一種直驅永磁風電機組的建模與仿真方法和裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及風力發電技術領域，更為具體地說，涉及一種直驅永磁風電機組的建 模與仿真方法和裝置。
【背景技術】
[0002] 直驅永磁風電機組是基于永磁同步發電機且由風力直接驅動進行發電的變頻恒 速風電機組，該直驅永磁風電機組采用葉輪與發電機直接相連進行驅動的方式，能夠保證 發電機的高效運轉。
[0003] 完整的直驅永磁風電機組模型包括多個結構的相關模型，基于大量特征量進行計 算，從而過多增加了模型中方程的階數，甚至達到十幾階，甚至幾十階，導致在研究直驅永 磁風電機組時，計算量大、仿真速度慢和運行不穩定。為了克服上述問題，相關技術中，在研 究直驅永磁風電機組模型時，一般基于特征值分析法分析直驅永磁風電機組的相關模態， 即通過計算特征根、特征向量和特征值的靈敏度，確定主導模態，保留與主導模態相關的狀 態變量，消去其它狀態變量，從而降低模型的階數，然而上述簡化的直驅永磁風電機組模型 過于簡化，只是反映直驅永磁風電機組的部分結構在特定情況下的運行狀況，在計算風電 機組模態時，并不能充分反映直驅永磁風電機組中主要結構的運行特性。
[0004] 綜上所述，如何降低計算量，提高仿真速度，并充分反映直驅永磁風電機組的主要 運行特性成為目前本領域技術人員亟待解決的技術問題。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的是提供一種直驅永磁風電機組的建模與仿真的技術方案，以解決背 景技術中所介紹的現有技術中的直驅永磁風電機組模型的計算量大，仿真速度慢且不能準 確反映風電機組的主要運行特性的問題。
[0006] 為了解決上述技術問題，本發明提供如下技術方案：
[0007] 根據本發明的第一方面，提出了 一種直驅永磁風電機組的建模與仿真方法，該直 驅永磁風電機組的建模與仿真方法包括：
[0008] 構建直驅永磁風電機組的風電機組模型；
[0009] 根據所述風電機組模型對并入電網的直驅永磁風電機組進行仿真；其中，所述構 建直驅永磁風電機組的風電機組模型的方法包括：
[0010]構建直驅永磁風電機組的風力機模型；
[0011] 構建所述直驅永磁風電機組的三階雙質塊軸系模型；
[0012] 構建所述直驅永磁風電機組的二階槳距角控制模型；
[0013] 根據所述直驅永磁風電機組的發電機轉速與發電機電流關系，模擬發電機轉速控 制，構建所述直驅永磁風電機組的發電機、機側變流器及控制所述發電機和機側變流器的 控制系統的第一一階控制模型；
[0014] 構建所述直驅永磁風電機組的一階直流電容模型；
[0015] 根據變流器直流電容電壓與風電機組有功電流的關系，構建所述直驅永磁風電機 組的網側變流器及所述網側變流器的控制系統的第二一階控制模型。
[0016] 優選地，所述構建直驅永磁風電機組的風電機組模型的方法，具體還包括：
[0017] 根據風速、槳距角、風力機轉速和風力機機械轉矩之間的關系，模擬直驅永磁風電 機組的風力機吸收風功率過程，構建所述風力機模型，根據所述風力機模型，計算風力機機 械轉矩；
[0018] 根據風力機轉速、發電機轉速、所述風力機機械轉矩以及發電機電磁轉矩之間的 關系，模擬所述直驅永磁風電機組的風力機機械轉矩和發電機電磁轉矩的能量傳遞關系， 構建所述三階雙質塊軸系模型，根據所述三階雙質塊軸系模型，計算風力機轉速和發電機 轉速；
[0019] 根據所述發電機轉速與槳距角的關系，模擬直驅永磁風電機組的槳距角控制和伺 服環節，構建所述二階槳距角控制模型，根據所述二階槳距角控制模型計算槳距角；
[0020] 根據所述發電機轉速與發電機電流的關系，模擬發電機轉速控制，構建所述發電 機、機側變流器及控制所述發電機和機側變流器的控制系統的第一一階控制模型，根據所 述第一一階控制模型，計算發電機電磁轉矩和機側變流器功率；
[0021 ]根據變流器直流電容電壓、所述網側變流器功率和所述機側變流器功率的關系， 構建所述一階直流電容模型，根據所述一階直流電容模型，計算變流器直流電容電壓；
[0022] 根據所述變流器直流電容電壓與風電機組有功電流的關系，模擬直驅永磁風電機 組的直流電容電壓控制，構建所述網側變流器及所述網側變流器的控制系統的第二一階控 制模型，根據所述第二一階控制模型計算網側變流器功率，其中，所述網側變流器功率即為 風電機組功率。
