CN105226635A - 双馈式风力发电仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双馈式风力发电仿真系统，实现双馈式风力发电机组仿真，包括：电网、主变压器、发电机、交流电感、网侧变流器、斩波器、斩波电阻和机侧变流器。发电机的网侧与主变压器的低压侧相连，发电机的机侧依次经机侧变流器、机侧变流器与网侧变流器之间的直流母线、网侧变流器、交流电感连接至主变压器的低压侧，主变压器的高压侧接入电网。斩波器与斩波电阻相连并组成斩波单元，斩波单元连接在直流母线上。本发明能够解决现有风力发电系统等效模型中的主电路与实际系统不一致、模型过于简单、控制系统很难与实际控制策略一致，不能真实反应实际现场风机运行状况的技术缺陷。

Description

双馈式风力发电仿真系统

技术领域

本发明涉及风力发电领域，尤其是涉及一种应用于双馈式风力发电机的仿真系统。

背景技术

在我国，风能作为一种绿色能源，具有资源丰富、分布广泛、可再生等诸多优点，且利用过程完全无污染，成为新能源开发的首选对象之一。随着国内风电资源的大规模开发，风能越来越显示着无比广泛的发展空间和应用前景。目前，国内风电装机容量正在逐年增加，海上风电也正以欣欣向荣的态势发展。另外，各主机厂商在海外市场也都有布局，随着风电的健康发展，大规模的风电并网势必会对电网安全稳定运行带来新的挑战。因此，对风电接入对电力系统造成的影响进行全面的分析，以提出针对性的措施加强风机稳定运行的能力已成为当前亟待解决的技术问题。

如附图1所示，为现有技术中双馈式风力发电系统的结构组成示意图。在现有技术中，双馈式的风力发电机100包括风轮104、轮毂102、塔筒106和机舱110。风轮104进一步包括叶片101。而在机舱110的内部又进一步设置有齿轮箱103、发电机3、变流器105和齿轮箱弹性支撑109，在轮毂102与齿轮箱103之间进一步连接有低速轴107，在齿轮箱103与发电机3之间进一步连接有高速轴108。

目前，在业内，PowerFactory是一款领先高端的电力系统仿真工具，具备潮流计算、短路计算、稳定性分析、谐波分析、最优潮流等功能，可用于输配电网、发电、工业和铁路系统、新能源发电和智能电网的分析研究。此外，PowerFactory还具有丰富的元件库、面向程序化的编程语言(DPL)、面向连续运行过程的动态仿真语言(DSL)和丰富的电力电子元件。因此，PowerFactory是进行风力发电接入对电力系统影响分析的首选工具。但在现有的技术方案中，基于PowerFactory的风力发电仿真系统等效模型过于简化，无法真实模拟风力发电机组的真实特性。

在现有的双馈风力发电仿真系统中，一般都是将实际系统转化为数学模型，建立相应的主电路模块、电网模块、风力机模块、传动链模块、发电机模块、变流器模块和主控制模块之后，再将各个模块联合起来进行整个双馈风力发电机组的仿真。如：在现有技术中，由上海市电力公司、华东电力试验研究院有限公司、国家电网公司于2012年12月12日申请，并于2013年04月10日公开，公开号为CN103034764A的中国发明专利申请，公开了一种双馈变速恒频风电机组系统建模与仿真方法，建模方法包括以下步骤：建立风力机模型；建立传动链轴系模型；建立桨距控制模型；建立双馈发电机及变频器模型；建立无穷大电网模型。该发明建立了符合双馈变速恒频风电机组物理特性的模型，利用该模型可以进行电磁暂态和机电暂态仿真，可以考察风机在各种故障和工况下的动态特性，利用该模型可以模拟双馈变速恒频风电机组的电气特性，可以模拟风力机的机械运行状态，进行风力变化对风电场的影响进行仿真研究，使风机在大规模电网中的仿真成为可能。

但是，包括上述发明申请在内的现有技术还存在着如下的技术问题：

(1)现有技术的风力发电仿真系统模型过于简单，将实际的系统简单抽象化，这种模型还不足以充分反映风力机和传动链的机械运行状态和能量传递过程；

(2)现有技术的风力发电仿真系统的主控制系统只有很简单的控制策略和逻辑处理，很难与实际控制策略一致，不能真实反应实际现场风机的运行状况；

(3)现有技术的风力发电仿真系统模型还不能完全解决风电机组高、低电压穿越的仿真模拟。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种双馈式风力发电仿真系统，能够解决现有风力发电系统仿真模型和控制策略过于简单、与实际情况不一致，不能真实反应实际现场风机运行状况的技术缺陷。

