CN103939290A - 一种适用于虚拟惯量优化控制研究的模拟风电机组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于虚拟惯量优化控制研究的模拟风电机组，利用模拟风力机子系统模拟自然界实际风速变化向永磁同步发电机组并网子系统输出转矩，永磁同步发电机组并网子系统将动能转化为电能输出，在直流电动机的输出端设置惯性模拟装置，增大模拟风电机组的输出转动惯量。不仅仅考虑了风电机组的出力特性模拟，而且考虑了实际风电机组的惯性特性，增大了输出转动惯量，可以模拟实际的大型直驱式永磁风电机组的惯性特性；模拟风力机子系统可以通过在上位机中风速建模的方式，实现对自然界实际风速变化的模拟。

Description

一种适用于虚拟惯量优化控制研究的模拟风电机组

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，特别涉及一种适用于虚拟惯量优化控制研究的模拟风电机组。

背景技术

风力发电作为技术最成熟、最具规模开发条件的新能源发电方式，在电网中所占比例不断增加。大型直驱式永磁风力发电系统，由于其结构简单、功率密度和效率高、故障率低、维护成本低等优点，逐渐成为了风电市场中的主导机型。直驱式永磁风电机组中，由于全功率变流器的存在，使得永磁发电机转速与电网频率存在解耦关系，在传统最大功率点跟踪控制(MPPT)方式下，直驱永磁风电机组的出力仅与风速相关，而不会响应系统频率的变化，无法像常规同步机组一样为系统提供惯性和频率支持。随着系统中风电注入率的提高，将会加重传统同步发电机的调频负担，影响系统的频率稳定。因此，让风电机组参与系统调频和实现可控运行是风电并网运行发展的迫切要求。

为使风电机组能为系统提供频率支撑，风电机组的虚拟惯量控制研究成为了目前研究的热点。虚拟惯量控制是在传统的MPPT控制基础上引入与系统频率偏差比例微分作用量相关的辅助功率，当系统频率跌落时，使机组能够释放存储在风力机组转子的动能，从而参与系统的惯性响应和一次调频，从而减轻传统同步发电机组的调频负担，提高风电并网系统的频率稳定性。另外，考虑到传统惯量控制方法多为线性控制算法，存在参数优化困难、鲁棒性和适应性差等问题，因此需要进行风电机组虚拟惯量的优化控制研究。

由于实验室的模拟直驱式永磁风电机组仅仅考虑了风电机组的出力特性模拟，而未考虑实际风电机组的惯性特性，机组的输出转动惯量一般比较小，无法模拟实际的大型直驱式永磁风电机组的惯性特性。因此，迫切需要开发研究适用于虚拟惯量优化控制研究的直驱式永磁模拟风电机组设计方法，从而为相关理论研究和实验验证工作提供理论依据。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是提供一种适用于虚拟惯量优化控制研究的模拟风电机组，在模拟常规控制方式下风电机组的出力特性的同时，可以有效地模拟直驱式永磁发电机惯性时间常数等惯性特性，进而为风电系统频率响应特性的相关控制理论研究提供便利条件。

为了解决上述技术问题本发明的技术方案为一种适用于虚拟惯量优化控制研究的模拟风电机组，利用模拟风力机子系统模拟自然界实际风速变化向永磁同步发电机组并网子系统的永磁同步发电机组输出转矩，永磁同步发电机组并网子系统将动能转化为电能输出。

较佳地，模拟风力机子系统包括连接于市电电网输出端的直流调速器和连接于直流调速器输出端的的直流电动机，直流电动机由直流调速器驱动，模拟风力机子系统还包括连接于直流调速器的第一PLC控制器，以及连接于第一PLC控制器的第一上位机；直流电动机设有编码器将其转速信号实时输出至直流调速器，直流调速器将转速信号通过第一PLC控制器反馈输送至第一上位机，第一上位机通过内置的风力机模型根据模拟风速和转速信号计算出模拟风力机的输出转矩指令，并通过第一PLC控制器输送至直流调速器，直流调速器输出电流信号至直流电动机，控制直流电动机的输出转矩。

较佳地，风力机模型是根据所设定风速、空气密度、桨距角、叶尖速比、风力机风轮转速、风力机风轮叶片半径和风能功率析取系数计算得出风力机输出的机械转矩。

较佳地，风力机输出的机械转矩式中，ρ为空气密度，β为桨距角(度)，v_w为风速(m/s)，λ为叶尖速比，λ＝R_w·ω_w/v_w，ω_w为风力机风轮的转速，R_w为风力机风轮的叶片半径(m)，C_p为风能功率析取系数。

