CN111577540B - 一种风力发电机组等效气动模型实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电机组等效气动模型实现方法，利用风力发电机组某些设计或实测参数，通过机械模型计算得到风轮输出的气动转矩，并从风力机气动特性的本质出发，构建了目标风速求解函数，给出了目标风速解算方法，能够实现目标风速高效求解，最后将目标风速和相应风轮转矩系数表构成风力发电机组等效气动模型。本发明有助于建立兼具良好通用性、适用性和实用性的风力发电机组电气仿真模型，能够用于风力发电机组或风电场等相关领域的仿真研究与实际控制的应用场合。

Description

一种风力发电机组等效气动模型实现方法

技术领域

本发明属于新能源发电技术领域，尤其涉及一种风力发电机组等效气动模型实现方法。

背景技术

随着风电产业的迅猛发展，风电渗透率不断提高，风电对电网安全性、稳定性的影响越发显著，同时电网对风电并网性能的要求更加严格。风电和电网相互作用特性及其控制方法研究的广度和深度不断延伸，风电并网仿真逐渐成为进行相关研究的重要方法。作为构成风力发电系统最基础、最重要的风力发电机组，其电气仿真模型是进行风电并网仿真研究的重要基础。

当前，关于风力发电机组单机电气仿真模型的通用模块化结构及其建模方法已非常明确，比如在国际电工委员会最新发布的IEC 61400-27-1:2015标准中，将风力发电机组单机电气仿真模型分为气动模块、机械模块、发电机系统模块、电气系统模块、电网保护模块、控制模块(包括变桨控制模块、发电机控制模块)等六个模块，并给出了各个模块的通用建模方法。

对于气动模块，则给出了恒定转矩气动模型、一维气动模型和二维气动模型三种通用建模方法。实际上，风力发电机组实际运行的气流环境非常复杂，风速矢量在风轮旋转面上分布也及其复杂，会受到剪切、塔影、湍流等因素的影响。为了考虑这些因素，业内普遍采用Bladed等专业软件进行风力发电机组气动设计，然而基于Bladed的气动设计又要涉及大量的计算，而且受限于现有建模方法，其精度也不能切实保证。因此，一方面，气动模型通用建模方法简单易行，但忽略了众多影响因素，其应用场合严重受限；另一方面，采用Bladed等专业软件进行气动设计，能够较好的提升气动模型的精度，但又不适用于风电场级等风电大规模接入电网的并网仿真研究。

发明内容

本发明的目的在于，提供了一种风力发电机组等效气动模型实现方法，通过本方法实现了建立兼具良好通用性、适用性和实用性的风力发电机组电气仿真模型。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种风力发电机组等效气动模型实现方法，所述等效气动模型实现方法至少包括如下步骤：S1：获取风力发电机组关键输入参数；S2：建立风力发电机组机械模型，并计算风轮输出的气动转矩T_aer(e)；S3：完成单个运行点的目标风速υ_e的计算；S4：重复步骤S1至S3，完成各运行点的目标风速υ_e的计算，从而获取目标风速序列υ_e(t)；S5：基于风力发电机组风轮转矩系数表Ct和目标风速序列υ_e(t)获得风力发电机组等效气动模型。

根据一个优选的实施方式，所述步骤S3中，单个运行点的目标风速计算过程包括：

步骤3-1：构建目标风速求解函数g(λ)；

步骤3-2：计算使得求解函数g(λ)取得最小值的叶尖速比λ_f；

步骤3-3：计算单个运行点的目标风速υ_e。

根据一个优选的实施方式，所述目标风速求解函数g(λ)是指建立当桨距角β＝β_m时，以叶尖速比λ为自变量的函数，g(λ)按下式定义，即

g(λ)＝|Ct(λ,β_m)-kλ²|

式中，k为无量纲系数，应按下式计算，即

式中，ω_r为风轮转速，R为风轮半径，ρ为空气密度。

根据一个优选的实施方式，所述步骤S3-2中，基于计算转矩系数查找表Ct对于叶尖速比λ的划分，从所划分的叶尖速比下限λ_min开始，依次递增划分间隔Δλ计算各划分点对应的g(λ)函数值，直至达到所划分的叶尖速比上限λ_max结束，并选取使g(λ)取得最小值的叶尖速比λ_f作为λ_e，即