为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种双馈式风力发电仿真系统的技术实现方案，一种双馈式风力发电仿真系统，包括：电网、主变压器、发电机、交流电感、网侧变流器、斩波器、斩波电阻和机侧变流器。所述发电机的网侧与所述主变压器的低压侧相连，所述发电机的机侧依次经所述机侧变流器、所述机侧变流器与所述网侧变流器之间的直流母线、网侧变流器、交流电感连接至所述主变压器的低压侧，所述主变压器的高压侧接入所述电网。所述斩波器与所述斩波电阻相连并组成斩波单元，所述斩波单元连接在所述直流母线上。

优选的，所述仿真系统还包括低压穿越单元，所述低压穿越单元连接在所述发电机的机侧，所述机侧变流器与低压穿越单元均内置在所述发电机中。所述低压穿越单元用于当包括电网的电压突然跌落在内的故障导致所述直流母线的电压或所述发电机的转子电流上升到一定阀值时，使所述发电机的转子和机侧变流器产生旁路，将能量消耗，使所述双馈式风力发电机组实现低压穿越。所述斩波单元用于当包括电网的电压骤升在内的故障导致所述直流母线上的电压或所述发电机的转子电流上升到一定阀值时，释放所述直流母线上的能量，从而降低所述直流母线上的电压，使所述双馈式风力发电机组实现高电压穿越。

优选的，所述仿真系统还包括控制装置、主控动态链接库和变流器动态链接库，所述控制装置分别与所述发电机、网侧变流器、机侧变流器相连，所述控制装置进一步包括风速模块、风力机模块、传动链模块、测量模块和接口模块；

所述风速模块模拟实际风场的风况，生成恒风速信号或变风速信号，或根据实际风场采集风速信号进行回放；

所述测量模块通过接口模块与所述风力机模块、网侧变流器、机侧变流器相连，对所述风力机模块、网侧变流器、机侧变流器的相关信号进行检测；

所述风力机模块与所述风速模块相连，所述风力机模块实现风能向机械能的转换；

所述传动链模块连接在所述风力机模块与所述发电机之间，实现所述风力机模块与发电机之间传动部件的耦合；

所述接口模块与主控动态链接库、变流器动态链接库分别相连，所述变流器动态链接库存储有所述网侧变流器和机侧变流器的控制数据及控制程序，所述主控动态链接库存储有除所述网侧变流器和机侧变流器的控制数据以外的控制数据及控制程序，所述接口模块实现对所述主控动态链接库、变流器动态链接库控制数据的调用。

优选的，所述风力机模块包括气动单元和风轮转子动态单元，所述气动单元根据来自于所述风速模块的风速信号和叶片桨距角，以及所述风轮转子动态单元反馈回来的风轮转子转速和风速校正信号，输出旋转转矩和轴向转矩至所述风轮转子动态单元。所述风轮转子动态单元根据轮毂转速、叶片桨距角、旋转转矩和轴向转矩信号，形成最终的轮毂输出转矩，并输出至所述传动链模块。

优选的，所述风力机模块输出至所述传动链模块的轮毂输出转矩T_H进一步根据以下公式计算：

$\begin{array}{c}{T}_H=(J*{{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_R}^2+\mathrm{Ke})*\cos \mathrm{\β}*[({\mathrm{\θ}}_R-{\mathrm{\θ}}_H)*\cos \mathrm{\β}-({\mathrm{\φ}}_R-{\mathrm{\φ}}_T)\sin \mathrm{\β})]\\ +(J*{{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_R}^2+\mathrm{Kf})*\sin \mathrm{\β}*[({\mathrm{\θ}}_R-{\mathrm{\θ}}_H)*\sin \mathrm{\β}+({\mathrm{\φ}}_R-{\mathrm{\φ}}_T)\cos \mathrm{\β})]\end{array}$