较佳地，在直流电动机的输出端设置惯性模拟装置，增大模拟风电机组的输出转动惯量。

较佳地，在惯性模拟装置的输出端还设置有减速箱，从而模拟低速永磁同步发电机的出力特性。

较佳地，输出转动惯量式中，P_1n为模拟风电机组的额定功率，ω_1n为模拟风电机组的额定转速，H₂为模拟风电机组的惯性时间常数，J_1G为永磁同步发电机组的输出转动惯量，J_1M为直流电动机的输出转动惯量，n为减速箱的变速比。

本发明的有益效果在于：考虑了风电机组的出力特性模拟，和实际风电机组的惯性特性，增大了输出转动惯量，可以模拟实际的大型直驱式永磁风电机组的惯性特性；模拟风力机子系统可以通过在上位机中风速建模的方式，实现对自然界实际风速变化的模拟。

通过将当前风速、空气密度、风力机桨叶半径及电动机实时转速信号等参数引入风力机模型计算给出转矩指令，控制直流电动机输出转矩，对输出转矩进行实时的闭环控制，从而为研究不同风况下风电机组的运行特性提供了方便；通过减速箱，驱动永磁同步发电机低速运行，更真实地模拟了实际直驱式永磁风电机组的低速运行过程；

惯性模拟装置增大了模拟风电机组转动惯量，可以使实验系统能够模拟实际兆瓦级直驱永磁风电机组的惯性特性，这为进行直驱永磁风电机组响应系统频率变化、提供功率支撑的虚拟惯量优化控制研究创造了良好的条件；惯性模拟装置安装在高转速侧，利用减速箱的高、低速侧转速存在传动比特点，添加的惯性模拟装置增大了模拟风电机组转动惯性，但机组的实际重量和惯性并不大，这大大降低了实验系统的设计难度和实现成本。

附图说明

图1是本发明实施例模拟风力机子系统原理结构图；

图2是本发明实施例永磁同发电机组并网子系统原理结构图；

图3是本发明实施例风力机模拟原理图；

图4是本发明实施例未安装传动轴双质量块模型框图；

图5是本发明实施例安装模拟惯性模拟转置将直流电动机和惯性模拟转置转换为一个等效质量块的逻辑示意图。

图中：

1、模拟风力机子系统  2、第一上位机  3、第一PLC控制器

4、直流调速器        5、直流电动机  6、减速箱   7、惯性模拟装置

8、永磁同步发电机组  9、第二上位机  10、等效质量块

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

本实施例的一种适用于虚拟惯量优化控制研究的模拟风电机组，利用模拟风力机子系统1模拟自然界实际风速变化向永磁同步发电机组8并网子系统输出转矩，永磁同步发电机组8并网子系统将动能转化为电能输出。

如图1所示，模拟风力机子系统包括连接于市电电网输出端的直流调速器4和连接于直流调速器4输出端的直流电动机5，还包括连接于直流调速器4的第一PLC控制器3，以及连接于第一PLC控制器3的第一上位机2；直流电动机5设有编码器将转速信号实时输出至直流调速器4，直流调速器4将转速信号通过第一PLC控制器3反馈输送至第一上位机2，第一上位机2通过内置的风力机模型根据模拟风速和转速信号计算出输出转矩指令，并通过第一PLC控制器3输送至直流调速器4，直流调速器4输出电流信号至直流电动机5，控制直流电动机5的输出转矩。

风力机模型是根据所设定风速、空气密度、桨距角、叶尖速比、风力机风轮转速、风力机风轮叶片半径和风能功率析取系数计算得出风力机输出的机械转矩。

此处风力机输出的机械转矩，式中ρ为空气密度，β为桨距角(度)，v_w为风速(m/s)，λ为叶尖速比，λ＝R_w·ω_w/v_w，ω_w为风力机风轮的转速，R_w为风力机风轮的叶片半径(m)，C_p为风能功率析取系数。

在稳态下的直流电动机5的电磁转矩方程为：T_de＝C_tφi_dcm，式中，i_dcm为流经直流电动机5电枢绕组的电流，C_t为直流电动机5的转矩常数、φ为风直流电动机5的主磁通。可以看出，电枢绕组电流i_dcm与直流电动机5的输出转矩T_de成正比，控制i_dcm就可以控制T_de。因此，可采用控制电枢绕组电流对直流电动机5进行转矩控制，从而模拟风力机转矩特性，其具体实现方案如图3所示。将当前的风速和风力机转速代入风力机数学模型可以计算出风力机输出转矩由直流电动机5的转矩方程可得参考电枢绕组电流经过PI控制器闭环调节，将i_dcm作为对直流电机转矩的控制量，从而实现为整个物理实验平台提供所需的风力机转矩特性功能。