λ_e＝λ_f

式中，λ_f满足：当λ＝λ_f(λ_min≤λ≤λ_max)时，使得g(λ)取得最小值。

根据一个优选的实施方式，所述步骤S3-3中，计算单个运行点的目标风速υ_e，使用叶尖速比λ_e，风轮转速ω_r和风轮半径R，计算相应运行点的目标风速υ_e，即：

υ_e＝Rω_r/λ_e。

根据一个优选的实施方式，所述叶尖速比λ的划分范围为[0,20]，即λmin＝0，λmax＝20，划分间隔Δλ＝0.1-0.01。

根据一个优选的实施方式，所述步骤S1中，所述关键输入参数是指风力发机组设计和/或实测参数；设计参数至少包括：风力发电机组风轮转动惯量J_r、转矩系数表Ct、发电机转动惯量J_g和齿轮箱变速比N_gb；实测参数至少包括：风力发电机组风轮转速ω_r、桨距角β_m，发电机转速ω_g，发电机电磁转矩T_g；空气密度ρ；且，当设计参数有对应实测参数值时，采用实测参数值。

根据一个优选的实施方式，所述步骤S2中，风力发电机组机械模型是指基于实际风力发电机组相关参数建立的运动方程。

根据一个优选的实施方式，所述机械模型采用两质量块模型，采用如下式定义：

式中，T_ls为低速轴转矩，T_lf为低速轴损耗转矩，T_hs为高速轴转矩，T_hf为高速轴损耗转矩，T_g为发电机电磁转矩。

前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案；且本发明，(各非冲突选择)选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。

本发明的有益效果：

(1)通过本发明方法，使用风力发电机组有限且实际比较容易获取的少量关键输入参数，将实际非常复杂的风力机气动特性，用相应转矩系数表和目标风速进行等效，能够获得比较好的模型精度，同时大大简化相应建模方法。

(2)从风力发电机组风力机气动特性的本质出发，构建了目标风速求解函数，可以解决相关风力机气动特性非线性带来的多值解问题，从而大大提升目标风速的求解效率。

(3)上述1和2的有益效果，使得等效气动模型不仅能够用于风力发电机组和风电场离线模拟仿真研究，使得相关模型易于在不同的仿真软件平台进行实现，还可用于风力发电机组和风电场在线实时模拟仿真研究及其他相关实际控制方案实现，从而大大扩展了相应模型的应用范围。

(4)本发明等效气动模型实现流程清晰，方法简单，硬软件资源耗费小，具有很好的通用性和实用性。

附图说明

图1是本发明等效气动模型实现方法流程图；

图2是本发明等效气动模型求解函数原理示意图；

图3是某型商业化风力发电机组轮毂处实测平均风速与等效气动模型求解出的目标风速序列的比较图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

因此，以下对本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。

如图1所示，本发明公开了一种风力发电机组等效气动模型实现方法。具体包括下列步骤：

步骤1：获取风力发电机组关键输入参数。

所述关键输入参数是指风力发机组某些设计或实测参数，主要包括风力发电机组风轮转动惯量J_r、转矩系数表Ct、发电机转动惯量J_g、齿轮箱变速比N_gb等设计参数；风力发电机组风轮转速ω_r、桨距角β_m，发电机转速ω_g，发电机电磁转矩T_g，空气密度ρ等实测参数，并且，在设计参数有对应实测值时，采用实测值。

进一步地，转矩系数表Ct是关于叶尖速比λ和桨距角β的函数，即Ct＝Ct(λ,β)。可通过对叶尖速比λ和桨距角β进行区间划分，利用Bladed等专业软件进行计算。

优选地，叶尖速比λ的划分范围为[0,20]，即λ_min＝0，λ_max＝20，划分间隔为Δλ＝0.1-0.01；桨距角β的划分范围为[β_opt,40°]，划分间隔Δβ＝0.1°～0.5°，β_opt为最优桨距角。

