風電機組偏航系統(tǒng)與變槳系統(tǒng)精細化實時仿真平臺和方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及風力發(fā)電中的變槳系統(tǒng)和偏航系統(tǒng)，具體地，涉及一種風電機組偏航 系統(tǒng)與變槳系統(tǒng)的精細化仿真平臺和方法，尤其是一種基于RTDS與Bladed的風電機組偏航 系統(tǒng)與變槳系統(tǒng)的精細化仿真平臺和方法。
【背景技術】
[0002] 變槳系統(tǒng)和偏航系統(tǒng)是大型風電機組的重要裝置，對風電機組的發(fā)電優(yōu)化、機組 安全運行均起到至關重要的作用，因此對變槳系統(tǒng)與偏航系統(tǒng)的研究是十分重要的。但是 在風電機組上直接進行實驗測試成本高，且大部分研究者不具備相關實驗條件。
[0003] 現(xiàn)有學術研究中通常將變槳系統(tǒng)簡化為變槳指令的一階滯后環(huán)節(jié)。事實上變槳系 統(tǒng)包含變槳控制、變槳電機驅動控制、變槳電機及其變頻器、變槳執(zhí)行機構等部分，簡化的 變槳系統(tǒng)模型無法逼真模擬變槳系統(tǒng)的全動態(tài)及其與風電機組整機的交互。
[0004] 現(xiàn)有學術研究中通常認為風輪始終正對風向而忽略偏航系統(tǒng)，或用給定的偏航速 率模擬偏航系統(tǒng)。事實上偏航系統(tǒng)包含偏航控制、偏航電機驅動控制、偏航電機及其變頻 器、偏航執(zhí)行機構等部分，簡化的偏航系統(tǒng)模型無法逼真模擬偏航系統(tǒng)的全動態(tài)及其與風 電機組整機的交互。
[0005] 目前尚且沒有能詳細考慮變槳動態(tài)和偏航動態(tài)的風電機組整機精細化模型。
[0006] 國內已有整機廠商構建了變槳系統(tǒng)的拖動實驗平臺，對變槳控制系統(tǒng)進行測試。 但是變槳拖動平臺功能單一，不同機組機械參數(shù)不一致導致槳葉繞變槳軸線的轉動慣量各 異，因此應用于不同機組時存在改造難度大的缺陷。另外變槳系統(tǒng)的實際響應與變槳負載 緊密聯(lián)系，而變槳負載模擬難度也較大。
[0007] 已有專利CN102354125B提出了采用Bladed和RTDS構建風電機組低電壓穿越綜合 模擬系統(tǒng)的方法，但是該專利并未說明Bladed與RTDS之間如何同步的實時運行以及如何通 信構建完整系統(tǒng)，也并未提及滿足精細化要求的偏航系統(tǒng)和變槳系統(tǒng)的構建方法。
[0008] 作為與本發(fā)明最相近的方案，中國專利CN102749853A公開了一種基于dSPACE的風 電機組整機控制半實物仿真平臺，該平臺包括外部信號模擬部分、電機對拖平臺部分、網側 變流器及電網模擬部分、偏航系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)和主控系統(tǒng)，所述外部信號模擬部分、電機對 拖平臺部分、網側變流器及電網模擬部分、偏航系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)通過風機控制總線與所述主 控系統(tǒng)連接。該實驗平臺能夠模擬環(huán)境、電網的變化、風輪機輸出特性、變流和控制系統(tǒng)及 偏航、變槳等其它關鍵零部件模型，可以模擬風力發(fā)電機組在不同環(huán)境和條件下的運行情 況。
[0009] 上述CN 102749853 A中，實質是實現(xiàn)了小功率樣機的實物對拖平臺，無法作為大 型風電機組的鏡像模型。風電機組氣動模型與大部分其他模型直接關聯(lián)，該發(fā)明中氣動模 型通過dSPACE實現(xiàn)，精確程度不夠，其提供的偏航負載力矩和變槳復負載力矩準確度欠佳， 且沒有柔性塔架、柔性槳葉等機械部分模型。
【發(fā)明內容】
[0010]針對現(xiàn)有技術中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種風電機組偏航系統(tǒng)與變槳系統(tǒng) 的精細化仿真平臺和方法，詳細考慮變槳動態(tài)和偏航動態(tài)的風電機組整機模型，能很好的 滿足變槳系統(tǒng)和偏航系統(tǒng)的研究需要，精確程度提高。
[0011]根據本發(fā)明的第一方面，提供一種風電機組偏航系統(tǒng)與變槳系統(tǒng)的精細化實時仿 真方法，所述方法具體為：
[0012]在GH Bladed軟件中建立風電機組的風模型、機械部分模型、氣動模型及偏航執(zhí)行 機構；
[0013]在RTDS中建立風電機組的電氣部分模型、變槳系統(tǒng)模型、偏航系統(tǒng)電氣及控制部 分模型、風機主控單元；
