專利名稱：風電機組低電壓穿越特性聯合仿真模型及其聯合仿真方法
技術領域：
本發明涉及電力系統仿真與驗證領域，具體涉及一種風電機組低電壓穿越特性聯合仿真模型及其聯合仿真方法。
背景技術：
風電在過去的十年中發展迅速，已經在世界范圍內成為電力供應重要的一部分。為了提高電網的穩定性，各國的電力系統運營商都制定了風電廠接入電網的技術要求，并采用經過驗證的風電機組模型，對風電廠滿足并網技術規定的程度進行仿真分析。中國從2010年開始已經躍升為全球風能裝機容量最 大的市場，解決大規模風電并網的技術問題尤為迫切。基于近年來的國際通用做法，為了提高風電接入的電網穩定性，我國相繼出臺了國家電網企業標準Q/GDW392-2009《風電場接入電網技術規定》、能源局(2010)433號文《風電機組并網檢測管理暫行辦法》、國家標準GB/T19963-2011《風電場接入電力系統技術規定》，對風電機組及風電場并網提出了具體要求，也包含了對風電機組的電氣模型、風電場電氣模型的要求，通過仿真手段評估該風電廠是否具有并網技術規定所要求的并網特性。風機制造市場情況較為復雜，整機制造商多達八十余家，市場主流的風電機組型號眾多，其主要零部件配置多種多樣，這些給低電壓穿越檢測工作帶來了很大壓力，《風電機組低電壓穿越能力一致性評估辦法》的試行有效的緩解了這一壓力。然而采用何種手段更為準確的通過仿真驗證反映風電機組低電壓穿越特性是一個亟需研究的問題。
發明內容
針對現有技術的不足，本發明提供一種風電機組低電壓穿越特性聯合仿真模型及其聯合仿真方法，本發明根據風電機組各主要部件對風機低電壓穿越特性的影響，抽象出風電機組機械模型和電氣模型，通過聯合仿真進行分析計算，評估風機主要部件變化對其低電壓穿越性能的影響。本發明的目的是采用下述技術方案實現的一種風電機組低電壓穿越特性聯合仿真模型，其改進之處在于，將所述風電機組解耦為機械模型和電氣模型；所述機械模型和電氣模型之間通過socket通訊接口進行通 目。其中，所述機械模型采用Bladed平臺進行搭建，包括葉片模型、輪轂模型、塔筒模型、傳動鏈模型、機艙模型、風機核心控制器模型和風速模型；所述葉片模型、輪轂模型、塔筒模型、傳動鏈和機艙模型通過加載工程文件進行設置；所述風機核心控制器模型利用Bladed提供的控制模塊進行設置，通過加載主控動態鏈接庫進行風機核心控制器模型的封裝；所述風速模型包括恒風速模型、變風速模型和導入歷史風速模型。其中，所述電氣模型采用Matlab電氣仿真平臺進行搭建，包括電網模型、風電機組發電機模型、變流器模型和電壓跌落模擬裝置；所述電網模型由無窮大電源和短路電抗器組成；所述電源跌落模擬裝置包括短路電抗器、限流電抗器及故障發生器。其中，在所述電氣模型建模時采集的參數包括風電機組發電機的電氣參數、變壓器的電氣參數、實際進行低電壓穿越測試的短路電抗器和限流電抗器阻抗值以及電網模型中的短路容量。其中，所述風電機組發電機的電氣參數包括發電機定子阻抗、轉子阻抗和互感電抗值；所述變壓器的電氣參數包括勵磁電阻和 勵磁電抗值。本發明基于另一目的提供的一種風電機組低電壓穿越特性聯合仿真方法，其改進之處在于，所述方法包括下述步驟A、初始化機械模型和電氣模型并設置仿真結束時間；B、啟動機械模型Bladed平臺仿真計算，等待與Matlab電氣仿真平臺通訊握手；C、判斷通訊握手是否成功；D、Bladed平臺的單獨執行仿真；E、判斷仿真是否超過所述仿真結束時間；F、開始聯合仿真計算；G、Bladed平臺開始計算發電機的力矩與轉速,等待Matlab電氣模型反饋數據；H,Matlab平臺得到發電機的力矩與轉速指令，開始進行電氣模型仿真計算；I、電氣模型仿真計算后將實際輸出的發電機的力矩與實際有功和無功功率反饋給Bladed機械模型；J、Bladed機械模型得到發電機的力矩與有功和無功功率的反饋，調整發電機的力矩與轉速，進行下一步長的仿真，即返回步驟E ;K、仿真結束。