CN105404720A - 一种基于硬件在环仿真的风电机组建模方法 - Google Patents

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秦世耀
李庆
张利
陈子瑜
张梅
贺敬
张元栋
唐建芳
朱琼锋
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Abstract

本发明提供一种基于硬件在环仿真的风电机组建模方法，包括以下步骤：建立风电机组气动机械模型；建立风电机组发电机变流器模型；建立外部电网模型。本发明提供一种基于硬件在环仿真的风电机组建模方法，完成风电机组气动机械模型、风电机组发电机变流器模型和外部电网模型的建模，基于各模型提供了实时仿真交互技术，保证整体风电机组仿真的真实性和实时性，且保证了风电机组控制策略及各部件运行特性的真实性，可在实验室环境下模拟真实电网情况，以仿真风电机组的真实运行特性，尤其可测试风电机组实际主控策略的完整性。

Description

一种基于硬件在环仿真的风电机组建模方法
技术领域
本发明涉及一种建模方法，具体涉及一种基于硬件在环仿真的风电机组建模方法。
背景技术
风电机组性能测试评估是提高风电机组并网性能的重要技术手段。现有的风电机组性能测试评估方法主要有：模型仿真、零部件平台测试和现场测试。模型仿真主要是应用Matlab/Simulink、GHBladed和PowerFactory等仿真软件建立风力发电机组的模型并利用模型，仿真分析风电机组的运行特性，在模型建立过程中需对部分策略进行简化，仿真准确度根据不同的模型简化程度存在差别；零部件平台测试目前有发电机平台测试、变桨平台测试，通过在实验室模拟测试环境，进行零部件的运行特性测试，根据平台测试条件，无法模拟风电机组的全部公开，且平台多占地大、成本高，并不是一种高效的测试手段；现场测试在实际风机上进行特性测试，是最能够准确反映风电机组运行特性的方法，然而由于风电的随机性和波动性，现场试验多周期长、成本高、风险大，且不适用于实证性研究型测试。
申请号为201110275971.3的发明专利提供一种用于风力发电机主控系统测试的硬件在环实验系统和方法，在系统中通过设置风电机组参数的方式模拟风机模型，模型仿真结果作为风电机组主控器端的模拟和数据输入，该方法同样侧重于主控制器策略测试，缺乏对风机详细模型的建立，因此无法仿真准确的风机运行特性。
申请号为201210583480.X的发明专利公开了一种风力发电机组在环仿真测控系统及其测试方法，该方法侧重利用该测试方法进行主控系统控制策略的测试，但该方法中的风电机组模型较为简单，尤其是变流器、发电机及电网模型没有进行详细建模，无法反应出风机的电特性。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于硬件在环仿真的风电机组建模方法，完成风电机组气动机械模型、风电机组发电机变流器模型和外部电网模型的建模，基于各模型提供了实时仿真交互技术，保证整体风电机组仿真的真实性和实时性，且保证了风电机组控制策略及各部件运行特性的真实性，可在实验室环境下模拟真实电网情况，以仿真风电机组的真实运行特性，尤其可测试风电机组实际主控策略的完整性。
为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
本发明提供一种基于硬件在环仿真的风电机组建模方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1：建立风电机组气动机械模型；
步骤2：建立风电机组发电机变流器模型；
步骤3：建立外部电网模型。
所述步骤1中，基于GHBladed软件建立所述风电机组气动机械模型，并通过第一实时仿真接口实现风电机组气动机械模型与风电机组主控制器的实时交互。
所述风电机组主控制器通过第一实时仿真接口发送变桨指令给风电机组气动机械模型，风电机组气动机械模型接受到变桨指令后，对变桨指令进行数量或逻辑转换，将转换后的变桨指令作为风电机组气动机械模型的输入完成该周期内风电机组气动机械模型的仿真，并将仿真后的响应结果通过第一实时仿真接口反馈至风电机组主控制器。
所述步骤1中，风电机组气动机械模型包括风速模型、风力机模型、柔性传动链模型、变桨模型和塔筒模型。
所述步骤2中，基于MatlabSimulink软件建立所述风电机组发电机变流器模型，并通过第二实时仿真接口实现风电机组发电机变流器模型与风电机组主控制器的实时交互。
所述步骤2中，所述风电机组主控制器通过第二实时仿真接口发送转速指令给风电机组发电机变流器模型，风电机组发电机变流器模型接受到转速指令后，对转速指令进行数量或逻辑转换，将转换后的转速指令作为风电机组发电机变流器模型的输入完成该周期内风电机组发电机变流器模型的仿真，并将仿真后的响应结果通过第二实时仿真接口反馈至风电机组主控制器。
