CN208718846U - 一种风力机模拟系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种风力机模拟系统，涉及风力机模拟技术领域，该风力机模拟系统包括上位机模块、风轮及传动链模拟执行模块、模拟发电机执行模块以及能量回馈模块，上位机模块连接至风轮及传动链模拟执行模块，以构成传递第二类参数的第一线路；风轮及传动链模拟执行模块通过联轴器连接至模拟发电机执行模块，以构成控制电动机以输出特性驱动模拟发电机执行模块的传动结构；能量回馈模块连接至模拟发电机执行模块，以构成传递电能的第二线路，以实现风力机工作状态的模拟，系统平台可实现不同模拟策略对风力机静动态特性的模拟，且具有简单易实现，参数设置灵活以及人机交互性好等优点。

Description

一种风力机模拟系统

技术领域

本实用新型实施例涉及一种仿真模拟技术领域，尤其涉及一种风力机模拟系统。

背景技术

风力发电系统由于其装机环境的特殊性，以及风力机的大容量化等，到实地风场进行实验或者在实验室进行实际风机实验，都是不经济也不易实现的。风力机模拟实验平台可为风力发电中风力机及其并网技术的研究提供实验环境。

风力机模拟实验平台的研制中，硬件和软件功能都依据模拟策略进行选择和开发，模拟策略中按电动机输出控制不同有电动机转矩输出控制和电动机转速输出控制，根据动态模拟中转动惯量补偿方法不同又有飞轮补偿法和电转动惯量补偿法，而电转动惯量补偿法又分为加速度补偿和转矩反馈补偿等，能实现不同模拟策略的模拟实验平台能在不增加装置和复杂编程下，对比不同模拟策略模拟效果，分析不同模拟策略的合理性。然而，现有的风力机模拟系统无法实现不同控制策略的模拟，且平台实现复杂，监控界面的人机交互性差、参数设置不灵活等。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型实施例提供一种风力机模拟系统，以实现在不增加成本的前提下，对不同控制策略下的风力机工作状态的模拟，具有系统平台易实现，人机交互性佳，参数设置灵活的特点。

本实用新型实施例提供一种风力机模拟系统，包括：上位机模块、风轮及传动链模拟执行模块、模拟发电机执行模块以及能量回馈模块；

所述上位机模块用于生成第一类参数，并将所述第一类参数调整为第二类参数，所述上位机模块连接至所述风轮及传动链模拟执行模块，以构成传递所述第二类参数的第一线路；

所述风轮及传动链模拟执行模块用于接收所述第二类参数，并根据所述第二类参数控制电动机工作，以模拟风轮及传动链输出特性，所述风轮及传动链模拟执行模块通过联轴器连接至所述模拟发电机执行模块，以构成控制所述电动机以所述输出特性驱动所述模拟发电机执行模块的传动结构；

所述能量回馈模块用于接收所述模拟发电机执行模块产生的电能，并将所述电能反馈至电网，所述能量回馈模块连接至所述模拟发电机执行模块，以构成传递所述电能的第二线路。

进一步的，所述上位机模块还用于预设发电机工作参数，所述模拟发电机执行模块连接至所述上位机模块，以构成传输所述发电机工作参数并根据所述发电机工作参数控制发电机进行工作的第三线路。

