CN105591402B - 一种直驱永磁风电机组的建模与仿真方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种直驱永磁风电机组的建模与仿真方法和装置，该直驱永磁风电机组的建模与仿真方法包括：构建直驱永磁风电机组的风电机组模型；根据风电机组模型对并入电网的直驱永磁风电机组进行仿真；其中，风电机组模型包括风力机模型；三阶双质块轴系模型；二阶桨距角控制模型；根据发电机转速与发电机电流关系，构建的发电机、机侧变流器及控制发电机和机侧变流器的控制系统的第一一阶控制模型；一阶直流电容模型；根据变流器直流电容电压与风电机组有功电流关系，构建的网侧变流器及其控制系统的第二一阶控制模型。本发明的技术方案能够充分模拟风电机组各个结构的运行特性，并且风电机组模型只有八阶，减少了计算量，提高了仿真与分析速度。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，更为具体地说，涉及一种直驱永磁风电机组的建模与仿真方法和装置。
背景技术
直驱永磁风电机组是基于永磁同步发电机且由风力直接驱动进行发电的变频恒速风电机组，该直驱永磁风电机组采用叶轮与发电机直接相连进行驱动的方式，能够保证发电机的高效运转。
完整的直驱永磁风电机组模型包括多个结构的相关模型，基于大量特征量进行计算，从而过多增加了模型中方程的阶数，甚至达到十几阶，甚至几十阶，导致在研究直驱永磁风电机组时，计算量大、仿真速度慢和运行不稳定。为了克服上述问题，相关技术中，在研究直驱永磁风电机组模型时，一般基于特征值分析法分析直驱永磁风电机组的相关模态，即通过计算特征根、特征向量和特征值的灵敏度，确定主导模态，保留与主导模态相关的状态变量，消去其它状态变量，从而降低模型的阶数，然而上述简化的直驱永磁风电机组模型过于简化，只是反映直驱永磁风电机组的部分结构在特定情况下的运行状况，在计算风电机组模态时，并不能充分反映直驱永磁风电机组中主要结构的运行特性。
综上所述，如何降低计算量，提高仿真速度，并充分反映直驱永磁风电机组的主要运行特性成为目前本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种直驱永磁风电机组的建模与仿真的技术方案，以解决背景技术中所介绍的现有技术中的直驱永磁风电机组模型的计算量大，仿真速度慢且不能准确反映风电机组的主要运行特性的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
根据本发明的第一方面，提出了一种直驱永磁风电机组的建模与仿真方法，该直驱永磁风电机组的建模与仿真方法包括：
构建直驱永磁风电机组的风电机组模型；
根据所述风电机组模型对并入电网的直驱永磁风电机组进行仿真；其中，所述构建直驱永磁风电机组的风电机组模型的方法包括：
构建直驱永磁风电机组的风力机模型；
构建所述直驱永磁风电机组的三阶双质块轴系模型；
构建所述直驱永磁风电机组的二阶桨距角控制模型；
根据所述直驱永磁风电机组的发电机转速与发电机电流关系，模拟发电机转速控制，构建所述直驱永磁风电机组的发电机、机侧变流器及控制所述发电机和机侧变流器的控制系统的第一一阶控制模型；
构建所述直驱永磁风电机组的一阶直流电容模型；
根据变流器直流电容电压与风电机组有功电流的关系，构建所述直驱永磁风电机组的网侧变流器及所述网侧变流器的控制系统的第二一阶控制模型。
优选地，所述构建直驱永磁风电机组的风电机组模型的方法，具体还包括：
根据风速、桨距角、风力机转速和风力机机械转矩之间的关系，模拟直驱永磁风电机组的风力机吸收风功率过程，构建所述风力机模型，根据所述风力机模型，计算风力机机械转矩；
根据风力机转速、发电机转速、所述风力机机械转矩以及发电机电磁转矩之间的关系，模拟所述直驱永磁风电机组的风力机机械转矩和发电机电磁转矩的能量传递关系，构建所述三阶双质块轴系模型，根据所述三阶双质块轴系模型，计算风力机转速和发电机转速；
根据所述发电机转速与桨距角的关系，模拟直驱永磁风电机组的桨距角控制和伺服环节，构建所述二阶桨距角控制模型，根据所述二阶桨距角控制模型计算桨距角；
根据所述发电机转速与发电机电流的关系，模拟发电机转速控制，构建所述发电机、机侧变流器及控制所述发电机和机侧变流器的控制系统的第一一阶控制模型，根据所述第一一阶控制模型，计算发电机电磁转矩和机侧变流器功率；
根据变流器直流电容电压、所述网侧变流器功率和所述机侧变流器功率的关系，构建所述一阶直流电容模型，根据所述一阶直流电容模型，计算变流器直流电容电压；
根据所述变流器直流电容电压与风电机组有功电流的关系，模拟直驱永磁风电机组的直流电容电压控制，构建所述网侧变流器及所述网侧变流器的控制系统的第二一阶控制模型，根据所述第二一阶控制模型计算网侧变流器功率，其中，所述网侧变流器功率即为风电机组功率。
优选地，所述根据直驱永磁风电机组的发电机转速与发电机电流关系，模拟发电机转速控制，构建所述直驱永磁风电机组的发电机、机侧变流器及控制所述发电机和机侧变流器的控制系统的第一一阶控制模型的方法具体包括：
iqs＝kpω(ωref-ωg)+kiωx1