其中，J是风轮转动惯量，Ke是叶片旋转面方向刚度系数，Kf是叶片轴向刚度系数，β是叶片桨距角，θ_R是风轮转子角，是风轮转子角的一阶导数，θ_H是轮毂横向摆动角，φ_R是叶片轴向摆动角，φ_T是塔筒轴向摆动角。

优选的，所述传动链模块进一步根据以下公式计算输出至所述发电机的机械转矩：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{LS}}{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_H=T_H-T_1-{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{LS}}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_H\\ T_1=K_{\mathrm{LS}}({\mathrm{\θ}}_H-{\mathrm{\θ}}_1)\\ 0=T_1+{\mathrm{NT}}_2\\ {\mathrm{\θ}}_2={\mathrm{N\θ}}_1-(N-1){\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Gb}}\\ J_{\mathrm{Gb}}{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{Gb}}=-B_{\mathrm{Gb}}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{Gb}}-K_{\mathrm{Gb}}({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Gb}}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{TS}})-(N-1)T_2\\ J_{\mathrm{TS}}{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{TS}}=-B_{\mathrm{TS}}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{TS}}-K_{\mathrm{TS}}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{TS}}-K_{\mathrm{Gb}}({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{TS}}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Gb}})\\ I_{\mathrm{HS}}{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_g=T_{\mathrm{gen}}-T_2-{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{HS}}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_g\\ T_2=K_{\mathrm{HS}}({\mathrm{\θ}}_g-{\mathrm{\θ}}_2)\end{array}\right.$

其中，θ_TS为塔筒横向摆动角，为塔筒横向摆动角的一阶导数，为塔筒横向摆动角的二阶导数，θ_H为轮毂横向摆动角，为轮毂横向摆动角的一阶导数，为轮毂横向摆动角的二阶导数，T_H为输出至所述发电机的机械转矩，J_Gb为发电机转动惯量，θ_Gb为齿轮箱面内位移角度，为齿轮箱面内位移角度的一阶导数，为齿轮箱面内位移角度的二阶导数，K_Gb为齿轮箱弹性支撑线刚度，θ₁、θ₂分别为进、出齿轮箱的扭转位移角度，N为齿轮箱变比，B_Gb为齿轮箱弹性支撑阻尼，T₁、T₂分别为进、出齿轮箱的转矩，γ_HS为高速轴的机械损耗，I_LS为轮毂加上低速轴的转动惯量，I_HS为发电机加上高速轴的转动惯量，K_LS为低速轴刚度系数，K_HS为高速轴刚度系数，γ_LS为低速轴机械损耗，T_gen是发电机电磁转矩，J_TS、B_TS、K_TS分别为塔筒面内转动惯量、阻尼、刚度系数，θ_g为发电机转子角，为发电机转子角的一阶导数，为发电机转子角的二阶导数。

优选的，所述仿真系统基于PowerFactory数字仿真和电网计算程序，所述发电机采用PowerFactory内置的发电机模型，所述网侧变流器和机侧变流器采用PowerFactory内置的变流器模型。

通过实施上述本发明提供的双馈式风力发电仿真系统，具有如下技术效果：

(1)本发明从双馈式风力发电系统的设计原型入手，加入了风力机和传动链模型的仿真模拟，真实地反应了风力机和传动链的机械运行状态及能量传递过程；

(2)本发明通过加入接口模块实现外部主控动态链接库、变流器动态链接库控制数据的调用，对实际主控和变流器程序的修改和重构，利用软件编译生成了主控和变流器动态链接库，实现了仿真系统对动态链接库的调用，使得仿真系统和实际风机的控制策略完全一致，有利于对现场控制策略的算法验证，同时极大程度地方便了主控制策略的优化和设计，也大大减轻了建模的工作量；

(3)本发明加入了对直流母线斩波单元电路和低压穿越单元电路的仿真模拟，以解决双馈式风电机组的高、低电压穿越问题。

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，下面描述中的附图仅仅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是现有技术中双馈式风力发电系统的结构组成示意图；