进一步的，所述上位机模块包括：用于设置风速参数的风速模拟单元和用于根据预设的风力机模拟参数生成第一类参数的风轮及传动链模拟单元。

进一步的，所述上位机模块还包括变速箱模拟单元，用于调节风轮及传动链模拟执行模块对有变速箱以及无变速箱的风力机进行模拟；

所述变速箱模拟单元用于将所述第一类参数调整第二类参数，以使得所述风轮及传动链模拟执行模块根据所述第二类参数控制所述电动机工作，以模拟风轮及传动链输出特性。

进一步的，所述风轮及传动链模拟执行模块包括：用于接收所述第二类参数的第一变频器和根据所述第二类参数进行模拟风轮及传动链输出特性的电动机；

所述第一变频器通过所述第一线路连接至所述上位机模块，所述第一变频器连接至所述电动机，以构成传输所述第二类参数的第四线路。

进一步的，所述模拟发电机执行模块包括：用于接收所述发电机工作参数的第二变频器和根据所述发电机工作参数进行发电的发电机；

所述第二变频器通过第三线路连接至所述上位机模块，所述第二变频器连接至所述发电机，以构成传输所述发电机工作参数控制所述发电机模拟发电工作特性的第五线路。

进一步的，所述上位机模块还包括：用于补偿实际风机与模拟系统的转动惯量差的惯量补偿模拟单元。

进一步的，所述上位机模块还包括：用于接收所述联轴器上的转矩和转速反馈信号，将第二类参数修正为第一类参数，以用于所述上位机模块的计算的反馈修正单元。

上述提供的一种风力机模拟系统，包括：上位机模块、风轮及传动链模拟执行模块、模拟发电机执行模块以及能量回馈模块，上位机模块连接至风轮及传动链模拟执行模块，以构成传递第二类参数的第一线路；风轮及传动链模拟执行模块通过联轴器连接至模拟发电机执行模块，以构成控制电动机以输出特性驱动模拟发电机执行模块的传动结构；能量回馈模块连接至模拟发电机执行模块，以构成传递电能的第二线路，以实现风力机工作状态的模拟，系统平台可实现不同模拟策略对风力机静动态特性的模拟，且具有系统平台简单易实现，参数设置灵活以及人机交互性好的优点。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的一种风力机模拟系统的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的一种风力机模拟系统的另一结构示意图；

图3是本实用新型实施例提供的静态模拟中电动机转矩输出的控制策略流程图；

图4是本实用新型实施例提供的静态模拟中电动机转速输出的控制策略流程图；

图5是本实用新型实施例提供的在变风速恒转速的模拟条件下的电动机转矩输出模拟，风速为7m/s的第一实验结果图；

图6是本实用新型实施例提供的在变风速恒转速的模拟条件下的电动机转矩输出模拟，风速为7m/s的第二实验结果图；

图7是本实用新型实施例提供的在变风速恒转速的模拟条件下的电动机转矩输出模拟，风速为8m/s的第一实验结果图；

图8是本实用新型实施例提供的在变风速恒转速的模拟条件下的电动机转矩输出模拟，风速为8m/s的第二实验结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。

图1是本实用新型实施例提供的一种风力机模拟系统的结构示意图。如图1所示，该风力机模拟系统包括：上位机模块110、风轮及传动链模拟执行模块120、模拟发电机执行模块130以及能量回馈模块140。

上位机模块110用于生成第一类参数，并将所述第一类参数调整为第二类参数，所述上位机模块连接至所述风轮及传动链模拟执行模块，以构成传递所述第二类参数的第一线路；风轮及传动链模拟执行模块120用于接收第二类参数，并根据第二类参数控制电动机工作，以模拟风轮及传动链输出特性；风轮及传动链模拟执行模块120通过联轴器连接至模拟发电机执行模块130，以构成控制电动机以该输出特性驱动模拟发电机执行模块130的传动结构；所述能量回馈模块140用于接收所述模拟发电机执行模块130产生的电能，并将所述电能反馈至电网，所述能量回馈模块连接至所述模拟发电机执行模块，以构成传递所述电能的第二线路。

上位机模块110是指可以直接发出操控命令的计算机，上位机模块110中安装实现风力机模拟系统的LabVIEW开发软件，LabVIEW是一种图形化编程语言，使用图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。基于LabVIEW开发出实现风力机模拟系统，通过该模拟系统可以实现对风力机在不同控制策略下的工作状态的模拟。此外，还可以在上位机模块110上建构用于实现风力机发电状态的数学模型，如风速模拟数学模型和风轮及传动链数学模型，通过在这些数学模型中输入风力机模拟参数，如风轮半径、空气密度、风力机的额定转速、额定功率、额定转矩、转动惯量、摩擦系数等参数，在数学模型中进行运算，生成相对应的第一类参数，是指根据输入的风速、桨距角等参数生成的用于模拟风轮及其传动链进行工作的参数，如第一转速控制参数和第一转矩控制参数等，再将第一类参数经过变速箱模拟单元调整为第二类参数，并根据该第二类参数生成相对应的控制指令。第二类参数包括：第二转速控制参数和第二转矩控制参数。在实施例中，通过电动机的运转来模拟风力机中风轮及传动链的运行状态，因此，第二转速控制参数相当于电动机转速控制参数，第二转矩控制参数相当于电动机转矩控制参数。上位机模块110连接至风轮及传动链模拟执行模块120，以构成传递所述第二类参数的第一线路。通过该第一线路，上位机模块110将生成的第二类参数传递至风轮及传动链模拟执行模块120。

