿真计算结果与电气暂态过程的仿真计算结果实时进行数据交换，并通过统一上述步长间隔使两个仿真计算同步，直至到达两个仿真计算设定的完成时间，从而结合了机械暂态仿真与电气暂态仿真各自的优点，且在保证对风力发电机组的仿真精度的条件下加快了仿真运算速度。

Description

风力发电机组机械暂态与电气暂态混合仿真系统及方法

技术领域

本发明涉及风力发电机组仿真技术，尤其涉及一种风力发电机组机械暂态与电气暂态混合仿真系统及方法。

背景技术

风力发电机组的运行原理是叶片把空气中的风能转化为轮毂的动能，然后经过齿轮箱、传动链把动能再传递给发电机，最后发电机把动能转化为电能，经电网输送给用户使用。在风力发电机组发电的生产运行过程中，通常包括两个过程：一是叶片、塔架、齿轮箱、传动链等机械部件受到外力和约束力(阻尼)的作用引起振动、运动以及形变的过程，即机械暂态过程，例如风轮在吸收风能转换为切向力推动叶轮旋转发电的同时也对塔架产生一个轴向推力，使塔架产生一定形变以及固定频率的摇摆；二是发电机、电网、变压器、变频器等电力系统中各个电气元件中的电场、磁场、电压、电流变化的电气暂态过程，例如机端电压发生跌落时，电机中主磁通由于具有很大时间常数不能突变因而感生出较大的转子电势和较大电流。上述两个过程在风力发电机组运行过程中是同时发生的，也是相互影响的。

目前，在风力发电机组仿真领域中，已有的仿真技术只能对特定的现象和范围进行仿真分析，即对风力发电机组的机械暂态过程和电气暂态过程的仿真是在不同的仿真系统里进行的。常用的方法是在进行机械暂态仿真时，将风力发电机组中关于电气的部分进行简化或省略，例如将控制器所设定的电磁转矩简化为一阶惯性环节；而在进行电气暂态仿真时，将风力发电机组中的机械部分进行简化或省略，例如忽略传动轴上固有频率的振动。因此，现有的仿真方法无法保证对整个风力发电机组进行精确的仿真。此外，如果考虑将机械暂态仿真系统与电气暂态仿真系统放到一个平台里进行混合仿真计算时，又存在其他问题。现有的连续系统仿真求解器一般包括定步长求解器和变步长求解器，对于混合仿真系统而言，固定步长模式在仿真过程中提供固定步长，这将有利于两个系统的同步，但不提供误差控制和过零检测，因此仿真时只有将步长设置为整个仿真过程中可能出现的最小步长才能保证精度，这无疑大大的增加了仿真计算量，使仿真减慢；而变步长模式可以在仿真过程中改变步长，提供误差控制和过零检测，但由于机械暂态仿真系统和电气暂态仿真系统所包含的间断点、过零点各不相同，因而采用不同求解器分别进行步长控制所估算出的步长也难以相符，所以存在无法同步的问题，进而造成仿真结果失真。

发明内容

本发明提供了一种风力发电机组机械暂态与电气暂态混合仿真系统及方法，以解决现有技术中的仿真方法无法保证对风力发电机组的仿真精度的技术问题。

本发明一方面提供了一种风力发电机组机械暂态与电气暂态混合仿真方法，其中包括以下步骤：

对风力发电机组的机械暂态过程进行仿真计算，并采集所述仿真计算的结果和步长间隔；

在对所述机械暂态过程进行仿真计算的同时，对所述风力发电机组的电气暂态过程进行仿真计算，并采集所述仿真计算的结果和步长间隔；

将所述机械暂态过程的仿真计算结果与所述电气暂态过程的仿真计算结果实时进行数据交换，并通过统一所述步长间隔使所述两个仿真计算同步，直至到达所述两个仿真计算设定的完成时间。

本发明另一方面提供了一种风力发电机组机械暂态与电气暂态混合仿真系统，其中包括：

机械暂态仿真单元，用以对风力发电机组的机械暂态过程进行仿真计算；

电气暂态仿真单元，用以在所述机械暂态仿真单元进行仿真计算的同时，对所述风力发电机组的电气暂态过程进行仿真计算；

接口模块，设置在所述机械暂态仿真单元和所述电气暂态仿真单元之间，用以同时采集所述机械暂态仿真单元和所述电气暂态仿真单元的仿真计算的结果和步长间隔，并对所述两个仿真单元的仿真计算结果实时进行数据交换，并通过统一所述步长间隔使所述两个仿真单元的仿真计算同步。