图2是本发明双馈式风力发电仿真系统一种具体实施方式的系统结构框图；

图3是本发明双馈式风力发电仿真系统一种具体实施方式的控制系统结构框图；

图4是本发明双馈式风力发电仿真系统一种具体实施方式中风轮的运行原理示意图；

图5是本发明双馈式风力发电仿真系统一种具体实施方式中叶片的结构示意图；

图6是本发明双馈式风力发电仿真系统一种具体实施方式中风力机模块的系统结构框图；

图中：1-电网，2-主变压器，3-发电机，4-交流电感，5-网侧变流器，6-直流母线，7-斩波器，8-斩波电阻，9-机侧变流器，10-低压穿越单元，11-控制装置，12-风速模块，13-风力机模块，14-传动链模块，15-测量模块，16-接口模块，17-主控动态链接库，18-变流器动态链接库，19-气动单元，20-风轮转子动态单元，100-风力发电机，101-叶片，102-轮毂，103-齿轮箱，104-风轮，105-变流器，106-塔筒，107-低速轴，108-高速轴，109-齿轮箱弹性支撑，110-机舱。

具体实施方式

为了引用和清楚起见，将下文中使用的技术名词、简写或缩写记载如下：

PowerFactory：是德国DIgSILENT公司生产的一款大型集成化电力系统仿真软件，此软件具有高度图形化的操作模式和全新的数据管理概念等特点，并且能够提供电力系统各个方面的分析功能。

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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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。

如附图2至附图6所示，给出了本发明双馈式风力发电仿真系统的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如附图2所示，一种双馈式风力发电仿真系统的具体实施例，用于实现双馈式风力发电机组仿真，包括：电网1、主变压器2、发电机3、交流电感4、网侧变流器5、斩波器7、斩波电阻8和机侧变流器9。发电机3的网侧与主变压器2的低压侧相连，发电机3的机侧依次经机侧变流器9、机侧变流器9与网侧变流器5之间的直流母线6、网侧变流器5、交流电感4连接至主变压器2的低压侧，主变压器2的高压侧接入无穷大的电网1。斩波器7与斩波电阻8相连并组成斩波单元，斩波单元连接在直流母线6上。其中，发电机3和变流器模块(包括网侧变流器5和机侧变流器9)是用来形成发电机3的本体及变流器105的主拓扑，它们都是使用powerfactory软件内置的发电机及变流器。上述双馈式风力发电仿真系统中的电网1、主变压器2、发电机3、交流电感4、网侧变流器5、斩波器7、斩波电阻8和机侧变流器9分别用于模拟真实双馈式风力发电系统中的电网、主变压器、发电机、交流电感、网侧变流器、斩波器、斩波电阻和机侧变流器。

本发明具体实施例描述的双馈式风力发电仿真系统基于PowerFactory数字仿真和电网计算程序，发电机3采用PowerFactory内置的发电机模型，网侧变流器5和机侧变流器9采用PowerFactory内置的变流器模型。本发明具体实施例描述的基于PowerFactory的双馈式风力发电仿真系统，解决了现有风力发电仿真系统等效模型中的主电路与实际系统不一致、模型过于简单，以及控制系统很难与实际控制策略一致，不能真实地反应实际现场风机运行状况等缺点。

作为本发明一种较佳的具体实施例，仿真系统还进一步包括低压穿越单元10，低压穿越单元10连接在发电机3的机侧。发电机采用PowerFactory软件内置模型，机侧变流器9与低压穿越单元10均内置在发电机3中。低压穿越单元10用于当包括电网1的电压突然跌落在内的故障导致直流母线6的电压或发电机3的转子电流上升到一定阀值时，使发电机3的转子和机侧变流器9产生旁路，将能量消耗，使双馈式风力发电机组实现低压穿越。斩波单元用于当包括电网1的电压骤升在内的故障导致直流母线6上的电压或发电机3的转子电流上升到一定阀值时，释放直流母线6上的能量，从而降低直流母线6上的电压，使双馈式风力发电机组实现高电压穿越。本发明具体实施例通过配置斩波单元和低压穿越单元10以应对双馈式风力发电系统的高、低电压穿越故障。

作为本发明一种典型的具体实施例，如附图3所示，仿真系统还进一步包括控制装置11、主控动态链接库17和变流器动态链接库18，控制装置11分别与发电机3、网侧变流器5、机侧变流器9相连，控制装置11进一步包括风速模块12、风力机模块13、传动链模块14、测量模块15和接口模块16；