其中，所述步驟C中，若通訊握手成功，則進行步驟E ;否則進行步驟D。其中，所述步驟E中，若仿真超過所述仿真結束時間，則進行步驟K ;否則進行步驟F ;所述仿真結束時間在10-20S之間。其中，在仿真結束后，將Bladed平臺和Matlab電氣仿真平臺中所有中間變量和最終結果導出，判斷仿真是否成功。其中，所述中間變量包括發電機轉速、有功功率和無功功率；所述最終結果指的是故障處三相電壓和三相電流值。與現有技術比，本發明達到的有益效果是I、本發明提供的風電機組低電壓穿越特性聯合仿真模型，根據各零部件特性，將模型分為機械模型和電氣模型兩部分，機械模型中的葉片、輪轂、傳動鏈及風機核心控制器(主控模塊)均采用設計原型，其聯合仿真方法與現場產品100%吻合，大大降低了建模中的抽象過程產生的誤差，減小了風電機組建模的工作量。2、本發明提供的風電機組低電壓穿越特性聯合仿真方法，方便的替換某單一零部件，修改部件參數，更好的用于低電壓穿越特性(LVRT)評估，可真實反應主控、葉片等因素對低電壓穿越特性(LVRT)特性的影響。
圖I是本發明提供的風電機組低電壓穿越特性聯合仿真模型構架圖；圖2是本發明提供的風電機組低電壓穿越特性聯合仿真方法的工作流程圖；圖3是本發明提供的Bladed機械模型組件形式呈現圖；圖4是本發明提供的風速設置界面圖；圖5是本發明提供的風機核心控制器 的設置界面圖；圖6是本發明提供的仿真結束時間的設置界面圖；圖7是本發明提供的啟動Bladed平臺仿真計算設置界面圖；圖8是本發明提供的socket通訊接口的連接信息示意圖；圖9是本發明提供的發電機電壓的測試數據與仿真數據的對比曲線圖；圖10是本發明提供的發電機有功功率測試數據曲線圖；圖11是本發明提供的發電機有功功率測試數據與仿真數據平均偏差的對比曲線圖；圖12是本發明提供的發電機有功功率測試數據與仿真數據平均絕對偏差的對比曲線圖；圖13是本發明提供的發電機有功功率測試數據與仿真數據最大偏差的對比曲線圖；圖14是本發明提供的發電機無功電流測試數據曲線圖；圖15是本發明提供的發電機無功電流測試數據與仿真數據平均偏差的對比曲線圖；圖16是本發明提供的發電機無功電流測試數據與仿真數據平均絕對偏差的對比曲線圖；圖17是本發明提供的發電機無功電流測試數據與仿真數據最大偏差的對比曲線圖；圖18是本發明提供的發電機無功功率測試數據曲線圖；圖19是本發明提供的發電機無功功率測試數據與仿真數據平均偏差的對比曲線圖；圖20是本發明提供的發電機無功功率測試數據與仿真數據平均絕對偏差的對比曲線圖；圖21是本發明提供的發電機無功功率測試數據與仿真數據最大偏差的對比曲線圖；圖22是本發明提供的發電機轉矩指令的動態變化曲線圖；圖23是本發明提供的發電機轉矩變化導致有功功率變化曲線圖；圖24是本發明提供的發電機轉速的變化曲線圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的具體實施方式
作進一步的詳細說明。本發明提供的風電機組低電壓穿越特性聯合仿真模型，通過分析風機各部件功能和風電機組運行特性，將風電機組模型解耦為機械模型與電氣模型，機械模型從風機設計角度考慮，使用Bladed平臺進行建模；電氣模型部分使用電力系統仿真軟件Matlab電氣仿真平臺搭建，兩模型之間使用socket通訊接口進行參數傳遞和時間同步，完成對風電機組運行特性的聯合仿真計算。該聯合仿真模型準確的實現對風電機組在各種工況下風電機組運行狀態的模擬。