综上所述，本发明所提供的一种风力发电机组机械暂态与电气暂态混合仿真系统及方法相对于现有技术具有如下有益效果：

由于本发明所提供的风力发电机组机械暂态与电气暂态混合仿真系统及方法，结合了机械暂态仿真与电气暂态仿真各自的优点，使机械暂态仿真与电气暂态仿真之间能够实时地进行数据交换，并使两种仿真能够同步地进行仿真计算，因此，本发明所提供的风力发电机组机械暂态与电气暂态混合仿真系统及方法，能够在保证对风力发电机组的仿真精度满足误差要求的前提下加快仿真运算的速度，从而在一定程度上弥补了现有的机械暂态仿真与电气暂态仿真的不足之处，解决了现有技术中的仿真方法无法保证对风力发电机组的仿真精度的技术问题。

附图说明

图1为本发明实施例所提供的风力发电机组机械暂态与电气暂态混合仿真系统及方法所应用的系统架构的示意图；

图2为本发明实施例一提供的一种风力发电机组机械暂态与电气暂态混合仿真系统的系统方框图；

图3为本发明实施例二提供的一种风力发电机组机械暂态与电气暂态混合仿真方法的整体步骤流程图；

图4为本发明实施例二提供的风力发电机组机械暂态与电气暂态混合仿真方法中使两个仿真计算同步的分解步骤流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

图1为本发明实施例所提供的风力发电机组机械暂态与电气暂态混合仿真系统及方法所应用的系统架构的示意图。如图1所示，本发明实施例所提供的风力发电机组机械暂态与电气暂态混合仿真系统及方法可应用在一双馈型风力发电机组中，考虑到风力发电机组各个主要部件和元器件的功能，该风力发电机组可分为机械子系统10和电气子系统20，其中，机械子系统10包括叶片11、塔架、齿轮箱12和传动轴13等；电气子系统20包括异步发电机21、电网22、变频器23和变压器24等。机械子系统10中的叶片11吸收空气中的风能，再把风能转化为轮毂的动能，然后经过齿轮箱12增速，并通过传动轴13把动能传递给异步发电机21，驱动异步发电机21的转子切割磁感线发电；通过变频器23的调节功能可使风力发电机组在不同转速范围下运行并维持其输出电压频率恒定，通过叶片11的变桨功能可使风力发电机组在额定风速以上运行时保持输出功率稳定。

实施例一

图2为本发明实施例一提供的一种风力发电机组机械暂态与电气暂态混合仿真系统的系统方框图。如图2所示，本发明实施例一所提供的风力发电机组机械暂态与电气暂态混合仿真系统，包括：

机械暂态仿真单元1，用以对风力发电机组的机械暂态过程进行仿真计算；

电气暂态仿真单元2，用以在机械暂态仿真单元1进行仿真计算的同时，对风力发电机组的电气暂态过程进行仿真计算；

接口模块3，设置在机械暂态仿真单元1和电气暂态仿真单元2之间，用以同时采集机械暂态仿真单元1和电气暂态仿真单元2的仿真计算的结果和步长间隔，并对机械暂态仿真单元1和电气暂态仿真单元2的仿真计算结果实时地进行数据交换，并通过统一上述步长间隔而使机械暂态仿真单元1与电气暂态仿真单元2的仿真计算同步。其中，所述的数据交换是将机械暂态仿真单元1的仿真计算结果传递给电气暂态仿真单元2作为仿真计算的输入参数，并将电气暂态仿真单元2的仿真计算结果传递给机械暂态仿真单元1作为仿真计算的输入参数。

本实施例的技术方案结合了机械暂态仿真与电气暂态仿真各自的优点，使机械暂态仿真与电气暂态仿真之间能够实时地进行数据交换，并使两种仿真能够同步地进行仿真计算，因此能够在保证对风力发电机组的仿真精度满足误差要求的前提下加快仿真运算的速度，从而在一定程度上弥补了现有的机械暂态仿真与电气暂态仿真的不足之处，解决了现有技术中的仿真方法无法保证对风力发电机组的仿真精度的技术问题。

在上述技术方案的基础上，接口模块3优选为通过将机械暂态仿真单元1的仿真计算的步长间隔与电气暂态仿真单元2的仿真计算的步长间隔进行比较，并选择较小的步长间隔作为混合仿真计算的步长间隔，然后令步长间隔较大的仿真单元按照较小的步长间隔重新进行仿真计算，并反馈需要进行数据交换的仿真计算结果，由此使得机械暂态仿真单元1与电气暂态仿真单元2的仿真计算同步，从而能够在保证对风力发电机组的仿真精度满足误差要求的前提下加快仿真运算的速度。