上位机模块110中还包括其他的单元，如监控单元和参数设置单元等。该监控单元是通过LabVIEW的前面板实现软件功能的界面布局，在该界面上以波形和/或数值的形式实时显示；风轮及传动链模拟执行模块120以及模拟发电机执行模块130的实际工作状态，包括电压、电流、转速、转矩等，可对多个工作状态参数直接观测，减少了示波器和万用表等测试仪器的使用，降低了成本。该参数设置单元，通过参数设置单元可以设置风力机模拟系统的变频器参数、保护参数、控制方式以及模拟方式等，以实现不同控制策略下的风力机运行状态的模拟。

风轮及传动链模拟执行模块120主要用于模拟风力机中的风轮及传动链在风力的作用下的输出特性，其中，输出特性是指风轮及传动链的功率-转速输出特性，功率-转矩输出特性以及转矩-转速输出特性等。风轮及传动链模拟执行模块接收第二类参数，并根据该第二类参数所对应的控制指令控制电动机工作，以模拟风轮及传动链输出特性。风轮及其传动链模拟执行模块120通过联轴器连接至模拟发电机执行模块130，以构成控制电动机以该输出特性驱动模拟发电机执行模块130的传动结构。通过该传动结构，风轮及传动链模拟执行模块120根据上位机模块110传递过来的第二类参数，拖动模拟发电机执行模块130进行工作。在不同的模拟策略下，可对风力机的不同状态进行模拟，且不同模拟策略对相同的状态的模拟准确性也有所不同。具体的，模拟策略包括：静态模拟中的转矩输出控制策略、静态模拟中的电动机转速控制策略以及动态模拟中的轴转矩反馈补偿策略。

模拟发电机执行模块130主要用于模拟风力机的发电状态。风轮及传动链模拟执行模块120通过联轴器连接至模拟发电机执行模块130，并通过控制电动机以该输出特性驱动模拟发电机执行模块。具体的，风轮及传动链模拟执行模块120中的电动机通过联轴器连接至模拟发电机执行模块130中的发电机。在风轮及传动链模拟执行模块120中，通过模拟风轮及传动链的转速或转矩输出特性，使得电动机通过联轴器带动模拟执行模块130中的发电机进行发电。以转速输出特性驱动模拟发电机执行模块130为例，当电动机以第二转速进行运转时，通过联轴器带动发电机以第二转速进行工作，在正常运行且无变速箱作用的状态下，第一转速等于第二转速，在正常运行且有变速箱作用的状态下，通过调整变速箱的变比N，改变转速的大小，例如，当N>1时，第二转速大于第一转速，当N＝1时，第一转速等于第二转速，当N<1时，第二转速小于第一转速。通过风轮及传动链模拟执行模块120中的电动机的转矩输出特性控制驱动模拟发电机执行模块与此相类似。

能量回馈模块140采用有源前端(Active Front End，AFE)来实现发电机所产生电能的回收利用。能量回馈模块140连接至模拟发电机执行模块130，以构成传递电能的第二线路。通过该第二线路，能量回馈模块140接收模拟发电机执行模块130产生的电能，实现能量的回收利用，起到节能的作用。

