CN115202238A - 海上风电机组机械-电气联合硬件在环高精度仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种海上风电机组机械‑电气联合硬件在环高精度仿真方法，具体包括：建立基于人工智能算法的海上风机台风期间风、雨、浪一体化数字仿真模型；建立包含变桨系统和偏航系统实物模拟装置、主控系统、变流器控制器、变桨控制器及偏航控制器实物装置、现有GH Bladed仿真模块和RT‑LAB半实物仿真平台的海上风机硬件在环高精度仿真系统；基于现有的环境模拟箱技术，建立海上风电机组运行环境模拟箱，对海上风电机组关键物理装置的实际运行环境进行模拟。所述方法可以实现海上风电机组的硬件在环的高精度仿真，并可以对台风期间风、雨、浪共同作用条件下的海上风电机组运行状况进行仿真分析。

Description

海上风电机组机械-电气联合硬件在环高精度仿真方法

技术领域

本发明涉及风力发电系统仿真领域，具体涉及一种海上风电机组机械-电气联合硬件在环高精度仿真方法。

背景技术

我国的东南沿海地区是我国风能资源丰富区之一，但是这一地区又是我国受热带气旋影响最为严重的地区。以广东为例，海上风力发电机经常会面对台风，台风期间海上风机所处环境非常恶劣，包含大风，巨浪，强降雨，此时海上风机不仅受到风带来的载荷，海浪和高速密集雨滴带来的载荷也不能忽视。同时，海上风机所处环境的湿度、温度、振动、噪音、风速、盐雾同样会对设备的运行特性进行干扰。

在风电机组研发、生产、运行中一个必不可少的环节是实验验证环节。风电机组实验验证方法可以分为纯模型仿真、硬件在环仿真，和实物现场试验。现有的风电机组硬件在环实时仿真系统忽略巨海浪和高速密集雨滴给海上风机带来的载荷，也忽略恶劣环境对海上风机各个设备运行特性的影响。这使得仿真系统的仿真结果精度下降。

申请号为201510717657.4的发明专利提供一种基于硬件在环仿真的风电机组建模方法，于GH Bladed软件完成风电机组气动机械模型，基于MATLAB/Simulink软件建立风电机组发电机变流器模型和外部电网模型的建模，该方法只采用风电机组主控制器这一硬件装置，风力发电系统其余模块都集成在仿真软件中，其仿真的精确性还有进一步提高的空间。

申请号为 201510228282.5的中国发明专利提供了大型风电机组实时运行控制联合仿真平台及其构建方法，申请号为201610035457.5的中国发明专利提供了一种风电机组控制系统硬件在环模拟及测试平台，上述专利都采用GH Bladed和RTDS构建了实时的联合仿真平台，对GH Bladed和RTDS进行了优势互补，风力发电机组的主控PLC和变流器控制器采用物理控制器实现，但是变桨控制系统和偏航控制系统仍采用软件模拟，并没有涉及海上风电机组运行环境台风多发的情况，忽略了恶劣环境对风机设备运行特性的影响。

发明内容

为了弥补上述现有方法的不足，丰富研究人员的仿真方法。本发明提供一种海上风电机组机械-电气联合硬件在环高精度仿真方法,所述方法可以实现海上风电机组的硬件在环高精度仿真。

本发明优势在于：1）可对台风期间风、雨、浪共同作用条件下的海上风电机组运行状况进行高精度仿真分析；2）包含了变桨系统和偏航系统实物等更多的实物装置，仿真结果更真实；3）考虑了海上风机恶劣运行环境对风机系统的影响，仿真结果更贴切实际。

本发明提供一种海上风电机组机械-电气联合硬件在环高精度仿真方法， 所述方法包括以下步骤：

步骤1：建立基于人工智能算法的海上风电机组台风期间风、雨、浪一体化数字仿真模型。

步骤2：建立包含变桨系统和偏航系统实物的海上风电机组硬件在环高精度仿真系统。

步骤3：基于现有的环境模拟箱技术，建立海上风电机组运行环境模拟箱。

步骤4：将上述海上风电机组硬件在环高精度仿真系统中的实物置于海上风电机组运行环境模拟箱中运行。

所述步骤1中，通过实测海上风电场在台风期间的时间、坐标、离岸距离、温度、风速、风向、浪高、浪频和降雨量等的历史数据，对数据进行归一化处理并划分训练集、验证集和测试集；利用现有的人工智能随机森林算法对训练集数据进行学习，得到海上风机在台风期间的风、雨、浪一体化数字仿真模型。

