CN113931793A - 一种串列式双风轮风电机组仿真的变桨环节等值方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种串列式双风轮风电机组仿真的变桨环节等值方法及系统，该方法包括以下步骤：获取前、后风轮工况和运行指令，及实时桨距角目标指令值；获取测量得到的前、后风轮桨距角实时值；通过数学模型或实际运行曲线对应关系，计算桨距角实时值对应输出机械转矩；基于所述输出机械转矩、实时桨距角目标指令值和桨距角实时值，根据变延时环节模拟电动或液压执行机构的动作延时模型，计算前、后风轮原动机输入转矩；输出前、后风轮原动机输入转矩。该方法计算得到的原动机输入转矩可以模拟串列式双风轮风电机组运行过程中变桨系统对原动机输出转矩的影响，减少误差。
Description
技术领域
本发明涉及风力机叶片设计领域，特别涉及一种串列式双风轮风电机组仿真的变桨环节等值方法及系统。
背景技术
变桨距控制是指风电机组随着风速的变化调节桨叶节距角，稳定发电机的输出功率。风力发电机组在起动前，桨叶处于顺桨状态，桨距角为90°。在风速大于切入风速时，桨叶向0°，方向转过一定角度，使桨叶产生攻角，叶轮开始进入工作状态。
当风速超过额定风速，而没有达到切出风速，在转速控制的基础上增加功率控制，调节桨距角，控制风力机对风能的吸收，使输出功率不超过额定值。此时风电机组处于恒转速、恒功率运行状态，风能的利用率会随着桨距角的增大而逐渐减小，风机的输出功率也相应减小，因此通过调节桨距角就能降低输出功率，使之维持在额定功率附近。
现有技术方案：
对于单风轮风电机组变桨系统的模拟仿真，通常采用的方法是建立基于风电机组原动机数学模型的控制模型，其中原动机数学模型中包含桨距角参量，控制模型生成的当前桨距角值输入到原动机数学模型中。
对于串列式双风轮风电机组，变桨系统的控制方式还没有相应的成熟方案，串列式双风轮风电机组仿真的变桨环节等值方法也属于空白领域。
现有技术方案的缺点：
1、现有技术方案只适用于单风轮风电机组，不适用于串列式双风轮风电机组。
2、现有技术方案依赖于风电机组原动机数学模型，数学模型与实际运行曲线的误差一般较大，其精确性较差。
发明内容
本发明针对串列式双风轮风电机组的统一变桨系统的仿真等值，提供了，用于模拟串列式双风轮风电机组运行过程中变桨系统对原动机输出转矩的影响，是风电机组精确仿真的重要技术环节。
为了实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案。
一种串列式双风轮风电机组仿真的变桨环节等值方法，包括以下步骤：
获取前、后风轮工况和运行指令，生成实时桨距角目标指令值；获取测量得到的前、后风轮桨距角实时值；
通过数学模型或实际运行曲线对应关系，计算桨距角实时值对应输出机械转矩；
基于所述输出机械转矩、实时桨距角目标指令值和桨距角实时值，根据变延时环节模拟电动或液压执行机构的动作延时模型，计算前、后风轮原动机输入转矩；
输出前、后风轮原动机输入转矩。
作为本发明的进一步改进，所述计算桨距角实时值对应输出机械转矩具体方法为：
Tm10＝T1(v,w1,β10)；
其中，v代表风机入流风速，w1代表前风轮当前转速，映射T1代表前风轮机械转矩函数关系。
作为本发明的进一步改进，所述变延时环节模拟电动或液压执行机构的动作延时模型为：
Tm1＝Tm10+[T1(v,w1,β1)-Tm10]·(1-e-Ts1·t)
其中，β1＝β10+vblade1·t，β1在β10与β1ref之间，t为从初始时刻t＝0开始的计时时间；Ts1代表前风轮变桨执行机构的作用时间常数；vblade1为前风轮变桨时桨距角调节的速度。
作为本发明的进一步改进，根据变延时环节模拟电动或液压执行机构的动作延时模型，计算前、后风轮原动机输入转矩，具体包括：
初始时刻，即t＝0时刻，前、后风轮桨距角分别为β10和β20，当前时刻桨距角实时值β1和β2，当前时刻桨距角目标值β1ref和β2ref；
当前风轮工作状况发生变化，使得前风轮桨距角目标值β1ref偏离初始值β10时，通过数学模型或实际运行曲线对应关系，计算计算β10对应输出机械转矩；
计算将Tm1加入时变延时环节模拟电动或液压执行机构的动作延时的原动机输入转矩。
一种串列式双风轮风电机组仿真的变桨环节等值系统，包括：
获取模块，用于获取前、后风轮工况和运行指令，生成实时桨距角目标指令值；获取测量得到的前、后风轮桨距角实时值；
第一计算模块，用于通过数学模型或实际运行曲线对应关系，计算桨距角实时值对应输出机械转矩；
第二计算模块，用于基于所述输出机械转矩、实时桨距角目标指令值和桨距角实时值，根据变延时环节模拟电动或液压执行机构的动作延时模型，计算前、后风轮原动机输入转矩；
输出模块，用于输出前、后风轮原动机输入转矩。