风速模块12模拟实际风场的风况，生成恒风速信号或变风速信号，或根据实际风场采集风速信号进行回放，以确保仿真系统模拟风场的风况与实际现场风况的一致性；

测量模块15通过接口模块16与风力机模块13、网侧变流器5、机侧变流器9相连，对风力机模块13、网侧变流器5、机侧变流器9的相关信号进行检测；测量模块15用来监测参与控制的，如：机侧电流、转子磁链、转子角、母线电压、网侧电流等信号变量，通过这些变量完成对网侧变流器5、机侧变流器9和发电机3的监测，并利用它们完成整个系统的控制；

风力机模块13与风速模块12相连，风力机模块13实现风能向机械能的转换；

传动链模块14连接在风力机模块13与发电机3之间，实现风力机模块13与发电机3之间传动部件的耦合；

接口模块16与主控动态链接库17、变流器动态链接库18分别相连，变流器动态链接库18存储有网侧变流器5和机侧变流器9的控制数据及控制程序，主控动态链接库17存储有除网侧变流器5和机侧变流器9的控制数据以外的控制数据及控制程序，接口模块16实现对主控动态链接库17、变流器动态链接库18控制数据的调用。

接口模块16是主控动态链接库17和变流器动态链接库18与控制装置11的接口，只有利用接口模块16，仿真系统才能实现对动态链接库的正确调用，并实现仿真系统与动态链接库之间参数及变量的传递和访问。主控动态链接库17和变流器动态链接库18承担着仿真系统中几乎所有的控制，仿真系统与实际系统的运行情况是否一致，很大程度上就决定于主控和变流器的控制。在本发明具体实施例中，通过对实际主控和变流器系统的程序进行修改和重构，生成主控动态链接库17和变流器动态链接库18，再在PowerFactory中建立动态链接库与控制装置11的接口模块，通过接口模块16实现控制装置11对主控动态链接库17和变流器动态链接库18的调用，以解决模型控制策略与实际现场风机策略不一致的问题，实现风力发电仿真系统与现场的控制策略的完全一致。

作为本发明一种较佳的具体实施例，如附图6所示，风力机模块13还进一步包括气动单元19和风轮转子动态单元20，气动单元19根据来自于风速模块12的风速信号和叶片101桨距角，以及风轮转子动态单元20反馈回来的风轮转子转速和风速校正信号，输出旋转转矩和轴向转矩至风轮转子动态单元20。风轮转子动态单元20根据轮毂102转速、叶片101桨距角、旋转转矩和轴向转矩信号，形成最终的轮毂102输出转矩，并输出至传动链模块14。在风力机模块13中，气动单元19通过吸收风能产生了旋转转矩和轴向转矩输出到轮毂102，然后在风轮转子动态单元20中，将这两个转矩转变为最终的轮毂102输出转矩，输出至传动链模块14。在气动单元19部分，不仅考虑了旋转转矩，而且也考虑了轴向转矩，同时为了消除实际系统中叶片101与塔筒106所存在的共振，在仿真中加入了相对于轮毂102转速的3阶和6阶转矩分量，同时也考虑了叶片101以及塔筒106的震动对风速的影响。在风轮转子动态单元20部分，为了模拟叶片101和塔筒106对系统的影响，考虑了叶片101及塔筒106在旋转方向和轴向的运动情况。本发明具体实施例不仅考虑了轮毂102与其他部件的柔性连接，同时还考虑了塔筒106、齿轮箱103的旋转面内扭角，并考虑了塔筒106和传动链模块14的耦合部分。

风力机模块13输出至传动链模块14的轮毂输出转矩T_H进一步根据以下公式计算：

$\begin{array}{c}{T}_H=(J*{{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_R}^2+\mathrm{Ke})*\cos \mathrm{\β}*[({\mathrm{\θ}}_R-{\mathrm{\θ}}_H)*\cos \mathrm{\β}-({\mathrm{\φ}}_R-{\mathrm{\φ}}_T)\sin \mathrm{\β})]\\ +(J*{{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_R}^2+\mathrm{Kf})*\sin \mathrm{\β}*[({\mathrm{\θ}}_R-{\mathrm{\θ}}_H)*\sin \mathrm{\β}+({\mathrm{\φ}}_R-{\mathrm{\φ}}_T)\cos \mathrm{\β})]\end{array}$