其中，x1为第一中间状态变量，ωref为发电机参考转速，ωg为发电机转速，iqs为发电机定子q轴电流，kpω为PI控制器的比例系数，kiω为PI控制器的积分系数。
优选地，所述根据变流器直流电容电压与风电机组有功电流的关系，构建所述直驱永磁风电机组的网侧变流器及所述网侧变流器的控制系统的第二一阶控制模型的方法具体包括：
idg＝kpudc(udc_ref-udc)+kiudcx2
其中，x2为第二中间状态变量，udc_ref为变流器直流电容电压参考值、udc为变流器直流电容电压实际值，idg为风电机组注入电网有功电流，kpudc为PI控制器的比例系数，kiudc为PI控制器的积分系数。
优选地，所述根据所述风电机组模型对并入电网的直驱永磁风电机组进行仿真的方法具体包括：
将构建的所述直驱永磁风电机组模型接入电网开始仿真，待所述直驱永磁风电机组与所述电网进入稳态时，对风电机组施加扰动；
计算直驱永磁风电机组输出的风电机组输出有功功率，根据所述风电机组输出有功功率输入电网后引起的电网响应，分析风电并网后对电网的影响。
根据本发明的第二方面还提出了一种直驱永磁风电机组的建模与仿真装置，该直驱永磁风电机组的建模与仿真装置包括：
模型构建模块，用于构建直驱永磁风电机组的风电机组模型；
仿真模块，用于根据所述风电机组模型对并入电网的直驱永磁风电机组进行仿真；其中，所述模型构建模块包括：
风力机模型构建子模块，用于构建直驱永磁风电机组的风力机模型；
三阶双质块轴系模型构建子模块，用于构建所述直驱永磁风电机组的三阶双质块轴系模型；
二阶桨距角控制模型构建子模块，用于构建所述直驱永磁风电机组的二阶桨距角控制模型；
第一一阶控制模型构建子模块，用于根据所述直驱永磁风电机组的发电机转速与发电机电流关系，模拟发电机转速控制，构建所述直驱永磁风电机组的发电机、机侧变流器及控制所述发电机和机侧变流器的控制系统的第一一阶控制模型；
一阶直流电容模型构建子模块，用于构建所述直驱永磁风电机组的一阶直流电容模型；
第二一阶控制模型构建子模块，用于根据变流器直流电容电压与风电机组有功电流的关系，构建所述直驱永磁风电机组的网侧变流器及所述网侧变流器的控制系统的第二一阶控制模型。
优选地，所述风力机模型构建子模块，具体用于根据风速、桨距角、风力机转速和风力机机械转矩之间的关系，模拟直驱永磁风电机组的风力机吸收风功率过程，构建所述风力机模型，根据所述风力机模型计算风力机机械转矩；
所述三阶双质块轴系模型构建子模块，具体用于根据风力机转速、发电机转速、所述风力机机械转矩以及发电机电磁转矩之间的关系，模拟所述直驱永磁风电机组的风力机机械转矩和发电机电磁转矩的能量传递关系，构建所述三阶双质块轴系模型，根据所述三阶双质块轴系模型，计算风力机转速和发电机转速；
所述二阶桨距角控制模型构建子模块，具体用于根据所述发电机转速与桨距角的关系，模拟直驱永磁风电机组的桨距角控制和伺服环节，构建所述二阶桨距角控制模型，根据所述二阶桨距角控制模型计算桨距角；
所述第一一阶控制模型构建子模块，具体用于根据所述发电机转速与发电机电流的关系，模拟发电机转速控制，构建所述发电机、机侧变流器及控制所述发电机和机侧变流器的控制系统的第一一阶控制模型，根据所述第一一阶控制模型计算发电机电磁转矩和机侧变流器功率；
所述一阶直流电容模型构建子模块，具体用于根据变流器直流电容电压、所述网侧变流器功率和所述机侧变流器功率的关系，构建所述一阶直流电容模型，根据所述一阶直流电容模型，计算变流器直流电容电压；
所述第二一阶控制模型构建子模块，具体用于根据所述变流器直流电容电压与风电机组有功电流的关系，模拟直驱永磁风电机组的直流电容电压控制，构建所述网侧变流器及所述网侧变流器的控制系统的第二一阶控制模型，根据所述第二一阶控制模型，计算网侧变流器功率，其中，所述网侧变流器功率即为风电机组功率。
优选地，所述第一一阶控制模型构建子模块构建的发电机、机侧变流器及控制所述发电机和机侧变流器的控制系统的第一一阶控制模型具体包括：
iqs＝kpω(ωref-ωg)+kiωx1
其中，x1为第一中间状态变量，ωref为发电机参考转速，ωg为发电机转速，iqs为发电机定子q轴电流，kpω为PI控制器的比例系数，kiω为PI控制器的积分系数。
优选地，所述第二一阶控制模型构建子模块构建的网侧变流器及所述网侧变流器的控制系统的第二一阶控制模型具体包括：
idg＝kpudc(udc_ref-udc)+kiudcx2
其中，x2为第二中间状态变量，udc_ref为变流器直流电容电压参考值、udc为变流器直流电容电压实际值，idg为风电机组注入电网有功电流，kpudc为PI控制器的比例系数，kiudc为PI控制器的积分系数。
优选地，所述仿真模块具体包括：
接入子模块，用于将构建的所述直驱永磁风电机组模型接入电网，开始仿真；
扰动施加子模块，用于当所述直驱永磁风电机组与所述电网进入稳态时，对风电机组施加扰动；
计算子模块，用于计算直驱永磁风电机组输出的风电机组输出有功功率；
分析子模块，用于根据所述风电机组输出有功功率输入电网后引起的电网响应，分析风电并网后对电网的影响。