[0014] 所述變槳系統(tǒng)模型包括:變槳控制單元、變槳電機及變頻器主電路、變槳執(zhí)行機 構，這些部分均建立在RTDS中，但變槳執(zhí)行機構所需的變槳負載力矩由GH Bladed軟件提 供，所述偏航系統(tǒng)電氣及控制部分模型包括偏航控制單元、偏航電機及變頻器主電路；
[0015] 所述的GH Bladed軟件與RTDS之間通過通信PLC進行實時的變量交互和通信，實現(xiàn) 完整的實時閉環(huán)仿真。
[0016] 進一步的，所述仿真實現(xiàn)過程中，數(shù)據實時傳遞，其中最基本的數(shù)據流向形成3條 閉環(huán)，分別為：
[0017]第1條:GH Bladed軟件中的發(fā)電機實時轉速〇^通過通信PLC傳遞給RTDS后直接作 為RTDS中發(fā)電機的轉速輸入，RTDS中發(fā)電機實時轉矩仏通過通信PLC傳遞給GH Bladed軟件 直接作為GH Bladed軟件中當前的發(fā)電機轉矩，形成第1條閉環(huán)；
[0018]第2條:Bladed輸出的偏航誤差通過PLC傳遞給RTDS，經過風機主控單元控制算法 后，作為偏航系統(tǒng)電氣及控制部分模型的偏航指令，RTDS中偏航系統(tǒng)電氣及控制部分模型 輸出的偏航電機轉矩通過通信PLC傳遞給GH Bladed軟件直接作為GH Bladed軟件中當前的 偏航作動器轉矩，形成第2條閉環(huán)；
[0019 ] 第3條:RTDS經由通信PLC接收槳葉當前槳距角，同時通過通信PLC為RTDS提供當前 的變槳負載力矩，形成第3條閉環(huán);特別說明的是，如果采用獨立變槳系統(tǒng)，第3條閉環(huán)則拆 分為3個獨立的閉環(huán)。
[0020] 進一步的，所述GH Bladed軟件包括主計算模塊和硬件測試模塊(GH Hardware Test模塊），其中硬件測試模塊是用于外部測試的配套模塊，二者之間的通信接口由Bladed 開發(fā)提供，在計算機性能足夠的條件下GH Bladed軟件內置的硬件測試模塊可以保證GH Bladed軟件實時運行。
[0021]進一步的，所述計算機與通信PLC之間采用基于TCP/IP的雙向數(shù)據通信，其中由GH Bladed軟件流向通信PLC的變量包括:風速信號、偏航誤差、發(fā)電機轉速信號、發(fā)電機功率信 號、槳葉的變槳負載力矩、機艙軸線與正北方向夾角；由通信PLC流向GH Bladed軟件的變量 包括:槳葉的槳距角、發(fā)電機的電磁轉矩和偏航作動器轉矩。
[0022]進一步的，所述RTDS中的偏航電機以機械轉速作為輸入，其機械轉速通過以下方 式間接獲得:RTDS接收輸入的機艙與正北方向的夾角信號，實測機艙與正北方向的夾角求 微分后乘以偏航變速裝置的變比Ngby得到偏航電機轉速。因 Bladed軟件不直接對外提供偏 航電機轉速，此處本發(fā)明采用偏航電機轉速的間接獲取方法，對于整體系統(tǒng)的構建具有重 要作用。
[0023]進一步的，所述RTDS流向通信PLC的模擬通信變量，包括:槳葉的槳距角、發(fā)電機的 電磁轉矩和偏航作動器轉矩。
[0024]進一步的，所述通信PLC流向RTDS的模擬通信變量，包括:風速信號、偏航誤差、發(fā) 電機轉速信號、發(fā)電機功率信號、槳葉的變槳負載力矩、機艙軸線與正北方向夾角。
[0025]進一步的，所述RTDS中電氣部分模型包括發(fā)電機（以轉速作為外輸入）、變流器及 其保護電路、變流器控制單元、機組升壓變壓器、線路、風場升壓變壓器、故障模擬電路以及 電網；其中，所述發(fā)電機和變流器拓撲根據機組類型選取;所述故障模擬電路位于升壓變低 壓母線上，用于模擬故障發(fā)生進行低電壓穿越測試;所述發(fā)電機、變流器、網側濾波器及機 組升壓變壓器建立在小步長模型中，所述線路、風場升壓變壓器、故障模擬電路、電網建立 在大步長模型中。
[0026] 進一步的，所述RTDS中風機主控單元，實現(xiàn)以下功能：1.控制機組的啟動、并網、停 機;2.機組的偏航對風及解纜控制;3.按上級功率指令方式或機組最大功率跟蹤方式，分別 為變流器和變槳系統(tǒng)發(fā)送功率指令(包括有功、無功)和槳距角指令，控制機組變速變槳運 行;4.機組監(jiān)測與保護;5.機組故障診斷與智能維護。本發(fā)明中的風機主控單元接收輸入的 發(fā)電機轉速、電功率及偏航誤差信號，通過主控算法為所述RTDS中變流器控制單元提供轉 矩及無功指令，為變槳系統(tǒng)提供槳距角指令，為偏航系統(tǒng)提供偏航指令。特別的，對于獨立 變槳系統(tǒng)，風機主控單元提供各個槳葉獨立的槳距角指令。
[0027] 進一步的，根據主流機組采用的變槳方案，所述變槳系統(tǒng)模型可分為統(tǒng)一變槳系 統(tǒng)模型和獨立變槳系統(tǒng)模型。統(tǒng)一變槳系統(tǒng)模型中三個槳葉共用一套變槳執(zhí)行機構，此時 的變槳負載為3個槳葉的變槳負載力矩之和;獨立變槳系統(tǒng)模型中各個槳葉由獨立的變槳 執(zhí)行機構驅動。<