由于直流电动机5额定转速一般远远高于永磁发电机的额定转速，因此采用减速箱6做减速处理后模拟实际风电机组中永磁同步发电机的低速运行特性。同时，模拟风力机子系统1在直流电动机5及减速箱6之间增加了惯性模拟装置7，增大了模拟风电机组的输出转动惯量，可以更真实地模拟兆瓦级直驱式永磁风电机组的惯性时间常数等惯性特性。

永磁同发电机组并网子系统如图2所示，在第二上位机9中建立变频器的人机交互界面，通过数据线与机、网侧变频器的控制器进行通讯，获取变频器控制器采集到的电压电流，实时监测和保存变流器的运行参数情况，同时针对实验情况不同可以直接修改变频器相关运行参数。通过变频器的有效控制，使风电机组在实现最大风能捕获的同时能够根据电网的有功不平衡量参与电网的频率调节。

模拟风力机子系统1在第一上位机2中建立风力机模型，计算出风力机转矩指令；第一上位机2通过第一PLC控制器3将转矩指令传输至直流调速器4，控制直流电动机5的输出转矩。在直流电动机5的输出端设置惯性模拟装置7，增大模拟风电机组的输出转动惯量，输出转动惯量式中，P_1n为模拟风电机组的额定功率，ω_1n为模拟风电机组的额定转速，H₂为模拟风电机组的惯性时间常数，J_1G为永磁同步发电机组8的输出转动惯量，J_1M为直流电动机5的输出转动惯量，n为减速箱的变速比。惯性模拟装置安装在高转速侧，利用减速箱的高、低速侧转速存在传动比特点，添加的惯性模拟装置增大了模拟风电机组转动惯性，但机组的实际重量和惯性并不大，这大大降低了实验系统的设计难度和实现成本。

本实施例输出转动惯量公式的设计原理如下：实际实验时一般采用小电机来模拟大型兆瓦级直驱式永磁风电机组的一些特性，由于实验平台中的直流电动机5和永磁发电机的惯性很小，因此需要考虑添加惯性模拟装置7来增大机组的输出转动惯量。设实验平台模拟直驱永磁发电机组额定功率为P_1n，永磁发电机的输出转动惯量为J_1G，其额定转速为ω_1n；实际兆瓦级直驱式永磁风电机组中发电机额定功率为P_2n，其额定转速为ω_2n，风力机侧输出转动惯量为J_2W，发电机侧输出转动惯量为J_2G，则兆瓦级风电机组的输出转动惯量J₂可表示为：

J₂＝J_2W+J_2G。

风电机组的惯性时间常数H可表示为：

$H=\frac{E}{P_n}=\frac{0.5J{\mathrm{\ω}}_n^2}{P_n}$

上式中，J为直驱式永磁风电机组等效输出转动惯量，P_n为机组额定功率，ω_n为转子机械角速度。

由实际兆瓦直驱式永磁风电机组的输出转动惯量J₂、额定功率P_2n及额定转速ω_2n即可得到实际风电机组的惯性时间常数H₂。为使模拟直驱式永磁发电机组模拟实际兆瓦级风电机组惯性特性，可让模拟直驱式永磁发电机组的惯性时间常数H₁与实际兆瓦级风电机组惯性时间常数H₂相等，即H₁＝H₂。由此可以算出要模拟实际兆瓦级风电机组的惯性特性，模拟直驱式永磁发电机组的输出转动惯量J₁为：

$J_1=2P_{1n}{H}_2/{\mathrm{\ω}}_{1n}^2$

由于永磁发电机的额定转速ω_1n相对于直流电动机5的额定转速而言比较小，所以实验系统中直流电动机5与永磁发电机之间通过n:1的减速箱6连接，具体结构如图4所示。因此，减速箱6高速侧的转子转速ω₁′为低速侧转子转速ω₁的n倍。由于实际实验系统中要通过安装惯性模拟装置7来模拟实际兆瓦级风电机组的惯性特性时，将惯性模拟装置7安装在减速箱6的低速转子侧会导致其输出转动惯量J₁要求较大，也就是惯性模拟装置7中的转子质量值必须要大，这样会增大实际实验所需机组的加工及实现困难程度。因此，如图5所示，图5中虚线左侧为高速侧，虚线右侧为低速侧，本实施例将惯性模拟转置安装在直流电动机5侧，也即图中虚线左边的高速侧，实际上相当于将直流电动机5和惯性模拟转置等效为一个等效质量块10，将该等效质量块换算到减速箱6低速侧，可得此时换算后质量块的输出转动惯量为：