通过上述工作过程得出，本发明提供的直驱永磁风电机组的建模与仿真方案，通过构建直驱永磁风电机组的风电机组模型，模拟风电机组的输出功率接入电网的过程，通过该风电机组模型对并入电网的直驱永磁风电机组进行仿真，能够准确反映风电机组接入电网时的运行特性，其中，构建的风电机组模型包括：风电机组模型，能够模拟直驱永磁风电机组的吸收风功率的过程；三阶双质块轴系模型，能够模拟风力机与发电机的能量传递过程；二阶桨距角控制模型，能够模拟直驱永磁风电机组的桨距角控制和伺服环节；发电机、机侧变流器及控制发电机和机侧变流器的控制系统的第一一阶控制模型，能够模拟发电机转速的控制过程；一阶直流电容模型，能够模拟机侧变流器与网侧变流器的功率传递过程；网侧变流器及网侧变流器的控制系统的第二一阶控制模型，能够模拟直驱永磁风电机组的网侧有功功率的产生和输出过程，该网侧有功功率即风电机组输出有功功率；然后将该风电机组输出有功功率并入电网，对风电并网进行仿真，分析对电网的影响，从而实现对大规模风电并网的仿真。本发明的技术方案通过构建直驱永磁风电机组的八阶模型，在充分准确模拟风电机组的各个结构的运行特性的基础上，减少了计算量，提高了对风电并网过程的仿真与分析速度，适用于风电机组的动态安全稳定分析。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例提供的一种直驱永磁风电机组的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的第一种直驱永磁风电机组的建模与仿真方法的流程示意图；
图3是本发明实施例提供的第二种直驱永磁风电机组的建模与仿真方法的流程示意图；
图4是本发明实施例提供的一种叶尖速比与风能利用系数的关系图；
图5是本发明实施例提供的一种双质块轴系的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的第三种直驱永磁风电机组的建模与仿真方法的流程示意图；
图7是本发明实施例提供的第四种直驱永磁风电机组的建模与仿真方法的流程示意图；
图8是本发明实施例提供的第五种直驱永磁风电机组的建模与仿真方法的流程示意图；
图9是本发明实施例提供的第六种直驱永磁风电机组的建模与仿真方法的流程示意图；
图10是本发明实施例提供的第七种直驱永磁风电机组的建模与仿真方法的流程示意图；
图11是本发明实施例提供的第八种直驱永磁风电机组的建模与仿真方法的流程示意图；
图12是本发明实施例提供的第一种直驱永磁风电机组的建模与仿真装置的结构示意图；
图13是本发明实施例提供的第二种直驱永磁风电机组的建模与仿真装置的结构示意图。
具体实施方式
本发明实施例提供的直驱永磁风电机组的建模与仿真方案，解决了现有技术中构建的直驱永磁风电机组模型的计算量大，仿真速度慢且不能充分准确反映风电机组的主要运行特性的问题。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中的技术方案作进一步详细的说明。
请参考附图1和图2，图1是本发明实施例提供的一种直驱永磁风电机组的结构示意图，如图1所示，风力机、轴系、发电机/机侧变流器及控制所述发电机和机侧变流器的控制系统、变流器直流电容以及网侧变流器和控制网侧变流器的控制系统依次相连，通过传输线路，将直驱永磁风电机组接入到电网系统中。以下实施例以图1实施例所示的直驱永磁风电机组为总体结构进行展开说明。
图2是本发明一示例性实施例示出的第一种直驱永磁风电机组的建模与仿真方法的流程示意图，如图2所示，本发明实施例提供的直驱永磁风电机组的建模与仿真方法包括如下步骤：
S210：构建直驱永磁风电机组的风电机组模型。
S220：根据所述风电机组模型对并入电网的直驱永磁风电机组进行仿真。
其中，构建的风电机组模型包括：风电机组模型，能够模拟直驱永磁风电机组的吸收风功率的过程；三阶双质块轴系模型，能够模拟风力机与发电机的能量传递过程；二阶桨距角控制模型，能够模拟直驱永磁风电机组的桨距角控制和伺服环节；发电机、机侧变流器及控制发电机和机侧变流器的控制系统的第一一阶控制模型，能够模拟发电机转速控制过程；一阶直流电容模型，能够模拟机侧变流器与网侧变流器的功率传递过程；网侧变流器及网侧变流器的控制系统的第二一阶控制模型，能够模拟直驱永磁风电机组的网侧有功功率的产生和输出过程，该网侧有功功率即风电机组输出有功功率；然后将该直驱永磁风电机组模型输出的风电机组输出有功功率并入电网后，分析直驱永磁风电机组对电网的影响，从而实现对大规模风电并网进行仿真。
通过上述工作过程得出，本发明提供的直驱永磁风电机组的建模与仿真方案，通过构建直驱永磁风电机组的风电机组模型，模拟风电机组输出有功功率接入电网的过程，最后通过该风电机组模型对并入电网的直驱永磁风电机组进行仿真，能够准确反映直驱永磁风电机组接入电网时的运行特性，通过构建直驱永磁风电机组的八阶模型，在充分准确地模拟风电机组的各个结构的运行特性的基础上，相对于背景技术中提到的十几阶甚至几十阶的风电场模型，能够减少计算量，提高对风电并网过程的仿真与分析速度，同时，由于本发明提供的风电机组模型，能够充分模拟风电机组并网时的各个主要结构的运行过程，能够适用于风电机组的动态安全稳定分析。