所述第一计算模块中，计算桨距角实时值对应输出机械转矩具体方法为：
Tm10＝T1(v,w1,β10)；
其中，v代表风机入流风速，w1代表前风轮当前转速，映射T1代表前风轮机械转矩函数关系。
所述第二计算模块中，变延时环节模拟电动或液压执行机构的动作延时模型为：
Tm1＝Tm10+[T1(v,w1,β1)-Tm10]·(1-e-Ts1·t)
其中，β1＝β10+vblade1·t，β1在β10与β1ref之间，t为从初始时刻t＝0开始的计时时间；Ts1代表前风轮变桨执行机构的作用时间常数；vblade1为前风轮变桨时桨距角调节的速度。
所述第二计算模块中，根据变延时环节模拟电动或液压执行机构的动作延时模型，计算前、后风轮原动机输入转矩，具体包括：
初始时刻，即t＝0时刻，前、后风轮桨距角分别为β10和β20，当前时刻桨距角实时值β1和β2，当前时刻桨距角目标值β1ref和β2ref；
当前风轮工作状况发生变化，使得前风轮桨距角目标值β1ref偏离初始值β10时，通过数学模型或实际运行曲线对应关系，计算计算β10对应输出机械转矩；
计算将Tm1加入时变延时环节模拟电动或液压执行机构的动作延时的原动机输入转矩。
一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述串列式双风轮风电机组仿真的变桨环节等值方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述串列式双风轮风电机组仿真的变桨环节等值方法的步骤。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过获取前、后风轮工况和运行指令，生成实时桨距角目标指令值；获取测量得到的前、后风轮桨距角实时值；可以计算桨距角实时值对应输出机械转矩；进而根据变延时环节模拟电动或液压执行机构的动作延时模型，计算前、后风轮原动机输入转矩；该方法计算得到的原动机输入转矩可以模拟串列式双风轮风电机组运行过程中变桨系统对原动机输出转矩的影响，减少误差。
附图说明
在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。在附图中：
图1为本发明优选实施例串列式双风轮风电机组仿真的变桨环节等值方法流程示意图；
图2为串列式双风轮风电机组仿真的变桨环节等值方法流程示意图；
图3串列式双风轮风电机组仿真的变桨环节等值系统输入输出连接示意图；
图4为串列式双风轮风电机组仿真的变桨环节等值系统输入输出连接示意图；
图5为本发明优选实施例电子设备结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施例。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
串列式双风轮风电机组：在传统风力发电机的基础上，在风电机组的背面对侧增加一旋转风轮，用于吸收风力通过前风轮后，剩余的风能。
永磁同步电机：永磁同步电动机以永磁体提供励磁，使电动机结构较为简单，降低了加工和装配费用，且省去了容易出问题的集电环和电刷，提高了电动机运行的可靠性；又因无需励磁电流，没有励磁损耗，提高了电动机的效率和功率密度。
机侧变流器：直驱型风电机组与电网进行电气连接时，所采用的靠近电机侧的电力电子变流器。
如图1所示，本发明一种串列式双风轮风电机组仿真的变桨环节等值方法，包括以下步骤：
获取前、后风轮工况和运行指令，生成实时桨距角目标指令值；获取测量得到的前、后风轮桨距角实时值；
通过数学模型或实际运行曲线对应关系，计算桨距角实时值对应输出机械转矩；
基于所述输出机械转矩、实时桨距角目标指令值和桨距角实时值，根据变延时环节模拟电动或液压执行机构的动作延时模型，计算前、后风轮原动机输入转矩；
输出前、后风轮原动机输入转矩。
所述计算桨距角实时值对应输出机械转矩具体方法为：
Tm10＝T1(v,w1,β10)；
其中，v代表风机入流风速，w1代表前风轮当前转速，映射T1代表前风轮机械转矩函数关系。
所述变延时环节模拟电动或液压执行机构的动作延时模型为：
Tm1＝Tm10+[T1(v,w1,β1)-Tm10]·(1-e-Ts1·t)
其中，β1＝β10+vblade1·t，β1在β10与β1ref之间，t为从初始时刻t＝0开始的计时时间；Ts1代表前风轮变桨执行机构的作用时间常数。vblade1含义：前风轮变桨时桨距角调节的速度，单位为°/s
根据变延时环节模拟电动或液压执行机构的动作延时模型，计算前、后风轮原动机输入转矩，具体包括：
初始时刻，即t＝0时刻，前、后风轮桨距角分别为β10和β20，当前时刻桨距角实时值β1和β2，当前时刻桨距角目标值β1ref和β2ref；