该风力机模拟系统的工作原理为：在上位机模块110中通过软件编程构建风速模拟数学模型和风轮及传动链数学模型，在上位机模块110中选择或输入相关风力机模拟参数，如风轮半径、空气密度、风力机的额定参数等，将相关参数传递至风轮及传动链数学模型，产生相应的第一类参数，如风轮及传动链在该风力的作用下所产生的转速和转矩等，再将第一类参数通过变速箱模拟单元调整为第二类参数，并将生成的第二类参数传递至风轮及传动链模拟执行模块120，使得风轮及传动链模拟执行模块120中的电动机按照该第二类参数进行运作，模拟风轮及传动链在该风力的作用下的输出特性。由于模拟发电机执行模块130中的发电机通过联轴器连接至电动机，当电动机进行运作时会带动发电机随之运作进行发电，从而模拟风力机在该风力下的发电状态，再通过能量回馈单元将发电机所发电回收利用。

本实用新型实施例提供一种风力机模拟系统，包括：上位机模块、风轮及传动链模拟执行模块、模拟发电机执行模块以及能量回馈模块；上位机模块连接至风轮及传动链模拟执行模块，以构成传递第二类参数的第一线路；风轮及传动链模拟执行模块通过联轴器连接至模拟发电机执行模块，以构成控制电动机以输出特性驱动模拟发电机执行模块的传动结构；能量回馈模块连接至模拟发电机执行模块，以构成传递电能的第二线路，以实现风力机工作状态的模拟，系统平台可实现不同模拟策略对风力机静动态特性的模拟，且具有系统平台简单易实现，参数设置灵活以及人机交互性好等优点。

图2是本实用新型实施例提供的一种风力机模拟系统的另一结构示意图。在一个优选实施例当中，所述上位机模块还用于预设发电机工作参数，所述模拟发电机执行模块连接至所述上位机模块，以构成传输所述电机工作参数并根据所述电机工作参数控制发电机进行工作的第三线路。

发电机的工作参数包括发电机工作的电压、电流、转速、转矩和功率等，通过上位机模块110预设发电机工作参数。上位机模块110与模拟发电机执行模块130相连，以构成传输该发电机工作参数的第三线路。通过该第三线路，上位机模块110将该发电机工作参数传递至模拟发电机执行模块130，模拟发电机执行模块130根据该预设的发电机工作参数进行工作。

参考图2，在上述实施例的基础上，该上位机模块包括：用于设置风速参数的风速模拟单元111和用于根据预设的风力机模拟参数生成第一类参数的风轮及传动链模拟单元112。

风速模拟单元111用于执行上位机模块110中的风速模拟数学模型，风轮及传动链模拟单元112用于执行上位机模块110中的风轮及传动链模拟数学模型。在风速模拟单元111中输入风速参数，该风速参数包括：风的种类、风的速度，该风速参数与风轮半径、空气密度、风力机额定参数一起组成风力机模拟参数。风力机模拟参数传递至风轮及传动链模拟单元112，风轮及传动链模拟单元112根据该风力机模拟参数生成相对应的第一类参数，相当于在预设风速参数模拟出来的风力作用下，生成风力机的风轮及传动链在该风力作用下的工作状态参数，如转速参数以及转矩参数。

在上述实施例的基础上，该第一类参数包括：第一转矩控制参数和第一转速控制参数。

从控制的角度讲，可以通过转矩或转速两种方式来控制风轮及传动链模拟执行模块中的电动机的运转状态以模拟实际风轮及传动链的运行情况。风轮及传动链模拟单元112生成的第一类参数主要包括第一转矩控制参数和第一转速控制参数。转矩控制参数是指利用力矩来控制电机的转矩进而控制电动机的运转状态的参数，转速控制参数是是指利用转速来控制电机的转速进而控制电动机的运转状态的参数。