機械模型采用GH Bladed進行搭建，機械模型包括葉片模型、輪轂模型、塔筒模型、傳動鏈模型、機艙模型、風機核心控制器模型和風速模型；葉片模型和塔筒模型通過加載工程文件的形式進行設置，從而進行各種類型葉片的更換，可保證與實際運行的風電機組完全一致；風機核心控制器模型利用Bladed電氣模塊功能，以加載主控動態鏈接庫的形式進行模型封裝，由于動態鏈接庫是控制軟件代碼直接生成，也與實際運行風機保持完全一致；Bladed軟件中的風速模型有多種可選，如恒風速模型、變風速模型和導入歷史風速模型等。電氣模型仿真計算風機正常運行及 電壓跌落過程中的電氣特性，采用Matlab電氣仿真平臺進行搭建，電氣模型包括電網模型，發電機模型，變流器模型以及用來仿真低電壓穿越過程的電壓跌落模擬裝置。所述電網模型包括無窮大電源和短路電抗器；電源跌落模擬裝置包括短路電抗器、限流電抗器及故障發生器。在所述電氣模型建模時米集的參數包括風電機組發電機的電氣參數、變壓器的電氣參數、實際進行低電壓穿越測試的短路電抗器和限流電抗器阻抗值以及電網模型中的短路容量；風電機組發電機的電氣參數包括發電機定子阻抗、轉子阻抗和互感電抗值；變壓器的電氣參數包括勵磁電阻和勵磁電抗值。socket通訊聯合仿真時機械模型和電氣模型之間基于UDP socket通訊,通訊接口以動態鏈接庫的形式被模型調用，一方面實現機械模型與電氣模型之間仿真計算的參數傳遞，另一方面進行仿真時間同步。兩個模型之間交互的參數包括發電機轉矩、轉速、有功、低電壓穿越標志位以及仿真時間等。本發明提供的風電機組低電壓穿越特性聯合仿真模型構架如圖I所示。其中，發電機模型的機械部分和電氣部分分別放在兩個模型中，由風機機械模型計算發電機的機械特性，由電氣模型計算發電機的電氣特性，并通過通訊接口將兩模型統一。風電機組采用不同的葉片、主控系統、變槳系統、發電機及變流器都將對風機的運行特性產生影響，通過聯合仿真的方法靈活更換單一部件的模型，評估單一部件參數變化對整個風機運行特性的影響，對于研究風電機組運行特性以及風電機組低電壓穿越特性有極為重要的作用。本發明提供的風電機組低電壓穿越特性聯合仿真方法的工作流程如圖2所示，所述方法包括下述步驟A、初始化機械模型和電氣模型并設置仿真結束時間；B、啟動機械模型Bladed平臺仿真計算，等待與Matlab電氣仿真平臺通訊握手；C、判斷通訊握手是否成功；若通訊握手成功，則進行步驟E ;否則進行步驟D。D、Bladed平臺的單獨執行仿真；E、判斷仿真是否超過所述仿真結束時間；若仿真超過所述仿真結束時間，則進行步驟K ;否則進行步驟F ;所述仿真結束時間在10-20S之間。F、開始聯合仿真計算；聯合仿真計算指的是Bladed平臺和Matlab電氣仿真平臺一起進行的仿真；G、Bladed平臺計算發電機的力矩與轉速,等待Matlab電氣模型反饋數據；H、Matlab電氣仿真平臺得到發電機的力矩與轉速指令，開始進行電氣模型仿真計算；I、電氣模型仿真計算后將實際輸出的發電機的力矩與實際有功和無功功率反饋給Bladed機械模型；J、Bladed機械模型得到發電機 的力矩與有功和無功功率的反饋，調整發電機的力矩與轉速，進行下一步長的仿真，即返回步驟E ;K、仿真結束。仿真結束后，將Bladed平臺和Matlab電氣仿真平臺中所有中間變量和最終結果導出，供研究分析使用，判斷仿真是否成功；中間變量包括發電機轉速、有功功率和無功功率；所述最終結果指的是故障處三相電壓和三相電流值。實施例一、首先進行模型導入和設置，分Bladed機械模型和Matlab電氣模型兩部分進行I、機械模型由葉片模型，輪轂模型，塔筒模型，傳動鏈模型，機艙模型，核心控制器以及風速模型組成。以上各模型在Bladed中以以下組件形式呈現。如圖3所示。