本發(fā)明涉及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真領(lǐng)域，具體涉及一種微電網(wǎng)半實(shí)物仿真系統(tǒng)及風(fēng)力發(fā)電機(jī)閉環(huán)控制方法。

背景技術(shù)：

針對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方式主要包括三種：軟件模擬實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)是最能反映真實(shí)工況的一種條件，獲得的數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，但實(shí)施成本高、難度大，不適合用于風(fēng)電系統(tǒng)的科學(xué)研究中。因而多采用軟件模擬或軟件與半實(shí)物結(jié)合的模擬方式。

完整的風(fēng)電模擬系統(tǒng)包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)的實(shí)時(shí)仿真部分、機(jī)電隨動(dòng)部分和相應(yīng)的模擬策略。習(xí)知技術(shù)如目前的風(fēng)電系統(tǒng)仿真平臺(tái)中，多使用模擬軟件建模的方法進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組測(cè)試。在此基礎(chǔ)中，根據(jù)自回歸模型進(jìn)行風(fēng)速建模，采用曲線擬合建立風(fēng)力發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。

目前針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的仿真方法通常采用模擬軟件對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)及負(fù)載等組成部分分別建模，風(fēng)電機(jī)組的參數(shù)均通過理想模型推導(dǎo)得出，不能完全與實(shí)際風(fēng)力環(huán)境下的狀態(tài)相符。此外，由于風(fēng)電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)采用軟件模擬，無法準(zhǔn)確反映摩擦系數(shù)、慣量等影響因素的存在，發(fā)電機(jī)實(shí)際功率、轉(zhuǎn)矩等數(shù)值會(huì)與真實(shí)情況存在偏差；且實(shí)施成本高、難度大，此外，由于外界環(huán)境的不穩(wěn)定，容易造成安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)不適合用于風(fēng)電系統(tǒng)的科學(xué)研究中。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明提供一種微電網(wǎng)半實(shí)物仿真系統(tǒng)及風(fēng)力發(fā)電機(jī)閉環(huán)控制方法，更貼近實(shí)際情況的風(fēng)力發(fā)電半實(shí)物仿真系統(tǒng)，減小模擬過程中產(chǎn)生的誤差，且能夠模擬多變的風(fēng)力環(huán)境，同時(shí)增加了仿真系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案：

一方面，本發(fā)明提供了一種微電網(wǎng)半實(shí)物仿真系統(tǒng)，包括：依次連接的輸入?yún)?shù)控制模塊、風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真模塊及并網(wǎng)模塊；

所述輸入?yún)?shù)控制模塊，用于將模擬得到的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸入?yún)?shù)發(fā)送至所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真模塊；

所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真模塊，用于根據(jù)接收的所述輸入?yún)?shù)進(jìn)行仿真運(yùn)行；

所述并網(wǎng)模塊，用于控制所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真模塊接入微電網(wǎng)模擬源及本地電網(wǎng)。

進(jìn)一步的，所述輸入?yún)?shù)控制模塊包括：風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)時(shí)模擬器、直流電機(jī)控制器及供電電源；

所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)時(shí)模擬器用于根據(jù)風(fēng)力電動(dòng)機(jī)的輸出參數(shù)，采用風(fēng)力發(fā)電機(jī)閉環(huán)控制方法獲取所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸入?yún)?shù)，并將所述輸入?yún)?shù)發(fā)送至直流電機(jī)控制器；

所述直流電機(jī)控制器根據(jù)所述輸入?yún)?shù)控制所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真模塊進(jìn)行仿真運(yùn)行；

所述供電電源分別連接所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)時(shí)模擬器及直流電機(jī)控制器；

其中，所述輸出參數(shù)包括不同的風(fēng)力環(huán)境、風(fēng)力電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速；所述輸入?yún)?shù)包括電樞電流和轉(zhuǎn)速。

進(jìn)一步的，所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真模塊包括：依次連接的直流電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及發(fā)電機(jī)；