在一个优选实施例当中，所述上位机模块110包括变速箱模拟单元113，用于调节风轮及传动链模拟执行模块对有变速箱以及无变速箱的风力机进行模拟；

所述变速箱模拟单元用于将所述第一类参数调整为第二类参数，以使得所述风轮及传动链模拟执行模块根据所述第二类参数控制所述电动机工作，以模拟风轮及传动链输出特性。

在实际的风力机发电系统中，变速箱用于调节风轮及传动链实际输出的转速或转矩的大小。在变速箱的作用下，由风力作用产生的风轮及传动链转速或转矩通过变速箱的变比N进行转换，从而N倍增加或降低风轮及传动链的实际转速或转矩，N为正数。在该风力机模拟系统中，变速箱模拟单元113用于模拟变速箱在风力机发电中的调速效果，生成第二类参数，该第二类参数是将第一类参数经过变比N转换得到，以模拟经过变速箱调节后的转速或转矩参数变化，第二类参数包括：第二转速控制参数和第二转矩控制参数等。将该第二类参数传递至风轮及传动链模拟执行模块120，风轮及传动链模拟执行模块120根据所述第二类参数调整所述第一转速控制参数为第二转速控制参数，以模拟风轮及传动链在第二类参数下的输出特性。根据能量守恒定律，在提升转速时，其相对应的转矩会降低，在降低转速时，其相对应的转矩会升高。需要说明的是，变速箱模拟单元113在模拟带有变速箱的风力机发电系统时变比N与实际风力机变速箱的变比同，当模拟的风力机发电系统无变速箱时，变速箱模拟单元113变比N为1。

在一个优选实施例当中，该风轮及传动链模拟执行模块包括：用于接收所述第二类参数的第一变频器121和根据所述第二类参数进行模拟风轮及传动链输出特性的电动机122；所述第一变频器121通过所述第一线路连接至所述上位机模块110，所述第一变频器连接至所述电动机122，以构成传输所述第二类参数的第四线路。

第一变频器121通过第一线路接收上位机模块110传递过来的第二类参数，如第二转矩控制参数或第二转速控制参数等。电动机122用于根据第二类参数模拟风轮及传动链输出特性。第一变频器121与电动机122相连接，以构成传输所述第二类参数的第四线路。通过该第四线路，第一变频器121根据第二类参数控制电动机122转矩或转速的大小，从而实现利用力矩或转速控制电动机的运转状态，从而模拟风力机中的风轮及传动链输出特性，如电动机的输出功率与转速之间的关系类比于风轮及传动链输出功率与转速之间的关系，电动机转矩与转速之间的关系类比于风轮及传动链的转矩与转速之间的关系。

在一个优选实施例当中，所述模拟发电机执行模块130包括：用于接收所述发电机工作参数的第二变频器131和根据所述发电机工作参数进行发电的发电机132；所述第二变频器131通过第三线路连接至所述上位机模块110，所述第二变频器131连接至所述发电机，以构成传输所述发电机工作参数，根据所述发电机工作参数控制所述发电机模拟发电工作特性的第五线路。

在上位机模块110上进行发电机工作参数配置，该电机工作参数包括：额定参数、保护参数或控制方式等。第二变频器131通过第三线路连接至上位机模块110，通过该第三线路接收来自上位机模块110的电机工作参数。第二变频器131连接至所述发电机以构成第五线路，通过该第五线路，第二变频器131根据该电机工作参数控制发电机132进行运转，使得发电机132模拟发电工作特性，其中，发电机132模拟发电的工作特性是发电机132的转速或转矩特性。

在上述实施例的基础，所述上位机模块110通过CAN总线分别与所述风轮及传动链模拟执行模块120与所述模拟发电机执行模块130相连。

上位机模块110与风轮及传动链模拟执行模块120之间，上位机模块110与模拟发电机执行模块120之间均通过CAN总线进行通讯连接与数据传输。CAN总线是基于CAN协议进行实时数据传输的串行通讯协议总线，具有实时传输速率快的特点，便于在上位机上实时显示风轮及传动链模拟执行模块和模拟发电机执行模块的工作状态。

在一个优选实施例中，该上位机模块还包括：用于补偿实际风机与模拟系统的转动惯量差的惯量模拟单元114。

在动态模拟中，该风力机模拟系统转速变化过程须与实际风力机变化过程相同，而影响转速变化的主要是模拟系统与实际风力机的转动惯量的不同。在上位机模块110中设置惯量模拟单元114，以模拟实际风力机中风轮及传动链的转动惯量，使得模拟结果更准确。