图3是本发明一示例性实施例示出的第二种直驱永磁风电机组的建模与仿真方法的流程示意图。结合图1和图3所示，本发明实施例提供的直驱永磁风电机组的建模与仿真方法为图2所示构建直驱永磁风电机组的风电机组模型的方法的具体扩展，具体包括如下步骤：
S310：根据风速、桨距角、风力机转速和风力机机械转矩之间关系，模拟直驱永磁风电机组的风力机吸收风功率过程，构建风力机模型；根据该风力机模型计算风力机机械转矩，具体过程如下：
风力机的任务是完成从风能到机械功率的转化，根据风力机的空气动力学原理，风力机输出机械功率可用公式表达：
其中，Pm是风力机输出机械功率，该风力机输出机械功率即为风力机吸收风功率，ρ为空气密度，πR2为风力机扫风面积，Vw为风速。λ为叶尖速比，β为桨距角，Cp(λ,β)为风能利用系数，表征风力机运行功效，是桨距角与叶尖速比的非线性函数。根据贝兹理论可知，风能利用系数的最大值为0.593，其值越大，表明风力机转化风能的能力越强，风力机的效率越高。通常情况下，难以获取Cp(λ,β)的准确值，可用下式表达风能利用系数：
上述公式中，β为桨距角；λ为桨叶尖部速度与风速之比，称为叶尖速比，λ1为定义的叶尖速比中间状态变量；桨叶速度风力机转速的对应关系如下：
其中，ωm为风力机转速，V为风速，R为风力机扫风半径。
叶尖速比与风能利用系数的关系如图4所示，由图4可以清楚地看出，桨距角不同，风能利用系数也不同，当桨距角达到程度后，存在一个最大的风能利用系数Cpmax以及相对应的最佳叶尖速比λopt。随着桨距角的增大，对应的风能利用系数逐渐减小。通过调节桨距角β达到参考桨距角，调节Cp(λ,β)，能够使直驱永磁风电机组在高风速时稳定在风能利用效率最高的风力机输出功率。
根据风力机机械转矩与风力机输出机械功率的关系，构建风力机输出机械转矩计算模型如下：其中，Tm是风力机械转矩。然后根据该风力机机械转矩计算模型计算风机了机械转矩。
S320：根据风力机转速、发电机转速、以及上述风力机模型计算出的风力机机械转矩以及发电机电磁转矩之间的关系，模拟直驱永磁风电机组的风力机机械转矩和发电机电磁转矩的能量传递关系，构建三阶双质块轴系模型；根据该三阶双质块轴系模型计算风力机转速和发电机转速。
S330：根据发电机转速与桨距角的关系，结合上述三阶双质块轴系模型计算的发电机转速，模拟直驱永磁风电机组的桨距角控制和伺服环节，构建二阶桨距角控制模型，根据该二阶桨距角控制模型计算桨距角。
当风速低于额定风速时，相关控制系统将桨距角控制在最优桨距角保持不变，一般取β＝0；此时，风电机组通过最大功率跟踪控制实现对风能的最大捕获。当风速超过额定风速时，由于发电机和变流器的功率限制，需要调节桨距角，进而降低风能利用系数使得直驱永磁同步发电机保持在恒定输出功率状态下运行，结合上述步骤S310，计算额定风速以上状态下的风力机机械转矩。
S340：根据发电机转速与发电机电流的关系，模拟发电机转速控制，构建发电机、机侧变流器及控制所述发电机和机侧变流器的控制系统的第一一阶控制模型，根据该第一一阶控制模型计算发电机电磁转矩和机侧变流器功率。
当风速一定时，直驱永磁风电机组在值最大的风能利用系数状态下运行，风电机组输出的功率对应有一个最佳的转速，即在该最佳的转速下，输出功率才为最大。具体地，可将发电机转速调整到发电机参考转速，该发电机参考转速对应的风能利用效率最高。
S350：根据变流器直流电容电压、网侧变流器功率和机侧变流器功率的关系，结合上述第一一阶控制模型计算的机侧变流器功率，构建一阶直流电容模型，进一步根据该一阶直流电容模型计算变流器直流电容电压。
S360：根据变流器直流电容电压与风电机组有功电流的关系，结合上述一阶直流电容模型计算的变流器直流电容电压，模拟直驱永磁风电机组的直流电容电压控制，构建网侧变流器及所述网侧变流器的控制系统的第二一阶控制模型，根据该第二一阶控制模型计算网侧变流器功率，其中，所述网侧变流器功率即为风电机组功率。
具体的，结合图5，图5为本发明实施例提供的一种双质块轴系的结构示意图，如图5所示，该双质块轴系包括用于驱动桨叶的风力机51的转轴与发电机52的转轴，两转轴相互连接，从而实现双质块的传动，具体控制过程请参见图6，上述图3所示实施例中的步骤S320：构建三阶双质块轴系模型，模拟风力机与发电机的能量传递的具体方法包括：
S610：根据所述直驱永磁风电机组的风力机机械转矩与风力机转速之间关系构建三阶双质块轴系模型中的第一一阶双质块模型如下：
其中，Hm为风力机惯性时间常数，ωm为风电机转速；ωg为发电机转速，t为时间，Tm为风力机机械转矩，Ks为轴系刚度系数，Ds为风力机和发电机之间的阻尼系数：Dm为风力机的阻尼系数：θs为风力机与发电机之间的扭矩角。
S620：根据所述直驱永磁风电机组的发电机电磁转矩与发电机转速之间关系，构建三阶双质块轴系模型中的第二一阶双质块模型如下：
其中，Hg为发电机转子惯性时间常数，Te为发电机电磁转矩；发电机电磁转矩Te数学公式为：Te＝pnψfiqs；iqs为发电机定子q轴电流，ψf为发电机永磁体磁链，pn为极对数。
S630：根据风力机转速与发电机转速之间关系，构建三阶双质块轴系模型中的第三一阶双质块模型：其中，ωbase为转子转速基值。