所述直流電動(dòng)機(jī)與所述直流電機(jī)控制器通信連接，且根據(jù)所述直流電機(jī)控制器發(fā)送的輸入?yún)?shù)模擬所述風(fēng)力電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行，使得所述直流電動(dòng)機(jī)的輸出功率和輸出轉(zhuǎn)矩與所述風(fēng)力電動(dòng)機(jī)相同；

所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的兩側(cè)分別連接所述直流電動(dòng)機(jī)及發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)端；

所述發(fā)電機(jī)根據(jù)所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與直流電動(dòng)機(jī)的同步運(yùn)行產(chǎn)生幅值和頻率變化的交流電，并將該幅值和頻率變化的交流電傳輸至所述并網(wǎng)模塊。

進(jìn)一步的，所述直流電動(dòng)機(jī)上設(shè)有速度傳感器，且所述速度傳感器與所述直流電機(jī)控制器通信連接，將所述直流電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)的速度和加速度發(fā)送至所述直流電機(jī)控制器。

進(jìn)一步的，所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為齒輪箱，且所述齒輪箱將所述直流電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)作傳遞給所述發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)端。

進(jìn)一步的，所述并網(wǎng)模塊包括：分別連接至電網(wǎng)的逆變器、微電網(wǎng)實(shí)時(shí)模擬器、發(fā)電機(jī)控制器及RLC防孤島負(fù)載；

所述逆變器的一端與發(fā)電機(jī)的輸出端連接，另一端分別連接所述微電網(wǎng)實(shí)時(shí)模擬器，且所述逆變器將接收的幅值和頻率變化的交流電通過變流系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為直流電能，再將所述直流電能轉(zhuǎn)換為與本地電網(wǎng)同頻率且同相位的正弦波電流，并輸入本地電網(wǎng)；

所述發(fā)電機(jī)控制器與所述發(fā)電機(jī)通信連接；

所述微電網(wǎng)實(shí)時(shí)模擬器用于設(shè)置電網(wǎng)變化參數(shù)；

所述RLC防孤島負(fù)載的孤島模式為主動(dòng)防孤島和被動(dòng)防孤島相結(jié)合的模式；

其中，所述電網(wǎng)變化參數(shù)包括：頻率漂移及電壓突變參數(shù)。

進(jìn)一步的，所述直流電動(dòng)機(jī)為無刷直流電機(jī)BLDCM。

另一方面，本發(fā)明提供了一種基于所述的系統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)閉環(huán)控制方法，包括：

步驟1.所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)時(shí)模擬器根據(jù)所述速度傳感器獲取直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速及預(yù)設(shè)的齒輪變速比，確定所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速；

步驟2.所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)根據(jù)所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速及預(yù)設(shè)風(fēng)速計(jì)算得到所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩；

步驟3.所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)時(shí)模擬器將所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩發(fā)送至所述直流電機(jī)控制器。

進(jìn)一步的，所述方法還包括：

步驟4.所述直流電機(jī)控制器根據(jù)所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)的電樞電壓，使得所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真模塊的輸出轉(zhuǎn)矩與風(fēng)力發(fā)電機(jī)的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩相同。

進(jìn)一步的，所述步驟1之前還包括：

步驟0.根據(jù)所述直流電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)、相電流與轉(zhuǎn)速，確定所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩反饋值；

其中，所述相電流根據(jù)設(shè)置在所述直流電動(dòng)機(jī)上的相電流傳感器與轉(zhuǎn)速傳感器獲取，所述反電動(dòng)勢(shì)根據(jù)設(shè)置在所述直流電動(dòng)機(jī)上的滑膜觀測(cè)器獲取。

由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明所述的一種微電網(wǎng)半實(shí)物仿真系統(tǒng)，包括用于將模擬得到的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸入?yún)?shù)發(fā)送至風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真模塊的輸入?yún)?shù)控制模塊、用于根據(jù)接收的輸入?yún)?shù)進(jìn)行仿真運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真模塊，以及用于控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真模塊接入微電網(wǎng)模擬源及本地電網(wǎng)的并網(wǎng)模塊。本發(fā)明更貼近實(shí)際情況的風(fēng)力發(fā)電半實(shí)物仿真系統(tǒng)，減小模擬過程中產(chǎn)生的誤差，且能夠模擬多變的風(fēng)力環(huán)境，同時(shí)增加了仿真系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發(fā)明實(shí)施例一中的一種微電網(wǎng)半實(shí)物仿真系統(tǒng)的一種具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例二中輸入?yún)?shù)控制模塊10的一種具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例三中風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真模塊20的一種具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例四中并網(wǎng)模塊30的一種具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明實(shí)施例五中的風(fēng)力發(fā)電機(jī)閉環(huán)控制方法的一種具體實(shí)施例的流程示意圖；