在一个优选实施例中，该上位机模块还包括：用于接收所述联轴器上的转矩和转速反馈信号，将第二类参数修正为第一类参数，以用于所述上位机模块的计算的反馈修正单元115。

在联轴器中安装有转矩转速测量仪，用于测量联轴器上的转矩转速的大小，而电动机的转速和转矩受到转动惯量的影响。在风力机的动态模拟过程中，通过转动惯量补偿模拟，使得模拟系统的转动惯量接近于实际风力机的转动惯量。

下面对本实施例提供的技术方案进行示例性的描述：

以模拟一台1.35kW三桨叶水平轴风力机为例，采用本方案提出的风力机模拟系统以模拟风力机在不同控制策略下的运行状态。首先按照如下表1的风力机参数在上位机上进行相关参数的设置，以模拟风轮半径为1.057米，额定转速为146.92rad·s-1，额定功率为1.35×10-3MW，额定转矩为9.19N·m的三桨叶水平轴风力机在空气密度为1.225kg·m-3环境下的运行状态。本实施例方式中的发电机和电动机均为三相异步电机，其额定参数为：功率1.5kW，转速：1403r/min，电压380V，电流3.7A。通过该风力机模拟系统，可以模拟风力机在不同控制策略上的输出特性。

表1模拟风力机参数表

图3是本实用新型实施例提供的静态模拟中电动机转矩输出的控制策略流程图。其中ν为风速，β为桨距角，ω_w风轮角速度，Ω′_w为风轮转速经变速箱模拟单元转换后角速度，Ω_hw为与发电机相连的轴角转速，T′_w为风轮转矩经变速箱模拟单元转换后转矩，T_m为电动机输出转矩。

如图3所示，静态模拟中的电动机转矩输出控制策略中，在上位机模块中通过软件编程构建风速模拟数学模型和风轮及传动链数学模型，在风速模拟数学模型中选择或输入相关参数，如风速、桨距角等，将相关参数传递至风轮及传动链数学模型，产生相应的第一类参数在通过变速箱模拟单元调整为第二类参数，即转矩控制参数T′_w，并将生成的转矩控制参数T′_w传递至风轮及传动链模拟执行模块中的第一变频器，第一变频器控制风轮及传动链模拟执行模块中的电动机按照该转矩控制参数T′_w进行运作，模拟风轮及传动链在该风力的作用下的转矩输出特性。其中，桨距角是风轮上叶片变化的角度。由于模拟发电机执行模块中的发电机通过联轴器连接至电动机，在忽略损耗，使得发电机获得T_m的转矩控制参数，此时，T_m＝T′_w。当电动机进行运作时会带动发电机随之运作进行发电，从而模拟风力机在该风力下的发电状态。该联轴器上安装有转矩转速测量仪，用于测量联轴器上的转矩和转速进行测量。在模拟带有变速箱的风力机工作状态时，将变速箱模拟单元的变比N设置为与实际变比N，电动机的转速变为原来的N倍，相对应的，给电动机的转矩控制参数变为原来的1/N倍，此时电动机输出变速箱后与发电机相连的风力机机械特性，并传递至发电机。

在静态模拟中的电动机转矩输出控制策略中，风轮及传动轴模拟执行模块中的电动机模拟实际风力机的转矩输出特性，模拟发电机执行模块中的发电机模拟风力机的转速输出特性。此时，发电机转速并没有耦合到风力机数学模型中，因为发电机的转速是可以控制在风力机处于当前条件下运行转速范围内的任意值，通过调整发电机转速，电动机会根据风力机特性输出转矩。

需要说明的是，静态模拟中的电动机转矩输出控制策略，静态模拟只需重现稳态时风力机的转矩-转速或功率-转矩特性，在本实用新型中设定电动机转矩输出控制，则需对发电机进行闭环转速控制。电动机转矩输出控制策略的简化公式为：

上述公式(1)P′_w、T′_w、Ω′_w分别为风轮及传动链特性转换到与发电机相连端特性中的功率、转矩、转速。此静态模拟中的电动机转矩输出控制策略，由于转速Ω′_w为闭环控制可稳定输出，而功率P′_w的计算只与转速和风速有关，在风速也稳定不变时，可完整复现风力机转速转矩特性曲线，同时该模拟策略的电动机转矩控制，发电机转速控制符合实际风力机控制逻辑。