a、機械模型中，葉片模型，輪轂模型，塔筒模型，傳動鏈模型以及機艙模型可通過加載工程文件進行設置，對于每一個整機廠家來說，Bladed中所涉及的葉片、輪轂等信息均是風機設計參數，本發明提供的聯合仿真模型可保證與實際運行風機100%吻合，保證了風機機械模型的可靠性，大幅降低了對風機機械模型抽象建模的難度；b、風速模型可根據仿真需要，設定為定速風模型，也可通過載入風速配置表加載動態風速模型，盡可能模擬實際現場測試的風況。風速設置界面如圖4所示C、核心控制器可通過Bladed提供的控制模塊進行設置，如圖5所示。風機的主控邏輯代碼進行封裝產生動態鏈接庫，在Bladed的主控模塊中使用，當風電機組的主控系統發生變化的時候，對此動態鏈接庫進行替換完成重新建模。11、電氣模型中除進行包含發電機、變流器的電氣模型搭建之外，還需建立電網模型，以及電壓跌落模擬裝置模型。建模時需采集風電機組發電機、變頻器的電氣參數，采集風機到并網點的連接變壓器參數，采集實際進行低電壓穿越測試的短路電抗器和限流電抗器阻抗值，以及電網的短路容量。二、模型建立完成后進行仿真計算I)首先設置仿真時間，如圖6所示。根據需求修改仿真控制頁面中的仿真結束時間參數，控制仿真總時長。2)啟動Bladed暫態仿真，如圖7所示。選擇Simulations頁面中的PowerProduction Loading功能功率載荷計算,并選擇仿真結果的存放位置。設置完成后開始仿真計算，如圖8所示，Bladed界面首先打印出socket接口的連接信息。3)通訊接口握手成功后，啟動Matlab的電氣模型仿真，開始聯合仿真的交互訪問計算。待仿真結束，查看數據。三、對仿真結果對比分析
選取某風電機組，對本方法聯合仿真計算得到的結果進行對比驗證，驗證曲線如圖9-21所示，依次是發電機的電壓、有功功率、無功電流及無功功率測試數據曲線圖，以及發電機的有功功率、無功電流及無功功率測試數據與仿真數據平均偏差、平均絕對偏差、最大偏差的對比曲線。測試數據與仿真數據平均偏差、平均絕對偏差、最大偏差單位為p. U. (標幺值)。根據風電機組電氣模型驗證標準，由對比圖可直觀發現采用聯合仿真方法進行仿真計算的數據結果，與現場實測的數據誤差遠優于模型驗證的標準，體現了良好的仿真效
果O此外，聯合仿真方法可明顯反應主控制系統等 變化對低電壓穿越特性(LVRT)的影響，圖22反應了轉矩指令的動態變化；圖23反應了轉矩變化導致有功功率變化；圖24體現了發電機轉速的變化。本發明提供的一種評估風電機組低電壓穿越特性的聯合仿真模型及其聯合仿真方法，根據風電機組各主要部件對風機低電壓穿越特性的影響，抽象出風電機組機械模型和電氣模型，通過聯合仿真進行分析計算，評估風機主要部件變化對其低電壓穿越性能的影響。聯合仿真方法與現場產品100%吻合，大大降低了建模中的抽象過程產生的誤差，減小了風電機組建模的工作量。最后應當說明的是以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其限制，盡管參照上述實施例對本發明進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員應當理解依然可以對本發明的具體實施方式
進行修改或者等同替換，而未脫離本發明精神和范圍的任何修改或者等同替換，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。
權利要求
1.一種風電機組低電壓穿越特性聯合仿真模型，其特征在于，將所述風電機組解耦為機械模型和電氣模型；所述機械模型和電氣模型之間通過socket通訊接口進行通信。