圖6是本發(fā)明具體應(yīng)用例中的一種微電網(wǎng)半實(shí)物仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7是本發(fā)明具體應(yīng)用例中的電機(jī)轉(zhuǎn)矩T與氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩T關(guān)系示意圖；

圖8是本發(fā)明具體應(yīng)用例中的模擬電機(jī)轉(zhuǎn)矩與氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩關(guān)系示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本發(fā)明實(shí)施例一提供了一種微電網(wǎng)半實(shí)物仿真系統(tǒng)的一種具體實(shí)施方式。參見圖1，該仿真系統(tǒng)具體包括如下內(nèi)容：

依次連接的輸入?yún)?shù)控制模塊10、風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真模塊20及并網(wǎng)模塊30。

所述輸入?yún)?shù)控制模塊10，用于將模擬得到的風(fēng)力發(fā)電機(jī)23的輸入?yún)?shù)發(fā)送至所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真模塊20。

在輸入?yún)?shù)控制模塊10中，用風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)時(shí)模擬器11設(shè)定不同的風(fēng)力環(huán)境，根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)23的輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速特性，采用轉(zhuǎn)矩閉環(huán)模擬策略，控制無刷直流電動(dòng)機(jī)21BLDCM與風(fēng)力發(fā)電機(jī)23輸出相同。

所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真模塊20，用于根據(jù)接收的所述輸入?yún)?shù)進(jìn)行仿真運(yùn)行。

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真模塊20中，直流電動(dòng)機(jī)21通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)22驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)23，復(fù)現(xiàn)實(shí)際環(huán)境中風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。

所述并網(wǎng)模塊30，用于控制所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真模塊20接入微電網(wǎng)模擬源及本地電網(wǎng)。

在并網(wǎng)模塊30中，并網(wǎng)的部分使用虛擬的微電網(wǎng)仿真系統(tǒng)，通過逆變器31將風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)接入微電網(wǎng)模擬源，再連接至本地電網(wǎng)，評(píng)測(cè)風(fēng)電機(jī)在微電網(wǎng)中的運(yùn)行的穩(wěn)定性。

從上述描述可知，本發(fā)明的實(shí)施例減小模擬過程中產(chǎn)生的誤差。適合模擬多變的風(fēng)力環(huán)境，是一種高效可行的新型技術(shù)方案。

本發(fā)明實(shí)施例二提供了上述仿真系統(tǒng)中輸入?yún)?shù)控制模塊10的一種具體實(shí)施方式。參見圖2，該輸入?yún)?shù)控制模塊10具體包括如下內(nèi)容：

風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)時(shí)模擬器11、直流電機(jī)控制器12及供電電源13。

所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)時(shí)模擬器11用于根據(jù)風(fēng)力電動(dòng)機(jī)的輸出參數(shù)，采用風(fēng)力發(fā)電機(jī)閉環(huán)控制方法獲取所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)23的輸入?yún)?shù)，并將所述輸入?yún)?shù)發(fā)送至直流電機(jī)控制器12。

所述直流電機(jī)控制器12根據(jù)所述輸入?yún)?shù)控制所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真模塊20進(jìn)行仿真運(yùn)行。

所述供電電源13分別連接所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)時(shí)模擬器11及直流電機(jī)控制器12；其中，所述輸出參數(shù)包括不同的風(fēng)力環(huán)境、風(fēng)力電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速；所述輸入?yún)?shù)包括電樞電流和轉(zhuǎn)速。

從上述描述可知，本發(fā)明的實(shí)施例實(shí)現(xiàn)了使用風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)時(shí)模擬器設(shè)定不同的風(fēng)力環(huán)境，根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速特性，采用轉(zhuǎn)矩閉環(huán)模擬策略，控制無刷直流電動(dòng)機(jī)BLDCM與風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出相同。