图4是本实用新型实施例提供的静态模拟中电动机转速输出的控制策略流程图，如图4所示，在静态模拟中的电动机转速输出控制策略中，在上位机模块中通过软件编程构建风速模拟数学模型和风轮及传动链数学模型，在风速模拟数学模型中选择或输入风速参数，如风速类型、风速大小，该风速参数与风轮半径、空气密度、风力机额定参数一起组成风力机模拟参数，将风力机模拟参数传递至风轮及传动链数学模型，产生相应的第一类参数，再将第一类参数转换为第二类参数，即转速控制参数Ω′_w，并将生成的转速控制参数传递至风轮及传动链模拟执行模块中的第一变频器，第一变频器控制风轮及传动链模拟执行模块中的电动机按照该转速控制参数Ω′_w进行运作，模拟风轮及传动链在该风力的作用下的转速输出特性。由于模拟发电机执行模块中的发电机通过联轴器连接至电动机，当电动机进行运作时会带动发电机随之发生运作进行发电，使得发电机的转速Ω_m＝Ω′_w，从而模拟风力机在该风力下的发电状态。该联轴器上安装有转矩转速测量仪，用于测量联轴器上的转矩和转速。在模拟带有变速箱的风力机工作状态时，将变速箱模拟单元的变比N设置为与实际变比N，将电动机转速(相当于风轮转速)反馈至上位机模块，在经过上位机模块中的变速箱模拟单元进行变比1/N转换后得到风轮与传动链角速度，即ω_w＝Ω′_w/N，再经过风轮及传动链数学模型的计算和变速箱模拟单元转换得到电动机转速控制参数。由于能量守恒，当通过变速箱模拟单元将转速变为1/N倍时，其相应的转矩会变乘以N倍才能转换回第一类参数。

在静态模拟中的电动机转矩输出控制策略中，风轮及传动链模拟执行模块中的电动机模拟实际风力机的转矩输出特性，模拟发电机执行模块中的发电机模拟风力机的转速输出特性。发电机的转速可以控制在风力机处于当前条件下运行转速范围内的任意值，通过调整发电机转速，电动机会根据风力机特性输出转矩。

在静态模拟中的电动机转速输出控制策略中，风轮及传动链模拟执行模块中的电动机模拟实际风力机的转速输出特性，模拟发电机执行模块中的发电机模拟风力机的转矩输出特性。发电机的转矩可以控制在风力机处于当前条件下运行转速范围内的任意值，通过调整发电机转矩，电动机会根据风力机特性输出转速。

在静态模拟中的电动机转速控制策略下，本实施例设定电动机转速输出控制，则需对发电机进行闭环转矩控制。电动机转速输出控制策略的简化公式为：

公式(2)P′_w、T′_w、Ω′_w分别为风轮及传动链特性转换到与发电机相连端特性中第二类参数的功率、转矩、转速。此静态模拟中的电动机转速控制策略，电动机输出转速指令的获得不仅与轴转速有关，还与轴转矩有关，在风速稳定不变时，可复现风力机转速转矩特性中的运行特性。

在动态模拟中的轴转矩反馈补偿控制策略，该风力机模拟系统转速变化过程须与实际风力机变化过程相同，而影响转速变化的主要是风力机模拟系统与实际风力机的转动惯量的不同，因此需要对模拟系统进行转动惯量的补偿模拟。采用轴转矩反馈法补偿转动惯量的公式：

公式中T_m为电动机输出转矩，J_m为模拟系统用电动机转动惯量，J′_w为实际风力机机组转动惯量，T′_m为模拟轴转矩。在本实用新型中读取电动机实时转矩值作为轴转矩值，通过公式(3)计算得到实时输出转矩控制指令实现动态模拟。