当前风轮工作状况发生变化，使得前风轮桨距角目标值β1ref偏离初始值β10时，通过数学模型或实际运行曲线对应关系，计算计算β10对应输出机械转矩；
计算将Tm1加入时变延时环节模拟电动或液压执行机构的动作延时的原动机输入转矩。
本发明该方法计算得到的原动机输入转矩可以模拟串列式双风轮风电机组运行过程中变桨系统对原动机输出转矩的影响，减少误差。
如图2所示。串列式双风轮风电机组仿真的变桨环节等值方法流程包含以下环节：
1、初始时刻，即t＝0时刻，前、后风轮桨距角分别为β10和β20，即为当前时刻桨距角实时值β1和β2，也为当前时刻桨距角目标值β1ref和β2ref；
2、以前风轮为例，后风轮同理；
3、当前风轮工作状况发生变化，使得前风轮桨距角目标值β1ref偏离初始值β10时，通过数学模型或实际运行曲线对应关系，计算β10对应输出机械转矩Tm10＝T1(v,w1,β10)；
4、其中，v代表风机入流风速，w1代表前风轮当前转速，映射T1代表前风轮机械转矩函数关系，由数学模型或实际运行曲线产生而来；
5、将Tm1加入时变延时环节模拟电动或液压执行机构的动作延时，具体如下
Tm1＝Tm10+[T1(v,w1,β1)-Tm10]·(1-e-Ts1·t)
其中，β1＝β10+vblade1·t(β1在β10与β1ref之间)，t为从初始时刻t＝0开始的计时时间。Ts1代表前风轮变桨执行机构的作用时间常数，由叶片厂家提供。
6、将Tm1输入串列式双风轮风电机组仿真系统，作为前风轮原动机输入转矩；
7、后风轮同理，见图2右半部分；
如图3所示，本发明的另一目的在于提出一种串列式双风轮风电机组仿真的变桨环节等值系统，包括：
获取模块，用于获取前、后风轮工况和运行指令，生成实时桨距角目标指令值；获取测量得到的前、后风轮桨距角实时值；
第一计算模块，用于通过数学模型或实际运行曲线对应关系，计算桨距角实时值对应输出机械转矩；
第二计算模块，用于基于所述输出机械转矩、实时桨距角目标指令值和桨距角实时值，根据变延时环节模拟电动或液压执行机构的动作延时模型，计算前、后风轮原动机输入转矩；
输出模块，用于输出前、后风轮原动机输入转矩。
如图4所示。串列式双风轮风电机组仿真的变桨环节等值系统的主体环节是前风轮变桨环节模拟和后风轮变桨环节模拟，风轮变桨环节模拟即为实现图1所示等值方法的系统模块。
依然以前风轮为例，后风轮同理。前置前风轮变桨控制环节根据风轮工况和运行指令，生成实时前风轮桨距角目标指令值β1ref，作为前风轮变桨环节模拟的输入量。测量环节测量得到的前风轮桨距角初始值β10也作为前风轮变桨环节模拟的输入量。同时，前风轮原动机的数学模型函数，或者实际运行的映射曲线，都可以抽象为T1(v,w1,β1)，作为前风轮变桨环节模拟的策略输入。生成的Tm1作为前风轮变桨环节模拟的转矩输出，即原动机转矩输出。
后风轮同理。前风轮和后风轮的转矩输出，作为后续传动系统和发电机模拟的输入量，参与到整个风机仿真系统中。
如图5所示，本发明第三个目的是提供一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述串列式双风轮风电机组仿真的变桨环节等值方法的步骤。
所述串列式双风轮风电机组仿真的变桨环节等值方法包括以下步骤：
获取前、后风轮工况和运行指令，生成实时桨距角目标指令值；获取测量得到的前、后风轮桨距角实时值；
通过数学模型或实际运行曲线对应关系，计算桨距角实时值对应输出机械转矩；
基于所述输出机械转矩、实时桨距角目标指令值和桨距角实时值，根据变延时环节模拟电动或液压执行机构的动作延时模型，计算前、后风轮原动机输入转矩；
输出前、后风轮原动机输入转矩。
本发明第四个目的是提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述串列式双风轮风电机组仿真的变桨环节等值方法的步骤。
所述串列式双风轮风电机组仿真的变桨环节等值方法包括以下步骤：
获取前、后风轮工况和运行指令，生成实时桨距角目标指令值；获取测量得到的前、后风轮桨距角实时值；
通过数学模型或实际运行曲线对应关系，计算桨距角实时值对应输出机械转矩；
基于所述输出机械转矩、实时桨距角目标指令值和桨距角实时值，根据变延时环节模拟电动或液压执行机构的动作延时模型，计算前、后风轮原动机输入转矩；
输出前、后风轮原动机输入转矩。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