S640：根据上述三个一阶双质块模型组成的三阶双质块轴系模型，模拟风力机与发电机的能量传递；计算风力机转速和发电机转速。
如图7所示，上述图3所示实施例中的步骤S330：根据发电机转速与桨距角的关系，结合三阶双质块轴系模型计算的发电机转速，模拟桨距角控制和伺服环节，构建二阶桨距角控制模型的步骤，具体包括如下步骤：
S710：根据所述发电机转速(即发电机实际转速)、发电机参考转速与桨距角中间变量的关系，构建第一一阶桨距角控制模型：其中，ωg为发电机转速，ωref为发电机参考转速，xβ为桨距角中间变量，t为时间。
S720：根据所述发电机转速、发电机参考转速以及桨距角中间变量的关系，构建参考桨距角控制模型：βref＝kpβ(ωref-ωg)+kiβxβ，其中，βref为参考桨距角，kpβ为PI控制器的比例系数，kiβ为PI控制器的积分系数。
S730：根据所述参考桨距角控制模型计算的参考桨距角、桨距角以及伺服时间常数，构建第二一阶桨距角控制模型：其中，Tse为伺服时间常数，β为桨距角。通过该第二一阶桨距角控制模型，计算桨距角。
如图8所示，图3所示实施例中的步骤S340：根据发电机转速与发电机电流的关系，模拟发电机转速控制，构建发电机、机侧变流器及控制所述发电机和机侧变流器的控制系统的第一一阶控制模型的步骤，包括：
S810：计算发电机转速与发电机参考转速的转速差量。
具体地，当外界风速小于额定风速的情况下，直驱永磁风电机组运行在最大功率追踪阶段，此时直驱永磁风电机组的实际发电机转速ωg与风速Vw满足如下关系：
不同风速Vw对应的最佳叶尖速比λopt可能不同，因此可通过最佳叶尖速比、风速和风力机转速之间关系：计算风力机转速。
其中，λopt为最佳叶尖速比，Vw为风速，ωm为风力机转速，在风力机运行达到稳态时，风力机转速ωm近似于发电机转速ωg。
由上述内容可知，发电机转速ωg可影响到风能利用率，进而影响到风力机输出功率。因此，需要将发电机实际转速调整到一定值，以提高风能利用效率。
S820：根据所述转速差量与机侧变流器中间变量的间对应关系，构建所述机侧变流器侧的第一中间状态变量与所述转速差量的一阶控制模型：
其中，ωg为发电机转速，ωref为发电机参考转速，x1为所述第一中间状态变量。
S830：根据所述机侧变流器的第一中间状态变量与所述转速差量的一阶控制模型计算所述机侧变流器的第一中间状态变量。
S840：根据所述第一中间状态变量、所述发电机转速与发电机参考转速的转速差量，构建所述机侧变流器的电流控制模型：iqs＝kpω(ωref-ωg)+kiωx1。
上式中，ωref为发电机转速参考值，ωg为发电机转速，kpω为PI控制器的比例系数，kiω为PI控制器的积分系数，iqs为发电机定子q轴电流。
S850：根据发电机有功功率、发电机电磁转矩和发电机转速的关系，构建所述发电机有功功率计算模型：Ps＝Teωg。
根据该公式，能够计算出发电机有功功率，也即机侧变流器有功功率Ps。
如图9所示，上述图3所示实施例中步骤S350：根据变流器直流电容电压、网侧变流器功率和机侧变流器功率的关系，构建一阶直流电容模型，包括：
S910：根据变流器直流电容电压与电流，构建变流器直流侧的一阶直流电容模型：
其中，Pdc为直流侧有功功率，udc为直流电容电压，idc为变流器直流侧电流，C为变流器直流电容，t为时间。
S920：根据所述直流侧有功功率与机侧变流器有功功率、网侧变流器有功功率的关系，计算所述直流侧有功功率，代入步骤S910中的一阶直流电容模型。
具体地，根据所述机侧变流器有功功率与网侧变流器有功功率之差：Ps-Pg＝Pdc确定所述变流器直流侧有功功率；其中，Ps为机侧变流器有功功率，Pdc为变流器直流侧有功功率，Pg为网侧变流器有功功率。
Pg数学公式如下：Pg＝vgidg。
其中，idg为风电机组注入电网有功电流，vg为风电机组机端电压。
S930：根据所述变流器直流侧的一阶直流电容模型，计算所述直流电容电压。
如图10所示，上述图3所示实施例中步骤S360：根据变流器直流电容电压与风电机组有功电流的关系，结合上述一阶直流电容模型计算的变流器直流电容电压，模拟直流电容电压控制，构建网侧变流器及所述网侧变流器的控制系统的第二一阶控制模型，包括：
S1010：根据变流器直流电容电压与网侧变流器的第二中间状态变量的关系，构建网侧变流器的第二中间状态变量的一阶控制模型。
该网侧变流器侧的第二中间状态变量的一阶控制模型如下所示：
上式中，x2为第二中间状态变量，udc_ref为直流电容电压参考值、udc为直流电容电压实际值。
S1020：根据网侧变流器电流计算公式：idgref＝kpudc(udc_ref-udc)+kiudcx2和iqgref＝0，计算网侧变流器电流；其中，x2为所述第二中间状态变量，kpudc为PI控制器的比例系数，kiudc为PI控制器的积分系数，idgref和iqgref分别是电网侧变流器电流d轴分量参考值和q轴分量参考值。
由于变流器电流内环控制响应迅速，故本方案认为所述网侧变流器输出电流等于其参考值，即idg＝idgref。