如附图4和附图5中所示，其中，J是风轮104转动惯量，Ke是叶片101旋转面方向刚度系数，Kf是叶片101轴向刚度系数，β是叶片101桨距角，θ_R是风轮104转子角，是风轮104转子角的一阶导数，θ_H是轮毂102横向摆动角，θ_TS是塔筒106横向摆动角，φ_R是叶片101轴向摆动角，φ_T是塔筒106轴向摆动角。

旋转转矩和轴向转矩是风经过气动单元19后获得的两个方向上的转矩，风轮转子动态单元20输出的机械转矩是旋转转矩和轴向转矩再经过风轮转子动态单元20而获得的转矩，机械转矩同时也是风力机模块13所获得的最终转矩。传动链模块14进一步根据以下公式计算输出至发电机3的机械转矩：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{LS}}{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_H=T_H-T_1-{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{LS}}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_H\\ T_1=K_{\mathrm{LS}}({\mathrm{\θ}}_H-{\mathrm{\θ}}_1)\\ 0=T_1+{\mathrm{NT}}_2\\ {\mathrm{\θ}}_2={\mathrm{N\θ}}_1-(N-1){\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Gb}}\\ J_{\mathrm{Gb}}{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{Gb}}=-B_{\mathrm{Gb}}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{Gb}}-K_{\mathrm{Gb}}({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Gb}}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{TS}})-(N-1)T_2\\ J_{\mathrm{TS}}{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{TS}}=-B_{\mathrm{TS}}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{TS}}-K_{\mathrm{TS}}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{TS}}-K_{\mathrm{Gb}}({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{TS}}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Gb}})\\ I_{\mathrm{HS}}{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_g=T_{\mathrm{gen}}-T_2-{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{HS}}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_g\\ T_2=K_{\mathrm{HS}}({\mathrm{\θ}}_g-{\mathrm{\θ}}_2)\end{array}\right.$

其中，θ_TS为塔筒106横向摆动角，也即塔筒106面内位移角度，为塔筒106横向摆动角的一阶导数，为塔筒106横向摆动角的二阶导数，θ_H为轮毂102横向摆动角，为轮毂102横向摆动角的一阶导数，为轮毂102横向摆动角的二阶导数，T_H为输出至发电机3的机械转矩，也即轮毂102的输出转矩，J_Gb为发电机3转动惯量，θ_Gb为齿轮箱103面内位移角度，为齿轮箱103面内位移角度的一阶导数，为齿轮箱103面内位移角度的二阶导数，K_Gb为齿轮箱弹性支撑109线刚度，θ₁、θ₂分别为进、出齿轮箱103的扭转位移角度，N为齿轮箱103变比，B_Gb为齿轮箱弹性支撑109阻尼，T₁、T₂分别为进、出齿轮箱103的转矩，γ_HS为高速轴108的机械损耗，I_LS为轮毂102加上低速轴107的转动惯量，I_HS为发电机3加上高速轴108的转动惯量，K_LS为低速轴107刚度系数，K_HS为高速轴108刚度系数，γ_LS为低速轴107机械损耗，T_gen是发电机3电磁转矩，J_TS、B_TS、K_TS分别为塔筒106面内转动惯量、阻尼、刚度系数，θ_g为发电机3转子角，为发电机3转子角的一阶导数，为发电机3转子角的二阶导数。

传动链模块14包含低速轴107、齿轮箱103、高速轴108、塔筒106之间的耦合，在本发明具体实施例的传动链模块14中不仅考虑了轮毂102与其他部件的柔性连接，同时还考虑了塔筒106、齿轮箱103的扭角，考虑了塔筒106和传动链模块14的耦合部分，齿轮箱103采用了精确度极高的数学函数模拟。

通过实施本发明具体实施例提供的双馈式风力发电仿真系统，能够产生以下技术效果：

(1)本发明具体实施例从双馈式风力发电系统的设计原型入手，加入了风力机和传动链模型的仿真模拟，使得抽象过程所产生的误差最小化，真实地反应了风力机和传动链的机械运行状态及能量传递过程；

(2)本发明具体实施例通过加入接口模块实现外部主控动态链接库、变流器动态链接库控制数据的调用，对实际主控和变流器程序的修改和重构，利用软件编译生成了主控和变流器动态链接库，实现了仿真系统对动态链接库的调用，解决了仿真系统控制策略与实际现场风机控制策略不同的问题，使得仿真系统和实际风机的控制策略完全一致，有利于对现场控制策略的算法验证，同时极大程度地方便了主控制策略的优化和设计，也大大减轻了建模的工作量；