所述步骤2中，风电机组发电机变流器模型包括发电机模型和变流器模型。
所述发电机模型采用5阶电磁暂态模型，其包括定子模型、转子模型和传动系统模型；
所述变流器模型采用开关函数模型，其控制发电机的励磁电流、加载转矩与转速。
所述步骤3中，基于MatlabSimulink软件建立所述外部电网模型，并通过第二实时仿真接口实现外部电网模型与风电机组主控制器的实时交互。
所述风电机组主控制器通过第二实时仿真接口发送电流电压信号给外部电网模型，外部电网模型接受到电流电压信号后，对电流电压信号进行数量或逻辑转换，将转换后的电流电压信号作为外部电网模型的输入完成该周期内外部电网模型的仿真，并将仿真后的响应结果通过第二实时仿真接口反馈至风电机组主控制器。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：
1)基于硬件在环仿真的风电机组模型仿真过程中，风电机组控制器实物与仿真模型的数据交互与仿真在实时操作系统中完成，极大程度地保障了系统试验与检测的实时性与真实性；
2)基于硬件在环仿真的风电机组模型仿真中，基于MATLAB建模的风电机组电磁模型运行于实时操作系统中，通过实时操作系统的数据共享池与风电机组其他模型进行数据交互，保证了电气量的实时传输；
3)运用了硬件在环仿真技术，在建模时考虑了风电机组主控制器实际物理硬件，保证了仿真中风机控制逻辑的真实性，提高风机仿真精度；
4)可运用于在实验室环境下进行风电机组主控系统控制器、变桨系统控制器和变流器系统控制器程序的设计与调试，并可快速的进行程序控制性能、保护性能、健壮性和稳定性等试验验证，大大减轻风电机组控制系统研发成本，缩短了风电机组控制系统研发周期；
5)最大程度的仿真模拟了风电机组真实运行环境，可以进行风电机组载荷、功率曲线、电能质量、功率控制、电网适应性与低电压穿越性能测试与评估，为风电机组运行特性测试与评估提供了重要的技术手段。
附图说明
图1是本发明实施例中基于硬件在环仿真的风电机组模型结构图；
图2是本发明实施例中风电机组机械气动模型结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明提供一种基于硬件在环仿真的风电机组建模方法，如图1，风电机组模型包括风电机组气动机械模型、风电机组发电机变流器模型和外部电网模型；所述方法包括以下步骤：
步骤1：建立风电机组气动机械模型；
步骤2：建立风电机组发电机变流器模型；
步骤3：建立外部电网模型。
所述步骤1中，基于GHBladed软件建立所述风电机组气动机械模型，并通过第一实时仿真接口实现风电机组气动机械模型与风电机组主控制器的实时交互。
所述风电机组主控制器通过第一实时仿真接口发送变桨指令给风电机组气动机械模型，风电机组气动机械模型接受到变桨指令后，对变桨指令进行数量或逻辑转换，将转换后的变桨指令作为风电机组气动机械模型的输入完成该周期内风电机组气动机械模型的仿真，并将仿真后的响应结果通过第一实时仿真接口反馈至风电机组主控制器。
所述步骤1中，如图2，风电机组气动机械模型包括风速模型、风力机模型、柔性传动链模型、变桨模型和塔筒模型。
其中，风速模型可采用随机风也可以采用实测数据。风力机模型及柔性传动链模型采用有限元建模方法，其可以反映风电机组在运行与保护期间载荷与受力情况，可用于研究系统各构件间的相对空间运动与构件弹性变形相互影响和耦合。柔性传动链模型认为风电机组传动链低速轴与高速轴是柔性的，它允许风轮转子和发电机转子有各自的旋转自由度，风轮转子的加速度依赖于气动转矩和低速轴转矩的不平衡，发电机转子的加速度依赖于高速轴转矩和发电机加载转矩之间的不平衡，其综合考虑到系统机电暂态的准确性与仿真速度，柔性传动链模型既需满足机电暂态仿真需要，又要极大程度的接近传动链的实际情况。
详细的风电机组气动机械模型准确仿真出不同电网和风电机组控制策略情况下的机械运行特性，反馈出真实的风电机组转速和转矩数据，通过通讯借口将转速和转矩测试数据反馈给主控系统，从而闭环完成风电机组运行控制。
所述步骤2中，基于MatlabSimulink软件建立所述风电机组发电机变流器模型，并通过第二实时仿真接口实现风电机组发电机变流器模型与风电机组主控制器的实时交互。
所述步骤2中，所述风电机组主控制器通过第二实时仿真接口发送转速指令给风电机组发电机变流器模型，风电机组发电机变流器模型接受到转速指令后，对转速指令进行数量或逻辑转换，将转换后的转速指令作为风电机组发电机变流器模型的输入完成该周期内风电机组发电机变流器模型的仿真，并将仿真后的响应结果通过第二实时仿真接口反馈至风电机组主控制器。
所述步骤2中，风电机组发电机变流器模型包括发电机模型和变流器模型。