该直驱永磁风电机组的建模方法能够应用于整个直驱永磁风电场，具体地，图3所示实施例中的步骤S220：根据风电机组模型对并入电网的直驱永磁风电机组进行仿真之前，还能够根据风电场内直驱永磁风电机组数量，对风电机组输出有功功率进行倍乘等值，然后将倍乘等值后的风电机组输出有功功率并入电网，对直驱永磁风电场进行仿真；具体地步骤可以如下所示，包括：
对风电机组输出有功功率进行倍乘等值，公式为：Pg_eq＝NPg；
其中，N为风电场内风电机组数量。
若直驱永磁风电场内各个直驱永磁风电机组输出有功功率不同，需要对上述各个直驱永磁风电机组进行加法处理，依次相加，然后并入电网进行仿真。
如图11所示，上述图2所示实施例中的步骤S220：根据风电机组模型对并入电网的直驱永磁风电机组进行仿真的步骤具体包括：
S1110：将构建的所述直驱永磁风电机组模型接入电网开始仿真，待所述直驱永磁风电机组与所述电网进入稳态时，对风电机组施加扰动。
S1120：计算直驱永磁风电机组输出的风电机组输出有功功率，根据所述风电机组输出有功功率输入电网后引起的电网响应，分析风电并网后对电网的影响。
具体地，将所建立的风电机组模型接入电网，开始仿真，待进入稳态之后对风电机组施加风速阶跃等扰动，分析风电机组的有功功率、无功功率、转速等响应，验证所建仿真模型的准确性，并进一步分析风电并网后对电网的影响。
基于同一发明构思，本申请实施例还提供了一种直驱永磁风电机组的建模与仿真装置，由于该装置对应的方法是本申请实施例中的直驱永磁风电机组的建模与仿真方法，并且该装置解决问题的原理与方法相似，因此该装置的实施可以参见方法的实施，重复之处不再赘述。
请参考图12，图12是本发明一示例性实施例示出的第一种直驱永磁风电机组的建模与仿真装置的结构示意图，如图12所示，该直驱永磁风电机组的建模与仿真装置包括：
模型构建模块1201，用于构建直驱永磁风电机组的风电机组模型。
仿真模块1202，用于根据所述风电机组模型对并入电网的直驱永磁风电机组进行仿真。
其中，如图12所示，模型构建模块1201包括：
风力机模型构建子模块12011，用于构建直驱永磁风电机组的风力机模型。
三阶双质块轴系模型构建子模块12012，用于构建所述直驱永磁风电机组的三阶双质块轴系模型。
二阶桨距角控制模型构建子模块12013，用于构建所述直驱永磁风电机组的二阶桨距角控制模型。
第一一阶控制模型构建子模块12014，用于根据所述直驱永磁风电机组的发电机转速与发电机电流关系，模拟发电机转速控制，构建所述直驱永磁风电机组的发电机、机侧变流器及控制所述发电机和机侧变流器的控制系统的第一一阶控制模型。
一阶直流电容模型构建子模块12015，用于构建所述直驱永磁风电机组的一阶直流电容模型。
第二一阶控制模型构建子模块12016，用于根据变流器直流电容电压与风电机组有功电流的关系，构建所述直驱永磁风电机组的网侧变流器及所述网侧变流器的控制系统的第二一阶控制模型。
如图13所示，所述风力机模型构建子模块12011，具体用于根据风速、桨距角、风力机转速和风力机机械转矩之间的关系，模拟直驱永磁风电机组的风力机吸收风功率过程，构建所述风力机模型，根据所述风力机模型，计算风力机机械转矩。
所述三阶双质块轴系模型构建子模块12012，具体用于根据风力机转速、发电机转速、所述风力机机械转矩以及发电机电磁转矩之间的关系，模拟所述直驱永磁风电机组的风力机机械转矩和发电机电磁转矩的能量传递关系，构建所述三阶双质块轴系模型，根据所述三阶双质块轴系模型，计算风力机转速和发电机转速。
所述二阶桨距角控制模型构建子模块12013，具体用于根据所述发电机转速与桨距角的关系，模拟直驱永磁风电机组的桨距角控制和伺服环节，构建所述二阶桨距角控制模型，根据所述二阶桨距角控制模型，计算桨距角。
所述第一一阶控制模型构建子模块12014，具体用于根据所述发电机转速与发电机电流的关系，模拟发电机转速控制，构建所述发电机、机侧变流器及控制所述发电机和机侧变流器的控制系统的第一一阶控制模型，根据所述第一一阶控制模型，计算发电机电磁转矩、机侧变流器功率。
所述一阶直流电容模型构建子模块12015，具体用于根据变流器直流电容电压、所述网侧变流器功率和所述机侧变流器功率的关系，构建所述一阶直流电容模型，根据所述一阶直流电容模型，计算变流器直流电容电压。
所述第二一阶控制模型构建子模块12016，具体用于根据所述变流器直流电容电压与风电机组有功电流的关系，模拟直驱永磁风电机组的直流电容电压控制，构建所述网侧变流器及所述网侧变流器的控制系统的第二一阶控制模型，根据所述第二一阶控制模型，计算网侧变流器功率，其中，所述网侧变流器功率即为风电机组功率。
其中，所述第一一阶控制模型构建子模块12014构建的发电机、机侧变流器及控制所述发电机和机侧变流器的控制系统的第一一阶控制模型具体包括：
iqs＝kpω(ωref-ωg)+kiωx1
其中，x1为第一中间状态变量，ωref为发电机参考转速，ωg为发电机转速，iqs为发电机定子q轴电流，kpω为PI控制器的比例系数，kiω为PI控制器的积分系数。
所述第二一阶控制模型构建子模块12016构建的网侧变流器及所述网侧变流器的控制系统的第二一阶控制模型具体包括：