(3)本发明具体实施例加入了对直流母线斩波单元电路和低压穿越单元电路的仿真模拟，以解决双馈式风电机组的高、低电压穿越问题，有利于对现场控制策略的算法验证，同时极大程度地方便了控制策略的优化和设计，能够更加准确地分析风力发电系统接入对电力系统的影响。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (7)

1.一种双馈式风力发电仿真系统，实现双馈式风力发电机组仿真，其特征在于，包括：电网(1)、主变压器(2)、发电机(3)、交流电感(4)、网侧变流器(5)、斩波器(7)、斩波电阻(8)和机侧变流器(9)；所述发电机(3)的网侧与所述主变压器(2)的低压侧相连，所述发电机(3)的机侧依次经所述机侧变流器(9)、所述机侧变流器(9)与所述网侧变流器(5)之间的直流母线(6)、网侧变流器(5)、交流电感(4)连接至所述主变压器(2)的低压侧，所述主变压器(2)的高压侧接入所述电网(1)；所述斩波器(7)与所述斩波电阻(8)相连并组成斩波单元，所述斩波单元连接在所述直流母线(6)上。

2.根据权利要求1所述的一种双馈式风力发电仿真系统，其特征在于：所述仿真系统还包括低压穿越单元(10)，所述低压穿越单元(10)连接在所述发电机(3)的机侧，所述机侧变流器(9)与低压穿越单元(10)均内置在所述发电机(3)中；所述低压穿越单元(10)用于当包括电网(1)的电压突然跌落在内的故障导致所述直流母线(6)的电压或所述发电机(3)的转子电流上升到一定阀值时，使所述发电机(3)的转子和机侧变流器(9)产生旁路，将能量消耗，使所述双馈式风力发电机组实现低压穿越；所述斩波单元用于当包括电网(1)的电压骤升在内的故障导致所述直流母线(6)上的电压或所述发电机(3)的转子电流上升到一定阀值时，释放所述直流母线(6)上的能量，从而降低所述直流母线(6)上的电压，使所述双馈式风力发电机组实现高电压穿越。

3.根据权利要求1或2所述的一种双馈式风力发电仿真系统，其特征在于：所述仿真系统还包括控制装置(11)、主控动态链接库(17)和变流器动态链接库(18)，所述控制装置(11)分别与所述发电机(3)、网侧变流器(5)、机侧变流器(9)相连，所述控制装置(11)进一步包括风速模块(12)、风力机模块(13)、传动链模块(14)、测量模块(15)和接口模块(16)；

所述风速模块(12)模拟实际风场的风况，生成恒风速信号或变风速信号，或根据实际风场采集风速信号进行回放；

所述测量模块(15)通过接口模块(16)与所述风力机模块(13)、网侧变流器(5)、机侧变流器(9)相连，对所述风力机模块(13)、网侧变流器(5)、机侧变流器(9)的相关信号进行检测；

所述风力机模块(13)与所述风速模块(12)相连，所述风力机模块(13)实现风能向机械能的转换；

所述传动链模块(14)连接在所述风力机模块(13)与所述发电机(3)之间，实现所述风力机模块(13)与发电机(3)之间传动部件的耦合；

所述接口模块(16)与主控动态链接库(17)、变流器动态链接库(18)分别相连，所述变流器动态链接库(18)存储有所述网侧变流器(5)和机侧变流器(9)的控制数据及控制程序，所述主控动态链接库(17)存储有除所述网侧变流器(5)和机侧变流器(9)的控制数据以外的控制数据及控制程序，所述接口模块(16)实现对所述主控动态链接库(17)、变流器动态链接库(18)控制数据的调用。

4.根据权利要求3所述的一种双馈式风力发电仿真系统，其特征在于：所述风力机模块(13)包括气动单元(19)和风轮转子动态单元(20)，所述气动单元(19)根据来自于所述风速模块(12)的风速信号和叶片桨距角，以及所述风轮转子动态单元(20)反馈回来的风轮转子转速和风速校正信号，输出旋转转矩和轴向转矩至所述风轮转子动态单元(20)；所述风轮转子动态单元(20)根据轮毂转速、叶片桨距角、旋转转矩和轴向转矩信号，形成最终的轮毂输出转矩，并输出至所述传动链模块(14)。