[0023] 優選地，所述根據直驅永磁風電機組的發電機轉速與發電機電流關系，模擬發電 機轉速控制，構建所述直驅永磁風電機組的發電機、機側變流器及控制所述發電機和機側 變流器的控制系統的第一一階控制模型的方法具體包括：
[0024]
[0025] iqs = kpM( 〇 ref_ 〇 g)+ki〇jXl
[0026] 其中，^為第一中間狀態變量，Core3f為發電機參考轉速，〇^為發電機轉速，iqs為發 電機定子q軸電流，為PI控制器的比例系數，kw為PI控制器的積分系數。
[0027] 優選地，所述根據變流器直流電容電壓與風電機組有功電流的關系，構建所述直 驅永磁風電機組的網側變流器及所述網側變流器的控制系統的第二一階控制模型的方法 具體包括：
[0028]
[0029 ] Idg - kpudc ( Udc-ref _Udc ) +kiudcX2
[0030] 其中，X2為第二中間狀態變量，Udmf為變流器直流電容電壓參考值、Udc為變流器 直流電容電壓實際值，id g為風電機組注入電網有功電流，kpudc為PI控制器的比例系數，kludc 為PI控制器的積分系數。
[0031] 優選地，所述根據所述風電機組模型對并入電網的直驅永磁風電機組進行仿真的 方法具體包括：
[0032] 將構建的所述直驅永磁風電機組模型接入電網開始仿真，待所述直驅永磁風電機 組與所述電網進入穩態時，對風電機組施加擾動；
[0033] 計算直驅永磁風電機組輸出的風電機組輸出有功功率，根據所述風電機組輸出有 功功率輸入電網后引起的電網響應，分析風電并網后對電網的影響。
[0034] 根據本發明的第二方面還提出了 一種直驅永磁風電機組的建模與仿真裝置，該直 驅永磁風電機組的建模與仿真裝置包括：
[0035] 模型構建模塊，用于構建直驅永磁風電機組的風電機組模型；
[0036] 仿真模塊，用于根據所述風電機組模型對并入電網的直驅永磁風電機組進行仿 真;其中，所述模型構建模塊包括：
[0037]風力機模型構建子模塊，用于構建直驅永磁風電機組的風力機模型；
[0038]三階雙質塊軸系模型構建子模塊，用于構建所述直驅永磁風電機組的三階雙質塊 軸系模型；
[0039]二階槳距角控制模型構建子模塊，用于構建所述直驅永磁風電機組的二階槳距角 控制模型；
[0040]第一一階控制模型構建子模塊，用于根據所述直驅永磁風電機組的發電機轉速與 發電機電流關系，模擬發電機轉速控制，構建所述直驅永磁風電機組的發電機、機側變流器 及控制所述發電機和機側變流器的控制系統的第一一階控制模型；
[0041 ] -階直流電容模型構建子模塊，用于構建所述直驅永磁風電機組的一階直流電容 豐旲型；
[0042]第二一階控制模型構建子模塊，用于根據變流器直流電容電壓與風電機組有功電 流的關系，構建所述直驅永磁風電機組的網側變流器及所述網側變流器的控制系統的第二 一階控制模型。
[0043]優選地，所述風力機模型構建子模塊，具體用于根據風速、槳距角、風力機轉速和 風力機機械轉矩之間的關系，模擬直驅永磁風電機組的風力機吸收風功率過程，構建所述 風力機模型，根據所述風力機模型計算風力機機械轉矩；
[0044]所述三階雙質塊軸系模型構建子模塊，具體用于根據風力機轉速、發電機轉速、所 述風力機機械轉矩以及發電機電磁轉矩之間的關系，模擬所述直驅永磁風電機組的風力機 機械轉矩和發電機電磁轉矩的能量傳遞關系，構建所述三階雙質塊軸系模型，根據所述三 階雙質塊軸系模型，計算風力機轉速和發電機轉速；
[0045]所述二階槳距角控制模型構建子模塊，具體用于根據所述發電機轉速與槳距角的 關系，模擬直驅永磁風電機組的槳距角控制和伺服環節，構建所述二階槳距角控制模型，根 據所述二階槳距角控制模型計算槳距角；
[0046 ]所述第 階控制模型構建子模塊，具體用于根據所述發電機轉速與發電機電流 的關系，模擬發電機轉速控制，構建所述發電機、機側變流器及控制所述發電機和機側變流 器的控制系統的第一一階控制模型，根據所述第一一階控制模型計算發電機電磁轉矩和機 側變流器功率；
[0047]所述一階直流電容模型構建子模塊，具體用于根據變流器直流電容電壓、所述網 側變流器功率和所述機側變流器功率的關系，構建所述一階直流電容模型，根據所述一階 直流電容模型，計算變流器直流電容電壓；
[0048] 所述第二一階控制模型構建子模塊，具體用于根據所述變流器直流電容電壓與風 電機組有功電流的關系，模擬直驅永磁風電機組的直流電容電壓控制，構建所述網側變流 器及所述網側變流器的控制系統的第二一階