idg＝kpudc(udc_ref-udc)+kiudcx2
其中，x2为第二中间状态变量，udc_ref为变流器直流电容电压参考值、udc为变流器直流电容电压实际值，idg为风电机组注入电网有功电流，kpudc为PI控制器的比例系数，kiudc为PI控制器的积分系数。
如图13所示，所述仿真模块1202具体包括：
接入子模块12021，用于将构建的所述直驱永磁风电机组模型接入电网开始仿真。
扰动施加子模块12022，用于当所述直驱永磁风电机组与所述电网进入稳态时，对风电机组施加扰动。
计算子模块12023，用于计算直驱永磁风电机组输出的风电机组输出有功功率。
分析子模块12024，用于根据所述风电机组输出有功功率输入电网后引起的电网响应，分析风电并网后对电网的影响。
本发明提供的直驱永磁风电场的建模与仿真方案，通过上述工作过程得出，本发明提供的直驱永磁风电机组的建模与仿真方案，通过构建直驱永磁风电机组的风电机组模型，模拟风电机组输出有功功率接入电网的过程，最后通过该风电机组模型对并入电网的直驱永磁风电机组进行仿真，能够准确反映直驱永磁风电机组接入电网时的运行特性，通过构建直驱永磁风电机组的八阶模型，在充分准确地模拟风电机组的各个结构的运行特性的基础上，相对于背景技术中提到的十几阶甚至几十阶的风电场模型，能够减少计算量，提高对风电并网过程的仿真与分析速度，同时，由于本发明提供的风电机组模型，能够充分模拟风电机组并网时的各个主要结构的运行过程，能够适用于风电机组的动态安全稳定分析。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处。
以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种直驱永磁风电机组的建模与仿真方法，其特征在于，包括：
构建直驱永磁风电机组的风电机组模型；
根据所述风电机组模型对并入电网的直驱永磁风电机组进行仿真；其中，所述构建直驱永磁风电机组的风电机组模型的方法包括：
根据风速、桨距角、风力机转速和风力机机械转矩之间关系，模拟直驱永磁风电机组的风力机吸收风功率过程，构建直驱永磁风电机组的风力机模型，根据所述风力机模型计算风力机机械转矩；
根据风力机转速、发电机转速、所述风力机机械转矩以及发电机电磁转矩之间的关系，模拟所述直驱永磁风电机组的风力机机械转矩和发电机电磁转矩的能量传递关系，构建所述直驱永磁风电机组的三阶双质块轴系模型，根据所述三阶双质块轴系模型计算风力机转速和发电机转速；
根据所述发电机转速与桨距角的关系，模拟直驱永磁风电机组的桨距角控制和伺服环节，构建所述直驱永磁风电机组的二阶桨距角控制模型，根据所述二阶桨距角控制模型计算所述桨距角；
根据所述直驱永磁风电机组的发电机转速与发电机电流关系，模拟发电机转速控制，构建所述直驱永磁风电机组的发电机、机侧变流器及控制所述发电机和机侧变流器的控制系统的第一一阶控制模型，根据所述第一一阶控制模型计算发电机电磁转矩和机侧变流器功率；
根据变流器直流电容电压、网侧变流器功率和所述机侧变流器功率的关系，构建所述直驱永磁风电机组的一阶直流电容模型，根据所述一阶直流电容模型计算变流器直流电容电压；
根据变流器直流电容电压与风电机组有功电流的关系，模拟直驱永磁风电机组的直流电容电压控制，构建所述直驱永磁风电机组的网侧变流器及所述网侧变流器的控制系统的第二一阶控制模型，根据所述第二一阶控制模型计算网侧变流器功率，其中，所述网侧变流器功率即为风电机组功率。
2.根据权利要求1所述的直驱永磁风电场的建模与仿真方法，其特征在于，所述根据所述直驱永磁风电机组的发电机转速与发电机电流关系，模拟发电机转速控制，构建所述直驱永磁风电机组的发电机、机侧变流器及控制所述发电机和机侧变流器的控制系统的第一一阶控制模型的方法具体包括：
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</mrow>
</msub>
<mo>-</mo>
<msub>
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</msub>
</mrow>
iqs＝kpω(ωref-ωg)+kiωx1
其中，x1为第一中间状态变量，ωref为发电机参考转速，ωg为发电机转速，iqs为发电机定子q轴电流，kpω为PI控制器的比例系数，kiω为PI控制器的积分系数。
3.根据权利要求1所述的直驱永磁风电场的建模与仿真方法，其特征在于，所述根据变流器直流电容电压与风电机组有功电流的关系，构建所述直驱永磁风电机组的网侧变流器及所述网侧变流器的控制系统的第二一阶控制模型的方法具体包括：
<mrow>
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<mi>d</mi>
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<mo>-</mo>
<msub>
<mi>u</mi>
<mrow>
<mi>d</mi>
<mi>c</mi>
</mrow>
</msub>
</mrow>