图5-图8是本实用新型实施例提供的在变风速恒转速的模拟条件下的电动机转矩输出模拟实验结果图，静态模拟结果为在风速分别为7m/s和8m/s时，在发电机转速控制在1250r/min时的转矩-转速特性输出曲线和功率-转速特性输出曲线，RP为实时运行点，其中，转矩-转速特性输出曲线和功率-转速特性输出曲线是通过风力机数学模型模拟出来的理论特性输出曲线。由图5可知，在风速为7m/s的转矩-转速特性输出曲线中，实时运行点始终位于转矩-转速特性输出曲线，由图6可知，在风速为7m/s的功率-转速特性输出曲线中，实时运行点始终位于功率-转速特性输出曲线上，由图7可知，在风速为8m/s的转矩-转速特性输出曲线中，实时运行点始终位于转矩-转速特性输出曲线，由图8可知，在风速为8m/s的功率-转速特性输出曲线中，实时运行点始终位于功率-转速特性输出曲线上，说明该风力机模拟系统模拟该风力机在该控制策略下的模拟结果正确。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (8)

1.一种风力机模拟系统，其特征在于，包括：上位机模块、风轮及传动链模拟执行模块、模拟发电机执行模块以及能量回馈模块；

所述上位机模块用于生成第一类参数，并将所述第一类参数调整为第二类参数，所述上位机模块连接至所述风轮及传动链模拟执行模块，以构成传递所述第二类参数的第一线路；

所述风轮及传动链模拟执行模块用于接收所述第二类参数，并根据所述第二类参数控制电动机工作，以模拟风轮及传动链输出特性，所述风轮及传动链模拟执行模块通过联轴器连接至所述模拟发电机执行模块，以构成控制所述电动机以所述输出特性驱动所述模拟发电机执行模块的传动结构；

所述能量回馈模块用于接收所述模拟发电机执行模块产生的电能，并将所述电能反馈至电网，所述能量回馈模块连接至所述模拟发电机执行模块，以构成传递所述电能的第二线路。

2.根据权利要求1所述的风力机模拟系统，其特征在于，所述上位机模块还用于预设发电机工作参数，所述模拟发电机执行模块连接至所述上位机模块，以构成传输所述发电机工作参数并根据所述发电机工作参数控制发电机进行工作的第三线路。

3.根据权利要求2所述的风力机模拟系统，其特征在于，所述上位机模块包括：用于设置风速参数的风速模拟单元和用于根据预设的风力机模拟参数生成第一类参数的风轮及传动链模拟单元。

4.根据权利要求3所述的风力机模拟系统，其特征在于，所述上位机模块还包括变速箱模拟单元，用于调节风轮及传动链模拟执行模块对有变速箱以及无变速箱的风力机进行模拟；

所述变速箱模拟单元用于将所述第一类参数调整第二类参数，以使得所述风轮及传动链模拟执行模块根据所述第二类参数控制所述电动机工作，以模拟风轮及传动链输出特性。

5.根据权利要求4所述的风力机模拟系统，其特征在于，所述风轮及传动链模拟执行模块包括：用于接收所述第二类参数的第一变频器和根据所述第二类参数进行模拟风轮及传动链输出特性的电动机；

所述第一变频器通过所述第一线路连接至所述上位机模块，所述第一变频器连接至所述电动机，以构成传输所述第二类参数的第四线路。

6.根据权利要求5所述的风力机模拟系统，其特征在于，所述模拟发电机执行模块包括：用于接收所述发电机工作参数的第二变频器和根据所述发电机工作参数进行发电的发电机；

所述第二变频器通过第三线路连接至所述上位机模块，所述第二变频器连接至所述发电机，以构成传输所述发电机工作参数控制所述发电机模拟发电工作特性的第五线路。

7.根据权利要求1所述的风力机模拟系统，其特征在于，所述上位机模块还包括：用于补偿实际风机与模拟系统的转动惯量差的惯量补偿模拟单元。

8.根据权利要求1所述的风力机模拟系统，其特征在于，所述上位机模块还包括：用于接收所述联轴器上的转矩和转速反馈信号，将第二类参数修正为第一类参数，以用于所述上位机模块的计算的反馈修正单元。