J₁′＝J₁-J_1G

由于此时风电机组可释放的转子动能是电动机侧通过减速箱6、连接轴传递给发电机侧进行能量转换，因此直流电动机5侧等效质量块与其换算到永磁发电机侧的质量块所具有的机械动能相等，即有：

0.5J₁′ω_1n ²＝0.5J_1wω′_1n ²

上式中，J_1W为直流电动机5和惯性模拟转置等效质量块的输出转动惯量，ω′_1n为直流电动机5侧的额定转速。由此可得电动机侧等效质量块的输出转动惯量可表示为：

J_1W＝J₁′/n²

则惯性模拟转置的输出转动惯量J_1I可表示为：

$J_{1I}=J_{1W}-J_{1M}=\frac{J_1^{\′}}{n^2}-J_{1M}$

上式中，J_1M为直流电动机5的输出转动惯量。可见将惯性模拟装置7安装在高速转子侧，惯性模拟装置7输出转动惯量的需求值为低速侧的1/n²倍，这大大降低了实际实验实现的成本和难度。惯性模拟装置7输出端设置的减速箱6还可以更真实地模拟实际风电机组的低速运行过程。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种适用于虚拟惯量优化控制研究的模拟风电机组，其特征在于：利用模拟风力机子系统(1)模拟自然界实际风速变化向永磁同步发电机组并网子系统的永磁同步发电机组(8)输出转矩，所述永磁同步发电机组(8)并网子系统将动能转化为电能输出。

2.根据权利要求1所述一种适用于虚拟惯量优化控制研究的模拟风电机组，其特征在于：所述模拟风力机子系统(1)包括连接于市电电网输出端的直流调速器(4)和连接于所述直流调速器(4)输出端的的直流电动机(5)，还包括连接于所述直流调速器(4)的第一PLC控制器(3)，以及连接于所述第一PLC控制器(3)的第一上位机(2)；

所述直流电动机(5)设有编码器将转速信号实时输出至所述直流调速器(4)，所述直流调速器(4)将所述转速信号通过所述第一PLC控制器(3)反馈输送至所述第一上位机(2)，所述第一上位机(2)通过内置的风力机模型根据模拟风速和所述转速信号计算出输出转矩指令，并通过所述第一PLC控制器(3)输送至所述直流调速器(4)，所述直流调速器(4)通过控制输出至所述直流电动机(5)的电流信号，实现控制所述直流电动机(5)的输出转矩。

3.根据权利要求2所述一种适用于虚拟惯量优化控制研究的模拟风电机组，其特征在于：所述风力机模型是根据所设定风速、空气密度、桨距角、叶尖速比、风力机风轮转速、风力机风轮叶片半径和风能功率析取系数计算得出风力机输出的机械转矩。

4.根据权利要求3所述一种适用于虚拟惯量优化控制研究的模拟风电机组，其特征在于：所述风力机输出的机械转矩式中，ρ为空气密度，β为桨距角度，v_w为风速(m/s)，λ为叶尖速比，λ＝R_w·ω_w/v_w，ω_w为风力机风轮的转速，R_w为风力机风轮的叶片半径(m)，C_p为风能功率析取系数。

5.根据权利要求2所述一种适用于虚拟惯量优化控制研究的模拟风电机组，其特征在于：在所述直流电动机(5)的输出端设置惯性模拟装置(7)，增大模拟风电机组的输出转动惯量。

6.根据权利要求5所述一种适用于虚拟惯量优化控制研究的模拟风电机组，其特征在于：在所述惯性模拟装置(7)的输出端还设置有减速箱(6)。

7.根据权利要求5所述一种适用于虚拟惯量优化控制研究的模拟风电机组，其特征在于：所述输出转动惯量式中，P_1n为模拟风电机组的额定功率，ω_1n为模拟风电机组的额定转速，H₂为模拟风电机组的惯性时间常数，J_1G为永磁同步发电机组(8)的输出转动惯量，J_1M为直流电动机(5)的输出转动惯量，n为减速箱(6)的变速比。