idg＝kpudc(udc_ref-udc)+kiudcx2
其中，x2为第二中间状态变量，udc_ref为变流器直流电容电压参考值、udc为变流器直流电容电压实际值，idg为风电机组注入电网有功电流，kpudc为PI控制器的比例系数，kiudc为PI控制器的积分系数。
4.根据权利要求1所述的直驱永磁风电场的建模与仿真方法，其特征在于，所述根据所述风电机组模型对并入电网的直驱永磁风电机组进行仿真的方法，具体包括：
将构建的所述直驱永磁风电机组模型接入电网开始仿真，待所述直驱永磁风电机组与所述电网进入稳态时，对风电机组施加扰动；
计算直驱永磁风电机组输出的风电机组输出有功功率，根据所述风电机组输出有功功率输入电网后引起的电网响应，分析风电并网后对电网的影响。
5.一种直驱永磁风电机组的建模与仿真装置，其特征在于，包括：
模型构建模块，用于构建直驱永磁风电机组的风电机组模型；
仿真模块，用于根据所述风电机组模型对并入电网的直驱永磁风电机组进行仿真；其中，所述模型构建模块包括：
风力机模型构建子模块，用于根据风速、桨距角、风力机转速和风力机机械转矩之间的关系，模拟直驱永磁风电机组的风力机吸收风功率过程，构建直驱永磁风电机组的风力机模型，根据所述风力机模型，计算风力机机械转矩；
三阶双质块轴系模型构建子模块，用于根据风力机转速、发电机转速、所述风力机机械转矩以及发电机电磁转矩之间的关系，模拟所述直驱永磁风电机组的风力机机械转矩和发电机电磁转矩的能量传递关系，构建所述直驱永磁风电机组的三阶双质块轴系模型，根据所述三阶双质块轴系模型，计算风力机转速和发电机转速；
二阶桨距角控制模型构建子模块，用于根据所述发电机转速与桨距角的关系，模拟直驱永磁风电机组的桨距角控制和伺服环节，构建所述直驱永磁风电机组的二阶桨距角控制模型，根据所述二阶桨距角控制模型计算桨距角；
第一一阶控制模型构建子模块，用于根据所述直驱永磁风电机组的发电机转速与发电机电流关系，模拟发电机转速控制，构建所述直驱永磁风电机组的发电机、机侧变流器及控制所述发电机和机侧变流器的控制系统的第一一阶控制模型，根据所述第一一阶控制模型，计算发电机电磁转矩和机侧变流器功率；
一阶直流电容模型构建子模块，用于根据变流器直流电容电压、网侧变流器功率和所述机侧变流器功率的关系，构建所述直驱永磁风电机组的一阶直流电容模型，根据所述一阶直流电容模型，计算变流器直流电容电压；
第二一阶控制模型构建子模块，用于根据变流器直流电容电压与风电机组有功电流的关系，模拟直驱永磁风电机组的直流电容电压控制，构建所述直驱永磁风电机组的网侧变流器及所述网侧变流器的控制系统的第二一阶控制模型，根据所述第二一阶控制模型，计算网侧变流器功率，其中，所述网侧变流器功率即为风电机组功率。
6.根据权利要求5所述的直驱永磁风电机组的建模与仿真装置，其特征在于，所述第一一阶控制模型构建子模块构建的发电机、机侧变流器及控制所述发电机和机侧变流器的控制系统的第一一阶控制模型具体包括：
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<mi>&omega;</mi>
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iqs＝kpω(ωref-ωg)+kiωx1
其中，x1为第一中间状态变量，ωref为发电机参考转速，ωg为发电机转速，iqs为发电机定子q轴电流，kpω为PI控制器的比例系数，kiω为PI控制器的积分系数。
7.根据权利要求5所述的直驱永磁风电机组的建模与仿真装置，其特征在于，所述第二一阶控制模型构建子模块构建的网侧变流器及所述网侧变流器的控制系统的第二一阶控制模型具体包括：
<mrow>
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<mrow>
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<mrow>
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<mi>c</mi>
</mrow>
</msub>
</mrow>
idg＝kpudc(udc_ref-udc)+kiudcx2
其中，x2为第二中间状态变量，udc_ref为变流器直流电容电压参考值、udc为变流器直流电容电压实际值，idg为风电机组注入电网有功电流，kpudc为PI控制器的比例系数，kiudc为PI控制器的积分系数。
8.根据权利要求5所述的直驱永磁风电机组的建模与仿真装置，其特征在于，所述仿真模块，具体包括：
接入子模块，用于将构建的所述直驱永磁风电机组模型接入电网，开始仿真；
扰动施加子模块，用于当所述直驱永磁风电机组与所述电网进入稳态时，对风电机组施加扰动；
计算子模块，用于计算直驱永磁风电机组输出的风电机组输出有功功率；
分析子模块，用于根据所述风电机组输出有功功率输入电网后引起的电网响应，分析风电并网后对电网的影响。
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