2.如權利要求I所述的風電機組低電壓穿越特聯合仿真模型，其特征在于，所述機械模型采用Bladed平臺進行搭建，包括葉片模型、輪轂模型、塔筒模型、傳動鏈模型、機艙模型、風機核心控制器模型和風速模型； 所述葉片模型、輪轂模型、塔筒模型、傳動鏈和機艙模型通過加載工程文件進行設置； 所述風機核心控制器模型利用Bladed提供的控制模塊進行設置，通過加載主控動態鏈接庫進行風機核心控制器模型的封裝； 所述風速模型包括恒風速模型、變風速模型和導入歷史風速模型。
3.如權利要求I所述的風電機組低電壓穿越特性聯合仿真模型，其特征在于，所述電氣模型采用Matlab電氣仿真平臺進行搭建，包括電網模型、風電機組發電機模型、變流器模型和電壓跌落模擬裝置； 所述電網模型由無窮大電源和短路電抗器組成； 所述電源跌落模擬裝置包括短路電抗器、限流電抗器及故障發生器。
4.如權利要求3所述的風電機組低電壓穿越特性聯合仿真模型，其特征在于，在所述電氣模型建模時米集的參數包括風電機組發電機的電氣參數、變壓器的電氣參數、實際進行低電壓穿越測試的短路電抗器和限流電抗器阻抗值以及電網模型中的短路容量。
5.如權利要求4所述的風電機組低電壓穿越特性聯合仿真模型，其特征在于，所述風電機組發電機的電氣參數包括發電機定子阻抗、轉子阻抗和互感電抗值；所述變壓器的電氣參數包括勵磁電阻和勵磁電抗值。
6.一種風電機組低電壓穿越特性聯合仿真方法，其特征在于，所述方法包括下述步驟 A、初始化機械模型和電氣模型并設置仿真結束時間； B、啟動機械模型Bladed平臺仿真計算,等待與Matlab電氣仿真平臺通訊握手； C、判斷通訊握手是否成功； D、Bladed平臺的單獨執行仿真； E、判斷仿真是否超過所述仿真結束時間； F、開始聯合仿真計算； G、Bladed平臺開始計算發電機的力矩與轉速,等待Matlab電氣模型反饋數據； H> Matlab平臺得到發電機的力矩與轉速指令,開始進行電氣模型仿真計算； I、電氣模型仿真計算后將實際輸出的發電機的力矩與實際有功和無功功率反饋給Bladed機械模型； J、Bladed機械模型得到發電機的力矩與有功和無功功率的反饋，調整發電機的力矩與轉速，進行下一步長的仿真，即返回步驟E ； K、仿真結束。
7.如權利要求6風電機組低電壓穿越特性聯合仿真方法，其特征在于，所述步驟C中，若通訊握手成功，則進行步驟E ;否則進行步驟D。
8.如權利要求6風電機組低電壓穿越特性聯合仿真方法，其特征在于，所述步驟E中，若仿真超過所述仿真結束時間，則進行步驟K ;否則進行步驟F ;所述仿真結束時間在10-20s 之間。
9.如權利要求6-8中任一項所述的風電機組低電壓穿越特性聯合仿真方法，其特征在于，在仿真結束后，將Bladed平臺和Matlab電氣仿真平臺中所有中間變量和最終結果導出，判斷仿真是否成功。
10.如權利要求9中任一項所述的風電機組低電壓穿越特性聯合仿真方法，其特征在于，所述中間變量包括發電機轉速、有功功率和無功功率；所述最終結果指的是故障處三相電壓和三相電流值。
全文摘要
本發明涉及一種風電機組低電壓穿越特性聯合仿真模型及其聯合仿真方法，所述聯合仿真模型是將所述風電機組解耦為機械模型和電氣模型；所述機械模型和電氣模型之間通過socket通訊接口進行通信。本發明提供的技術方案根據各零部件特性，將模型分為機械模型和電氣模型兩部分，機械模型中的葉片、輪轂、傳動鏈及風機核心控制器(主控模塊)均采用設計原型，其聯合仿真方法與現場產品100%吻合，大大降低了建模中的抽象過程產生的誤差，減小了風電機組建模的工作量。
文檔編號G05B17/00GK102819221SQ201210279998
公開日2012年12月12日 申請日期2012年8月8日 優先權日2012年8月8日
發明者秦世耀, 王瑩瑩, 李慶, 邵文昌, 賀敬, 張梅, 張元棟, 張利 申請人:中國電力科學研究院, 中電普瑞張北風電研究檢測有限公司, 國家電網公司