所述海上风电机的风、雨、浪一体化数字仿真模型可以同时模拟海上风机在台风期间各个部位的风、雨、浪的湍流强度、极大速度、平均速度、实时速度和实时方向特性，输出海上风机关键部位点所承受的风速与风向，雨滴冲击速度与方向，海浪冲击速度与方向。

所述步骤2中，海上风电机组硬件在环高精度仿真系统具体包括变桨系统和偏航系统实物模拟装置、GH Bladed仿真模块，半实物仿真平台和海上风电机组实物装置。

GH Bladed仿真模块采用现有的Bladed仿真软件建立的海上风电机组的高精度气动模型和部分机械模型。所述Bladed仿真软件即是GH Bladed仿真软件。

半实物仿真平台采用RT-LAB半实物仿真平台建立海上风电机组的电气部分模型和电网模型，其中，电气部分模型为真实海上风电机组主电路的模拟，电网模型则参照真实电力系统进行搭建，并采用实测数据对其参数进行设置。

海上风电机组实物装置为真实的海上风电风电机组主控系统、变流器控制器、变桨控制器及偏航控制器。

所述偏航系统和变桨系统实物模拟装置，真实模拟实际的海上风电机组偏航系统和变桨系统的物理机械机构，采用等比例缩小的方法，并且能够与GH Bladed仿真模块、偏航控制器和变桨控制器进行实时通信。

所述变桨控制器接收主控系统的桨距角控制指令，偏航控制器则接收主控系统的偏航控制指令，变桨控制器和偏航控制器分别对变桨系统和偏航系统实物模拟装置进行控制。

进一步的，当主控系统向偏航系统和变桨系统发出偏航和变桨控制指令时，偏航系统和变桨系统实物模拟装置可以接收来自偏航控制器和变桨控制器的偏航控制信号和桨距角控制信号执行偏航和变桨控制，而实物模拟装置采用传感器采集实时偏航角度和桨距角，向偏航控制器和变桨控制器反馈实时偏航角度和桨距角信号，直至完成主控系统的控制指令要求。

同时，偏航系统和变桨系统实物模拟装置向GH Bladed仿真模块输送实时偏航角度和桨距角，实现GH Bladed仿真模块中海上风电机组的气动机械模型偏航角度和桨距角的同步变化。

所述GH Bladed仿真模块建立海上风电机组的气动模型和部分机械模型参数可以根据风、雨、浪一体化数字仿真模型的输出进行设置。

所述步骤3中，基于现有的环境模拟箱技术，利用历史上记录的台风下风电机组所处环境的湿度、温度、风速、振动和盐雾的数据，构建建立海上风电机组运行环境模拟箱，所述海上风电机环运行境模拟箱营造出给定的湿度、温度、风速、振动、噪音和盐雾环境；用于模拟海上风机所处真实的环境。

所述步骤4中，将上述海上风电机组硬件在环高精度仿真系统的实物置于海上风电机组运行环境模拟箱中运行，可以更加真实的反应风机系统在实际环境下的运行情况。

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） 建立基于人工智能的海上风机台风期间风、雨、浪一体化数字仿真模型，可用于模拟海上风电机组实际风、雨、浪的运行环境，实现更高精度的仿真，并可以得到更高精度更符合实际情况的海上风机载荷计算结果。

2） 建立包含变桨系统和偏航系统实物模拟的海上风电机组硬件在环高精度仿真系统，对变桨系统和偏航系统的仿真更加真实更加高精度。

3） 根据实际海上环境数据构建海上风电机组运行环境模拟箱，将海上风电机组硬件在环高精度仿真系统中的实物置于海上风电机组运行环境模拟箱中运行，更加真实的反应风机系统在实际环境下的运行情况，获得更高精度的仿真结果。

附图说明

图1是本发明提供的海上风电机组机械-电气联合硬件在环高精度仿真方法整体架构。

图2是本发明提供的海上风电机组机械-电气联合硬件在环高精度仿真方法的步骤框图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