在上述技术方案的基础上，机械暂态仿真单元1的仿真计算结果优选为包括风力发电机组的传动轴转速数据；电气暂态仿真单元2的仿真计算结果优选为包括风力发电机组的发电机电磁转矩数据。

在上述技术方案的基础上，可优选为通过SimMechanics软件和SimDriveline软件构建机械暂态仿真单元1的数学模型；通过SimPowerSystem软件构建电气暂态仿真单元2的数学模型；通过Simulink软件构建接口模块3的数学模型。如此，当机械暂态仿真单元1和电气暂态仿真单元2同时开始仿真计算后，接口模块3将机械暂态仿真单元1在该步长间隔仿真计算出的传动轴转速的物理信号转换为Simulink软件平台下的数据格式并传送到电气暂态仿真单元2，并将电气暂态仿真单元2在该步长间隔仿真计算得到的发电机电磁转矩的物理信号转换为Simulink软件平台下的数据格式并发送到机械暂态仿真单元1，从而完成该步长间隔的数据交换。机械暂态仿真单元1和电气暂态仿真单元2在下一步长间隔的仿真计算时，将对接口模块3采集到的仿真计算结果中的数据信息及时进行处理。

与此同时，由于机械暂态仿真单元1和电气暂态仿真单元2分别通过不同的工具软件构建数学模型，因而所采用的仿真计算方法和所设置的相对误差、绝对误差均不相同，因此在Simulink软件环境下进行变步长仿真会存在两个仿真单元的仿真计算无法同步的问题，进而造成仿真计算结果失真。因此，可将机械暂态仿真单元1和电气暂态仿真单元2各自仿真计算的步长间隔作为数据信号发送给接口模块3，由接口模块3作比较后，选择较小的步长间隔作为混合仿真计算的总步长间隔，并发送给步长间隔较大的仿真单元，令其按该较小的步长间隔重新进行仿真计算，并反馈仿真计算结果中其它需要进行数据交换的数据信息，然后进入下一步长间隔，直至到达两个仿真单元所设定的仿真计算完成时间。由此，两个仿真单元可在统一的步长间隔下同步地进行仿真计算，从而可在仿真精度满足误差要求的条件下加快仿真运算的速度。

在上述技术方案的基础上，还需要进一步说明的是：

MATLAB是矩阵实验室(英文名称：Matrix Laboratory)的简称，是美国MathWorks公司出品的一种公知的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大组成部分。Simulink软件是MATLAB软件最重要的组件之一，它能够提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，便可构造出复杂的模型系统。Simulink软件具有适应面广、结构和流程清晰以及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活多样等优点，并且基于以上优点，Simulink软件已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真计算和设计中。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink软件环境下。

SimMechanics软件是立足于Simulink软件之上，进行控制器和对象系统跨领域/学科的已知的研究分析软件。SimMechanics软件为多体动力机械系统及其控制系统提供了直观有效的数学建模分析手段，其一切工作均在Simulink软件平台下完成。SimMechanics软件提供了大量对应实际系统的元件，如：刚体、铰链、约束、坐标系统、作动器和传感器等，使用这些模块可以方便的建立复杂机械系统的图示化数学模型，从而进行机械系统的单独仿真分析或与任何Simulink软件设计的控制器及其它动态系统相连接进行综合仿真计算。

SimDriveline软件是Simulink软件的扩展，它能够为传动系统(驱动系统)的力学建模与仿真提供强有力的工具。例如，这些工具包括：齿轮、转动轴和离合器等部件；标准的变速器模板；发动机和轮胎模型等等。SimDriveline软件专门为传动系的力学分析进行了易用性和计算速度方面的优化，它实现了与MathWorks控制系统设计和代码生成产品的集成，这样不仅可以进行控制器设计，而且还能够把机械系统模型生成实时代码，在实时环境中对控制器进行仿真测试。SimDriveline软件可广泛应用于汽车、航空、国防和风力发电等领域。

SimPowerSystem软件是一款基于Simulink软件平台的优秀的电子、电气系统仿真软件，其能够构建出与实际的电子、电气硬件系统非常近似的仿真数学模型。

实施例二

图3为本发明实施例二提供的一种风力发电机组机械暂态与电气暂态混合仿真方法的整体步骤流程图。如图3所示，本发明实施例二所提供的风力发电机组机械暂态与电气暂态混合仿真方法，可由上述本发明实施例一所提供的风力发电机组机械暂态与电气暂态混合仿真系统来执行，该方法具体包括以下步骤：