5.根据权利要求4所述的一种双馈式风力发电仿真系统，其特征在于：所述风力机模块(13)输出至所述传动链模块(14)的轮毂输出转矩T_H进一步根据以下公式计算：

$\begin{array}{c}{T}_H=(J*{{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_R}^2+\mathrm{Ke})*\cos \mathrm{\β}*[({\mathrm{\θ}}_R-{\mathrm{\θ}}_H)*\cos \mathrm{\β}-({\mathrm{\φ}}_R-{\mathrm{\φ}}_T)\sin \mathrm{\β})]\\ +(J*{{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_R}^2+\mathrm{Kf})*\sin \mathrm{\β}*[({\mathrm{\θ}}_R-{\mathrm{\θ}}_H)*\sin \mathrm{\β}+({\mathrm{\φ}}_R-{\mathrm{\φ}}_T)\cos \mathrm{\β})]\end{array}$

其中，J是风轮转动惯量，Ke是叶片旋转面方向刚度系数，Kf是叶片轴向刚度系数，β是叶片桨距角，θ_R是风轮转子角，是风轮转子角的一阶导数，θ_H是轮毂横向摆动角，φ_R是叶片轴向摆动角，φ_T是塔筒轴向摆动角。

6.根据权利要求5所述的一种双馈式风力发电仿真系统，其特征在于：所述传动链模块(14)进一步根据以下公式计算输出至所述发电机(3)的机械转矩：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{LS}}{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_H=T_H-T_1-{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{LS}}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_H\\ T_1=K_{\mathrm{LS}}({\mathrm{\θ}}_H-{\mathrm{\θ}}_1)\\ 0=T_1+{\mathrm{NT}}_2\\ {\mathrm{\θ}}_2={\mathrm{N\θ}}_1-(N-1){\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Gb}}\\ J_{\mathrm{Gb}}{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{Gb}}=-B_{\mathrm{Gb}}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{Gb}}-K_{\mathrm{Gb}}({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Gb}}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{TS}})-(N-1)T_2\\ J_{\mathrm{TS}}{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{TS}}=-B_{\mathrm{TS}}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{TS}}-K_{\mathrm{TS}}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{TS}}-K_{\mathrm{Gb}}({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{TS}}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Gb}})\\ I_{\mathrm{HS}}{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_g=T_{\mathrm{gen}}-T_2-{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{HS}}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_g\\ T_2=K_{\mathrm{HS}}({\mathrm{\θ}}_g-{\mathrm{\θ}}_2)\end{array}\right.$

其中，θ_TS为塔筒横向摆动角，为塔筒横向摆动角的一阶导数，为塔筒横向摆动角的二阶导数，θ_H为轮毂横向摆动角，为轮毂横向摆动角的一阶导数，为轮毂横向摆动角的二阶导数，T_H为输出至所述发电机的机械转矩，J_Gb为发电机转动惯量，θ_Gb为齿轮箱面内位移角度，为齿轮箱面内位移角度的一阶导数，为齿轮箱面内位移角度的二阶导数，K_Gb为齿轮箱弹性支撑线刚度，θ₁、θ₂分别为进、出齿轮箱的扭转位移角度，N为齿轮箱变比，B_Gb为齿轮箱弹性支撑阻尼，T₁、T₂分别为进、出齿轮箱的转矩，γ_HS为高速轴的机械损耗，I_LS为轮毂加上低速轴的转动惯量，I_HS为发电机加上高速轴的转动惯量，K_LS为低速轴刚度系数，K_HS为高速轴刚度系数，γ_LS为低速轴机械损耗，T_gen是发电机电磁转矩，J_TS、B_TS、K_TS分别为塔筒面内转动惯量、阻尼、刚度系数，θ_g为发电机转子角，为发电机转子角的一阶导数，为发电机转子角的二阶导数。

7.根据权利要求1、2、4、5、6中任一权利要求所述的一种双馈式风力发电仿真系统，其特征在于：所述仿真系统基于PowerFactory数字仿真和电网计算程序，所述发电机(3)采用PowerFactory内置的发电机模型，所述网侧变流器(5)和机侧变流器(9)采用PowerFactory内置的变流器模型。