图1表示本发明提供的海上风电机组机械-电气联合硬件在环高精度仿真方法整体架构，本发明提供一种海上风电机组机械-电气联合硬件在环高精度仿真方法则如图2所示，所述方法包括以下步骤：

步骤1：建立基于人工智能算法的海上风电机组台风期间风，雨，浪一体化数字仿真模型；

步骤2：建立包含变桨系统和偏航系统实物的海上风电机组硬件在环高精度仿真系统；

步骤3：基于现有的环境模拟箱技术，建立海上风电机组运行环境模拟箱；

步骤4：将上述海上风电机组硬件在环高精度仿真系统中的实物置于海上风电机组运行环境模拟箱中运行。

所述步骤1中，建立基于人工智能的海上风电机组台风期间风、雨、浪一体化数字仿真模型。首先，确定该风、雨、浪一体化数字仿真模型的输入为时间、风机部位、离岸距离、温度和气压；其次，该风、雨、浪一体化数字仿真模型输出为海上风机各个部位点所承受的风速与风向，雨滴冲击速度与方向，以及海浪冲击速度与方向。

进一步的，收集海上风电机组以上输入输出的历史数据，对数据进行归一化处理，划分训练集、测试集以及验证集。基于现有人工智能随机森林算法搭建风、雨、浪一体化数字仿真模型，对训练集数据进行学习；风、雨、浪一体化数字仿真模型学习完成后，输入时间、风机部位、离岸距离、温度、气压；风、雨、浪一体化数字仿真模型输出海上风机各个部位点所承受的风速与风向，雨滴冲击速度与方向，海浪冲击速度与方向。

所述步骤2中，海上风电机组机械部分和电气部分联合硬件在环高精度仿真包括变桨系统和偏航系统实物模拟装置、仿真模块，半实物仿真平台，实体装置。其中，所述变桨系统和偏航系统实物模拟装置为仿照典型海上风电机组变桨系统和偏航系统结构进行等比例缩小模拟；GH Bladed仿真模块为采用现有的Bladed仿真软件建立高精度海上风电机组的气动模型和部分机械模型；半实物仿真平台包括采用现有的RT-LAB半实物仿真平台建立海上风电机组的电气部分模型和电网模型；实物包括真实海上风电机组主控系统、变流器控制器、变桨控制器和偏航控制器。

RT-LAB半实物仿真平台中电气部分模型为真实海上风电机组主电路的模拟，包括发电机、变流器及相应保护电路模拟、并网滤波器、变压器；电网模型则参照真实电力系统进行搭建，并采用实测数据对其参数进行设置。

偏航系统和变桨系统实物模拟装置与GH Bladed仿真模块的信息交互为：偏航控制器和变桨控制器分别接收来自主控系统的偏航控制信号和桨距角控制信号，然后控制等比例缩小的偏航电机和变桨电机实物模拟装置去实现给定的偏航角度和变桨角度，采用传感器采集偏航系统和变桨系统实物模拟装置的实时偏航角度和桨距角输送到GH Bladed仿真模块中的海上风电机组的气动机械模型中进行仿真。

主控系统可以接收风电场的控制指令向变流器控制器发送功率控制指令，变流器控制器则根据接收到的功率指令，生成PWM脉冲控制信号，输入到RT-LAB半实物仿真平台中，控制风电机组变流器开关的通断；变流器控制器接收RT-LAB半实物仿真平台中发电机电压及电流、转子转速、直流母线电容电压、并网点电压及电流信号，完成功率控制。

GH Bladed仿真模块与RT-LAB半实物仿真平台的信息交互为：GH Bladed仿真模块向RT-LAB半实物仿真平台传输实时风力机机械功率、发电机转子转速；RT-LAB半实物仿真平台则向GH Bladed仿真模块实时交互发电机转子转矩信息。

GH Bladed仿真模块向主控系统传输至少包括实时风速、风向、发电机转子转速、桨距角在内的物理量数据。

GH Bladed仿真模块建立海上风电机组的气动模型和部分机械模型可以根据风、雨、浪一体化数字仿真模型的输出，计算海上风机在风、雨、浪共同作用下的载荷。风对风机带来的机械载荷计算是指风力发电机在各个方向收到风施加的气动力/力矩的计算，所涉及的是空气动力学问题。