步骤310、对风力发电机组的机械暂态过程进行仿真计算，并采集仿真计算的结果和步长间隔；

步骤320、在对机械暂态过程进行仿真计算的同时，对风力发电机组的电气暂态过程进行仿真计算，并采集仿真计算的结果和步长间隔；

步骤330、将机械暂态过程的仿真计算结果与电气暂态过程的仿真计算结果实时进行数据交换，并通过统一上述步长间隔而使上述两个仿真计算同步，直至到达上述两个仿真计算设定的完成时间。其中，所述的数据交换是将机械暂态过程的仿真计算结果传递给电气暂态过程的仿真计算作为仿真计算的输入参数，并将电气暂态过程的仿真计算结果传递给机械暂态过程的仿真计算作为仿真计算的输入参数。

图4为本发明实施例二提供的风力发电机组机械暂态与电气暂态混合仿真方法中使两个仿真计算同步的分解步骤流程图。如图4所示，在上述本发明实施例二的技术方案的基础上，本发明实施例二所提供的风力发电机组机械暂态与电气暂态混合仿真方法中的步骤330中可优选为进一步包括如下步骤，以使得机械暂态过程仿真计算与电气暂态过程仿真计算同步：

步骤3301、将机械暂态过程仿真计算的步长间隔与电气暂态过程仿真计算的步长间隔进行比较；

步骤3302、选择较小的步长间隔作为混合仿真计算的步长间隔；

步骤3303、令步长间隔较大的仿真计算按照较小的步长间隔重新进行仿真计算，并反馈需要进行数据交换的仿真计算结果。

在上述技术方案的基础上，机械暂态过程的仿真计算结果包括风力发电机组的传动轴转速数据；电气暂态过程的仿真计算结果包括风力发电机组的发电机电磁转矩数据。

在上述技术方案的基础上，可优选为通过SimMechanics软件和SimDriveline软件构建机械暂态仿真计算的数学模型；通过SimPowerSystem软件构建电气暂态仿真计算的数学模型；通过Simulink软件构建使机械暂态过程的仿真计算与电气暂态过程的仿真计算进行数据交换并同步的接口的数学模型。如此，当机械暂态仿真计算与电气暂态仿真计算同时开始后，机械暂态仿真计算模型与电气暂态仿真计算模型之间的接口模型将机械暂态仿真计算模型在该步长间隔仿真计算出的传动轴转速的物理信号转换为Simulink软件平台下的数据格式并传送给电气暂态仿真计算模型，并将电气暂态仿真计算模型在该步长间隔仿真计算得到的发电机电磁转矩的物理信号转换为Simulink软件平台下的数据格式并发送到机械暂态仿真计算模型，从而完成该步长间隔的数据交换。机械暂态仿真计算模型与电气暂态仿真计算模型在下一步长间隔的仿真计算时，将对接口模型采集到的仿真计算结果中的数据信息及时进行处理。

与此同时，由于上述技术方案分别通过不同的工具软件构建机械暂态仿真计算与电气暂态仿真计算的数学模型，因而所采用的仿真计算方法和所设置的相对误差、绝对误差均不相同，因此在Simulink软件环境下进行变步长仿真会存在两个仿真计算无法同步的问题，进而造成仿真计算结果失真。因此，可将机械暂态仿真计算模型与电气暂态仿真计算模型各自仿真计算的步长间隔作为数据信号发送给接口模型，由接口模型作比较后，选择较小的步长间隔作为混合仿真计算的总步长间隔，并发送给步长间隔较大的仿真计算模型，令其按该较小的步长间隔重新进行仿真计算，并反馈仿真计算结果中其它需要进行数据交换的数据信息，然后进入下一步长间隔，直至到达两个仿真计算所设定的完成时间。由此，可在统一的步长间隔下同步地进行机械暂态仿真计算与电气暂态仿真计算，从而可在仿真精度满足误差要求的条件下加快仿真运算的速度。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