步骤2：建立风力发电机组机械模型，计算风轮输出的气动转矩T_aer(e)。

所述风力发电机组机械模型是指基于实际风力发电机组相关参数建立的运动方程；

进一步地，机械模型一般采用两质量块模型，按下式定义

式中，T_ls为低速轴转矩，T_lf为低速轴损耗转矩，T_hs为高速轴转矩，T_hf为高速轴损耗转矩。

进一步地，对于双馈风力发电发电机组，齿轮箱变速比为实际齿轮箱的变速比N_gb。对于直驱风力发电机组，齿轮箱变速比可取为1，即N_gb＝1。一般，T_lf和T_hf比较小，可以忽略，即T_lf和T_hf均为0。

步骤3：计算单个运行点的目标风速υ_e。

具体地，步骤3包括下列步骤：

步骤3-1：构建目标风速求解函数g(λ)；

所述目标风速求解函数g(λ)是指建立当桨距角β＝β_m时，以叶尖速比λ为自变量的函数，g(λ)按下式定义，即

g(λ)＝|Ct(λ,β_m)-kλ²|

式中，k为无量纲系数，应按下式计算，即

式中，ω_r为风轮转速，R为风轮半径，ρ为空气密度。

步骤3-2：计算使得求解函数g(λ)取得最小值的叶尖速比λ_f；

按照计算转矩系数查找表Ct对于叶尖速比λ的划分，从所划分的叶尖速比下限λ_min开始，依次递增划分间隔Δλ计算各划分点对应的g(λ)函数值，直至达到所划分的叶尖速比上限λ_max结束，并选取使g(λ)取得最小值的叶尖速比λ_f作为λ_e，即

λ_e＝λ_f

式中，λ_f应满足：当λ＝λ_f(λ_min≤λ≤λ_max)时，使得g(λ)取得最小值。

如图2所示，目标风速求解函数g(λ)实际上是Ct(λ,β_m)和kλ²两个函数之差的绝对值，Ct(λ,β_m)是一个查找表函数，kλ²是一个仅有二次项的一元二次函数，显然使得求解函数g(λ)取得最小值的叶尖速比λ_f，就是当λ_min≤λ≤λ_max时，Ct(λ,β_m)和kλ²两个函数曲线的交点T所对应的叶尖速比λ_T，即λ_f＝λ_T，此时g(λ)将取得最小值0，即g(λ_T)＝0。

实际上，由于叶尖速比λ是离散的，所求得的叶尖速比λ_T是一个使得g(λ_T)最接近于0的叶尖速比，只要叶尖速比间隔Δλ选取合理，例如Δλ＝0.01，由叶尖速比划分所引起的误差是很小的，完全能够满足工程应用要求。

步骤3-3：计算单个运行点的目标风速υ_e；

使用叶尖速比λ_e，风轮转速ω_r和风轮半径R，计算相应运行点的目标风速υ_e，即

υ_e＝Rω_r/λ_e

步骤4：重复步骤1、步骤2和步骤3，计算其他运行点的目标风速；获得目标风速序列υ_e(t)。

步骤5：步骤4计算完成后，即可获得基于风力发电机组风轮转矩系数表Ct和目标风速序列υ_e(t)的风力发电机组等效气动模型。

实施例

基于某型商业化风力发电机组关键输入参数，包括风力发电机组风轮转动惯量J_r、转矩系数表Ct、发电机转动惯量J_g、齿轮箱变速比N_gb等设计参数，风力发电机组风轮转速ω_r、桨距角β_m，发电机转速ω_g，发电机电磁转矩T_g等实测参数，此外还有轮毂处实测平均风速υ_h。其中风力发电机组风轮转速ω_r、桨距角β_m，发电机转速ω_g，发电机电磁转矩T_g等实测参数，包括轮毂处实测平均风速υ_h的采样周期均为10ms。每一个采样点即是对应一个运行点。

风轮转矩系数表Ct采用的叶尖速比λ的划分范围为[0,20]，即λ_min＝0，λ_max＝20，划分间隔为Δλ＝0.1；桨距角β的划分范围为[0°,40°]，划分间隔Δβ在[0°,30°]为Δβ＝0.25°，在[30°,40°]为Δβ＝0.5°。按照如图1所示的步骤，在Matlab软件中编制M实现文件，运行后即可获得相应的目标风速序列υ_e(t)，图3即为轮毂处实测平均风速与等效气动模型求解出的目标风速序列的比较图。使用时，将风轮转矩系数表Ct和目标风速序列υ_e(t)构成等效气动模型即可。