所述步骤3中，基于现有的环境模拟箱技术，利用历史上记录的台风下风电机组所处环境的湿度、温度、风速、振动和盐雾的数据，构建海上风电机组运行环境模拟箱。

环境模拟箱的温度控制系统采用双层箱体夹套式构造，分内外两层，外层为空调箱，内层为工作室，内层工作室的目标温度通过调节外层空调间温度获得，外层箱体一方面对内层工作室起到调节温度的作用，另一方面也可以保证工作室温度均匀稳定。

环境模拟箱的湿度控制通过干湿气流比例控制阀达到，干湿气体通过不同气路进入环境模拟箱工作室，通过比例控制阀调节干湿气体比例，获得不同湿度的混合气体进入箱体。机械振动台主要由工作台面、振动悬挂机构、振动器弹簧组等部件组成，工作时，通过调速电动机拖动一组偏心轮做旋转运动，推动工作平台振动。

所述步骤4，将上述海上风电机组硬件在环高精度仿真系统的实物置于海上风电机组运行环境模拟箱中运行，实物相当于运行于实际的海上风机环境，可以更加真实的反应风机系统在实际环境下的运行情况。

以上所述实施例仅表用于说明本发明的技术方案，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种海上风电机组机械-电气联合硬件在环高精度仿真方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1：建立基于人工智能的海上风电机组台风期间风、雨、浪一体化数字仿真模型；

步骤2：建立包含变桨系统和偏航系统实物模拟装置的海上风电机组硬件在环高精度仿真系统；

步骤3：基于现有的环境模拟箱技术，建立海上风电机组运行环境模拟箱；

步骤4：将上述海上风电机组硬件在环高精度仿真系统中的实物置于海上风电机组运行环境模拟箱中运行。

2.根据权利要求1所述的海上风电机组机械-电气联合硬件在环高精度仿真方法，其特征在于，所述步骤1中，通过实测海上风电场在台风期间的时间、风机部位、离岸距离、温度、气压、风速、风向、浪高、浪频和降雨量的历史数据，利用现有的人工智能随机森林算法进行训练，建立海上风电机组在台风期间的风、雨、浪一体化数字仿真模型。

3.根据权利要求2所述的海上风电机组机械-电气联合硬件在环高精度仿真方法，其特征在于，所述风、雨、浪一体化数字仿真模型能够同时模拟海上风机在台风期间各个部位的风、雨、浪的湍流强度、极大速度、平均速度、实时速度和实时方向特性。

4.根据权利要求1所述的海上风电机组机械-电气联合硬件在环高精度仿真方法，其特征在于，所述步骤2中，海上风电机组硬件在环高精度仿真系统包括：变桨系统和偏航系统实物模拟装置，现有的建有风电机组气动模型和部分机械模型的GH Bladed仿真模块，建有海上风电机组电气模型和电网模型的RT-LAB半实物仿真平台，海上风电机组主控系统、变桨控制器、偏航控制器以及变流器控制器实物装置和海上风电机组环境模拟箱。

5.根据权利要求4所述的海上风电机组机械-电气联合硬件在环高精度仿真方法，其特征在于，所述变桨系统和偏航系统实物模拟装置真实模拟实际的海上风电机组偏航系统和变桨系统的物理机械机构，采用等比例缩小的方法，能够接收偏航控制器和变桨控制器的偏航控制信号和桨距角控制信号执行变桨和偏航控制，并可以与GH Bladed仿真模块、偏航控制器和变桨控制器交互实时偏航角度和桨距角信号。

6.根据权利要求1所述的海上风电机组机械-电气联合硬件在环高精度仿真方法，其特征在于，所述步骤3中，基于现有的环境模拟箱技术，利用历史上记录的台风下风电机组所处环境的湿度、温度、风速、振动、噪音和盐雾数据，构建建立海上风电机组运行环境模拟箱，所述海上风电机组运行环境模拟箱营造出给定的湿度、温度、风速、振动、噪音和盐雾环境。

7.根据权利要求1所述的海上风电机组机械-电气联合硬件在环高精度仿真方法，其特征在于，所述步骤4中，进行仿真分析时，将上述海上风电机组硬件在环高精度仿真系统的实物模拟和实物装置于海上风电机组运行环境模拟箱中运行。

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