综上所述，本发明实施例所提供的风力发电机组机械暂态与电气暂态混合仿真系统及方法，由于把一个比较复杂的风力发电机组分别采用机械暂态仿真建模工具SimMechanics软件和SimDriveline软件与电气暂态仿真建模工具SimPowerSystem软件进行多领域混合仿真系统建模，将两个暂态过程结合起来统一考虑，使所建仿真模型能够体现的物体特性有了全面的提升。例如，由于仿真模型在发电机转轴上体现了各个机械部件固有频率的振动，因而发电机所发出的电能质量、闪变等仿真结果将更为准确；在做低电压穿越暂态仿真分析时，由于电磁转矩中包含了电网故障带来的电流负序、零序分量影响，因而在混合仿真时对叶轮转速上升的预测将更为可信。本发明的混合仿真系统及方法充分利用了SimMechanics软件和SimDriveline软件强大的机械特性仿真能力以及SimPowerSystems软件专业的电气系统仿真功能，从而在一定程度上弥补了现有的机械暂态仿真与电气暂态仿真的不足之处，解决了现有技术中的仿真方法无法保证对整个风力发电机组的仿真精度的技术问题。同时拓宽了风力发电系统数字仿真技术的研究范围，较佳地协调了风力发电系统数字仿真的规模、精度和速度问题，为提升和研究风力发电机组的稳定性和动态特性提供了新的方法和途径。但本领域普通技术人员应当认识到，本发明所提供的风力发电机组机械暂态与电气暂态混合仿真系统及方法中所使用的仿真建模工具并不以上述软件为限，任何能够实现本发明目的及效果的机械暂态与电气暂态仿真软件均适用于本发明的技术方案。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，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范围。

Claims

1.一种风力发电机组机械暂态与电气暂态混合仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的风力发电机组机械暂态与电气暂态混合仿真方法，其特征在于，所述数据交换是将所述机械暂态过程的仿真计算结果传递给所述电气暂态过程的仿真计算作为仿真计算的输入参数，并将所述电气暂态过程的仿真计算结果传递给所述机械暂态过程的仿真计算作为仿真计算的输入参数。

3.根据权利要求1或2所述的风力发电机组机械暂态与电气暂态混合仿真方法，其特征在于，通过以下步骤统一所述步长间隔使所述两个仿真计算同步：

将所述机械暂态过程仿真计算的步长间隔与所述电气暂态过程仿真计算的步长间隔进行比较；选择较小的步长间隔作为混合仿真计算的步长间隔；令步长间隔较大的仿真计算按照所述较小的步长间隔重新进行仿真计算，并反馈需要进行数据交换的仿真计算结果。

4.根据权利要求3所述的风力发电机组机械暂态与电气暂态混合仿真方法，其特征在于，所述机械暂态过程的仿真计算结果包括所述风力发电机组的传动轴转速数据；所述电气暂态过程的仿真计算结果包括所述风力发电机组的发电机电磁转矩数据。

5.根据权利要求3所述的风力发电机组机械暂态与电气暂态混合仿真方法，其特征在于，通过SimMechanics软件和SimDriveline软件构建所述机械暂态过程仿真计算的数学模型；通过SimPowerSystem软件构建所述电气暂态过程仿真计算的数学模型；通过Simulink软件构建使所述机械暂态过程的仿真计算与所述电气暂态过程的仿真计算进行数据交换并同步的接口的数学模型。

6.一种风力发电机组机械暂态与电气暂态混合仿真系统，其特征在于，包括：

7.根据权利要求6所述的风力发电机组机械暂态与电气暂态混合仿真系统，其特征在于，所述数据交换是将所述机械暂态仿真单元的仿真计算结果传递给所述电气暂态仿真单元作为仿真计算的输入参数，并将所述电气暂态仿真单元的仿真计算结果传递给所述机械暂态仿真单元作为仿真计算的输入参数。

8.根据权利要求6或7所述的风力发电机组机械暂态与电气暂态混合仿真系统，其特征在于，所述接口模块通过将所述机械暂态仿真单元的仿真计算的步长间隔与所述电气暂态仿真单元的仿真计算的步长间隔进行比较，并选择较小的步长间隔作为混合仿真计算的步长间隔，然后令步长间隔较大的仿真单元按照所述较小的步长间隔重新进行仿真计算，并反馈需要进行数据交换的仿真计算结果，以使所述两个仿真单元的仿真计算同步。

9.根据权利要求8所述的风力发电机组机械暂态与电气暂态混合仿真系统，其特征在于，所述机械暂态仿真单元的仿真计算结果包括所述风力发电机组的传动轴转速数据；所述电气暂态仿真单元的仿真计算结果包括所述风力发电机组的发电机电磁转矩数据。

10.根据权利要求8所述的风力发电机组机械暂态与电气暂态混合仿真系统，其特征在于，通过SimMechanics软件和SimDriveline软件构建所述机械暂态仿真单元的数学模型；通过SimPowerSystem软件构建所述电气暂态仿真单元的数学模型；通过Simulink软件构建所述接口模块的数学模型。