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。比如，风力发电机组风力发电机组风轮转速ω_r、桨距角β_m，发电机转速ω_g，发电机电磁转矩T_g等实测参数，还可以是相应的仿真数据，比如基于Bladed的相应仿真数据；再比如，对于没有风轮转速实测数据的情况，可以根据机械模型进行相应工程处理，等等。任何熟悉本发明所属领域的技术人员依然可以对本发明的具体实施方式做出修改或者等同替换，这些由本发明技术方案所引出的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种风力发电机组等效气动模型实现方法，其特征在于，所述等效气动模型实现方法至少包括如下步骤：

步骤S1：获取风力发电机组关键输入参数；

步骤S2：建立风力发电机组机械模型，并计算风轮输出的气动转矩T_aer(e)；

步骤S3：完成单个运行点的目标风速υ_e的计算；

所述步骤S3中，单个运行点的目标风速计算过程包括：

步骤S3-1：构建目标风速求解函数g(λ)；

所述目标风速求解函数g(λ)是指建立当桨距角β＝β_m时，以叶尖速比λ为自变量的函数，g(λ)按下式定义，即

g(λ)＝|Ct(λ,β_m)-kλ²|

式中，k为无量纲系数，应按下式计算，即

式中，ω_r为风轮转速，R为风轮半径，ρ为空气密度；

步骤S3-2：计算使得求解函数g(λ)取得最小值的叶尖速比λ_f；

所述步骤S3-2中，

基于计算转矩系数查找表Ct对于叶尖速比λ的划分，从所划分的叶尖速比下限λ_min开始，依次递增划分间隔Δλ计算各划分点对应的g(λ)函数值，直至达到所划分的叶尖速比上限λ_max结束，并选取使g(λ)取得最小值的叶尖速比λ_f作为λ_e，即

λ_e＝λ_f

式中，λ_f满足：当λ＝λ_f(λ_min≤λ≤λ_max)时，使得g(λ)取得最小值；

步骤S3-3：计算单个运行点的目标风速υ_e；

所述步骤S3-3中，计算单个运行点的目标风速υ_e，

使用叶尖速比λ_e，风轮转速ω_r和风轮半径R，计算相应运行点的目标风速υ_e，即：

υ_e＝Rω_r/λ_e；

步骤S4：重复步骤S1至S3，完成各运行点的目标风速υ_e的计算，从而获取目标风速序列υ_e(t)；

步骤S5：基于风力发电机组风轮转矩系数表Ct和目标风速序列υ_e(t)获得风力发电机组等效气动模型。

2.如权利要求1所述的一种风力发电机组等效气动模型实现方法，其特征在于，所述叶尖速比λ的划分范围为[0,20]，即λ_min＝0，λ_max＝20，划分间隔Δλ＝0.1-0.01。

3.如权利要求1所述的一种风力发电机组等效气动模型实现方法，其特征在于，所述步骤S1中，

所述关键输入参数是指风力发机组设计和/或实测参数；

设计参数至少包括：风力发电机组风轮转动惯量J_r、转矩系数表Ct、发电机转动惯量J_g和齿轮箱变速比N_gb；

实测参数至少包括：风力发电机组风轮转速ω_r、桨距角β_m，发电机转速ω_g，发电机电磁转矩T_g，空气密度ρ；

且，当设计参数有对应实测参数值时，采用实测参数值。

4.如权利要求3所述的一种风力发电机组等效气动模型实现方法，其特征在于，所述步骤S2中，风力发电机组机械模型是指基于实际风力发电机组相关参数建立的运动方程。

5.如权利要求4所述的一种风力发电机组等效气动模型实现方法，其特征在于，所述机械模型采用两质量块模型，采用如下式定义：

式中，T_ls为低速轴转矩，T_lf为低速轴损耗转矩，T_hs为高速轴转矩，T_hf为高速轴损耗转矩，T_g为发电机电磁转矩。

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