所述发电机模型采用5阶电磁暂态模型，其包括定子模型、转子模型和传动系统模型；
所述变流器模型采用开关函数模型，其控制发电机的励磁电流、加载转矩与转速。
所述步骤3中，基于MatlabSimulink软件建立所述外部电网模型，并通过第二实时仿真接口实现外部电网模型与风电机组主控制器的实时交互。
所述风电机组主控制器通过第二实时仿真接口发送电流电压信号给外部电网模型，外部电网模型接受到电流电压信号后，对电流电压信号进行数量或逻辑转换，将转换后的电流电压信号作为外部电网模型的输入完成该周期内外部电网模型的仿真，并将仿真后的响应结果通过第二实时仿真接口反馈至风电机组主控制器。
风电机组主控制器包括主控系统控制器及外围接口与供电模块，其中主控制器是风电机组主控系统的核心，具体控制器主要包括Mita、Beckhoff、Bachmann、B&R等的PLC控制器或其他微处理器，其负责整个虚拟风电机组主控程序的执行和风电机组运行及保护的全过程控制。
变流器控制系统包括变流器控制器及外围结构与供电电路，其中变流器控制器是变流器控制系统的核心，变流控制器主要包括DSP、FPGA等微处理器，其负责虚拟风机变流器核心算法的执行和变流器PWM调制信号的发生与保护。
变桨系统包括变桨控制器及外围接口与供电电路，其中变桨控制器是风电机组变桨系统的核心，变桨控制器主要包括PLC控制或其他微处理器，其负责虚拟风机变桨系统核心算法的执行和风机变桨指令的上传与下发。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于硬件在环仿真的风电机组建模方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤1：建立风电机组气动机械模型；
步骤2：建立风电机组发电机变流器模型；
步骤3：建立外部电网模型。
2.根据权利要求1所述的基于硬件在环仿真的风电机组建模方法，其特征在于：所述步骤1中，基于GHBladed软件建立所述风电机组气动机械模型，并通过第一实时仿真接口实现风电机组气动机械模型与风电机组主控制器的实时交互。
3.根据权利要求2所述的基于硬件在环仿真的风电机组建模方法，其特征在于：所述风电机组主控制器通过第一实时仿真接口发送变桨指令给风电机组气动机械模型，风电机组气动机械模型接受到变桨指令后，对变桨指令进行数量或逻辑转换，将转换后的变桨指令作为风电机组气动机械模型的输入完成该周期内风电机组气动机械模型的仿真，并将仿真后的响应结果通过第一实时仿真接口反馈至风电机组主控制器。
4.根据权利要求1-3任一所述的基于硬件在环仿真的风电机组建模方法，其特征在于：所述步骤1中，风电机组气动机械模型包括风速模型、风力机模型、柔性传动链模型、变桨模型和塔筒模型。
5.根据权利要求1所述的基于硬件在环仿真的风电机组建模方法，其特征在于：所述步骤2中，基于MatlabSimulink软件建立所述风电机组发电机变流器模型，并通过第二实时仿真接口实现风电机组发电机变流器模型与风电机组主控制器的实时交互。
6.根据权利要求5所述的基于硬件在环仿真的风电机组建模方法，其特征在于：所述步骤2中，所述风电机组主控制器通过第二实时仿真接口发送转速指令给风电机组发电机变流器模型，风电机组发电机变流器模型接受到转速指令后，对转速指令进行数量或逻辑转换，将转换后的转速指令作为风电机组发电机变流器模型的输入完成该周期内风电机组发电机变流器模型的仿真，并将仿真后的响应结果通过第二实时仿真接口反馈至风电机组主控制器。
7.根据权利要求1、5或6所述的基于硬件在环仿真的风电机组建模方法，其特征在于：所述步骤2中，风电机组发电机变流器模型包括发电机模型和变流器模型。
8.根据权利要求7所述的基于硬件在环仿真的风电机组建模方法，其特征在于：所述发电机模型采用5阶电磁暂态模型，其包括定子模型、转子模型和传动系统模型；
所述变流器模型采用开关函数模型，其控制发电机的励磁电流、加载转矩与转速。
9.根据权利要求1所述的基于硬件在环仿真的风电机组建模方法，其特征在于：所述步骤3中，基于MatlabSimulink软件建立所述外部电网模型，并通过第二实时仿真接口实现外部电网模型与风电机组主控制器的实时交互。
10.根据权利要求9所述的基于硬件在环仿真的风电机组建模方法，其特征在于：所述风电机组主控制器通过第二实时仿真接口发送电流电压信号给外部电网模型，外部电网模型接受到电流电压信号后，对电流电压信号进行数量或逻辑转换，将转换后的电流电压信号作为外部电网模型的输入完成该周期内外部电网模型的仿真，并将仿真后的响应结果通过第二实时仿真接口反馈至风电机组主控制器。
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