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，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：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，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种串列式双风轮风电机组仿真的变桨环节等值方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取前、后风轮工况和运行指令，生成实时桨距角目标指令值；获取测量得到的前、后风轮桨距角实时值；
通过数学模型或实际运行曲线对应关系，计算桨距角实时值对应输出机械转矩；
基于所述输出机械转矩、实时桨距角目标指令值和桨距角实时值，根据变延时环节模拟电动或液压执行机构的动作延时模型，计算前、后风轮原动机输入转矩；
输出前、后风轮原动机输入转矩。
2.根据权利要求1所述的一种串列式双风轮风电机组仿真的变桨环节等值方法，其特征在于，所述计算桨距角实时值对应输出机械转矩具体方法为：
Tm10＝T1(v,w1,β10)；
其中，v代表风机入流风速，w1代表前风轮当前转速，映射T1代表前风轮机械转矩函数关系。
3.根据权利要求1所述的一种串列式双风轮风电机组仿真的变桨环节等值方法，其特征在于，所述变延时环节模拟电动或液压执行机构的动作延时模型为：
Tm1＝Tm10+[T1(v,w1,β1)-Tm10]·(1-e-Ts1·t)
其中，β1＝β10+vblade1·t，β1在β10与β1ref之间，t为从初始时刻t＝0开始的计时时间；Ts1代表前风轮变桨执行机构的作用时间常数；vblade1为前风轮变桨时桨距角调节的速度。
4.根据权利要求1所述的一种串列式双风轮风电机组仿真的变桨环节等值方法，其特征在于，根据变延时环节模拟电动或液压执行机构的动作延时模型，计算前、后风轮原动机输入转矩，具体包括：
初始时刻，即t＝0时刻，前、后风轮桨距角分别为β10和β20，当前时刻桨距角实时值β1和β2，当前时刻桨距角目标值β1ref和β2ref；
当前风轮工作状况发生变化，使得前风轮桨距角目标值β1ref偏离初始值β10时，通过数学模型或实际运行曲线对应关系，计算计算β10对应输出机械转矩；
计算将Tm1加入时变延时环节模拟电动或液压执行机构的动作延时的原动机输入转矩。
5.一种串列式双风轮风电机组仿真的变桨环节等值系统，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取前、后风轮工况和运行指令，生成实时桨距角目标指令值；获取测量得到的前、后风轮桨距角实时值；
第一计算模块，用于通过数学模型或实际运行曲线对应关系，计算桨距角实时值对应输出机械转矩；
第二计算模块，用于基于所述输出机械转矩、实时桨距角目标指令值和桨距角实时值，根据变延时环节模拟电动或液压执行机构的动作延时模型，计算前、后风轮原动机输入转矩；
输出模块，用于输出前、后风轮原动机输入转矩。
6.根据权利要求5所述的一种串列式双风轮风电机组仿真的变桨环节等值系统，其特征在于，所述第一计算模块中，计算桨距角实时值对应输出机械转矩具体方法为：
Tm10＝T1(v,w1,β10)；
其中，v代表风机入流风速，w1代表前风轮当前转速，映射T1代表前风轮机械转矩函数关系。
7.根据权利要求1所述的一种串列式双风轮风电机组仿真的变桨环节等值系统，其特征在于，所述第二计算模块中，变延时环节模拟电动或液压执行机构的动作延时模型为：
Tm1＝Tm10+[T1(v,w1,β1)-Tm10]·(1-e-Ts1·t)
其中，β1＝β10+vblade1·t，β1在β10与β1ref之间，t为从初始时刻t＝0开始的计时时间；Ts1代表前风轮变桨执行机构的作用时间常数；vblade1为前风轮变桨时桨距角调节的速度。
8.根据权利要求1所述的一种串列式双风轮风电机组仿真的变桨环节等值系统，其特征在于，所述第二计算模块中，根据变延时环节模拟电动或液压执行机构的动作延时模型，计算前、后风轮原动机输入转矩，具体包括：
初始时刻，即t＝0时刻，前、后风轮桨距角分别为β10和β20，当前时刻桨距角实时值β1和β2，当前时刻桨距角目标值β1ref和β2ref；
当前风轮工作状况发生变化，使得前风轮桨距角目标值β1ref偏离初始值β10时，通过数学模型或实际运行曲线对应关系，计算计算β10对应输出机械转矩；
计算将Tm1加入时变延时环节模拟电动或液压执行机构的动作延时的原动机输入转矩。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-4任一项所述串列式双风轮风电机组仿真的变桨环节等值方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-4任一项所述串列式双风轮风电机组仿真的变桨环节等值方法的步骤。
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