本發(fā)明實(shí)施例三提供了上述仿真系統(tǒng)中風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真模塊20的一種具體實(shí)施方式。參見圖3，該風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真模塊20具體包括如下內(nèi)容：

依次連接的直流電動(dòng)機(jī)21、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)22及發(fā)電機(jī)23；

直流電動(dòng)機(jī)21上設(shè)有速度傳感器24，且所述速度傳感器24與所述直流電機(jī)控制器12通信連接，將所述直流電動(dòng)機(jī)21在運(yùn)行時(shí)的速度和加速度發(fā)送至所述直流電機(jī)控制器12，其中的直流電動(dòng)機(jī)21為無刷直流電機(jī)BLDCM。

所述直流電動(dòng)機(jī)21與所述直流電機(jī)控制器12通信連接，且根據(jù)所述直流電機(jī)控制器12發(fā)送的輸入?yún)?shù)模擬所述風(fēng)力電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行，使得所述直流電動(dòng)機(jī)21的輸出功率和輸出轉(zhuǎn)矩與所述風(fēng)力電動(dòng)機(jī)相同。

所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)22的兩側(cè)分別連接所述直流電動(dòng)機(jī)21及發(fā)電機(jī)23的轉(zhuǎn)動(dòng)端；且所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)22為齒輪箱，且所述齒輪箱將所述直流電動(dòng)機(jī)21產(chǎn)生的動(dòng)作傳遞給所述發(fā)電機(jī)23的轉(zhuǎn)動(dòng)端。

所述發(fā)電機(jī)23根據(jù)所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)22與直流電動(dòng)機(jī)21的同步運(yùn)行產(chǎn)生幅值和頻率變化的交流電，并將該幅值和頻率變化的交流電傳輸至所述并網(wǎng)模塊30。

從上述描述可知，本發(fā)明的實(shí)施例中的無刷直流電機(jī)具有易于控制的優(yōu)點(diǎn)和較寬的變速恒頻運(yùn)行范圍，利用無刷直流電機(jī)模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)，是一種高效可行的新型技術(shù)方案。

本發(fā)明實(shí)施例四提供了上述仿真系統(tǒng)中并網(wǎng)模塊30的一種具體實(shí)施方式。參見圖4，該并網(wǎng)模塊30具體包括如下內(nèi)容：

分別連接至電網(wǎng)的逆變器31、微電網(wǎng)實(shí)時(shí)模擬器32、發(fā)電機(jī)控制器33及RLC防孤島負(fù)載34。

所述逆變器31的一端與發(fā)電機(jī)23的輸出端連接，另一端分別連接所述微電網(wǎng)實(shí)時(shí)模擬器32，且所述逆變器31將接收的幅值和頻率變化的交流電通過變流系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為直流電能，再將所述直流電能轉(zhuǎn)換為與本地電網(wǎng)同頻率且同相位的正弦波電流，并輸入本地電網(wǎng)。

所述發(fā)電機(jī)控制器33與所述發(fā)電機(jī)23通信連接。

所述微電網(wǎng)實(shí)時(shí)模擬器32用于設(shè)置電網(wǎng)變化參數(shù)。

所述RLC防孤島負(fù)載34的孤島模式為主動(dòng)防孤島和被動(dòng)防孤島相結(jié)合的模式。其中，所述電網(wǎng)變化參數(shù)包括：頻率漂移及電壓突變參數(shù)。

從上述描述可知，本發(fā)明的實(shí)施例不再與單負(fù)載連接，而是通過逆變器和大功率的微電網(wǎng)實(shí)時(shí)模擬器將其并入電網(wǎng)，利用可受控的負(fù)載轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)，不僅可以完成最基本的靜態(tài)特性觀測(cè)，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于風(fēng)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化特性的觀測(cè)。

本發(fā)明實(shí)施例五提供了上述仿真系統(tǒng)中風(fēng)力發(fā)電機(jī)閉環(huán)控制方法的一種具體實(shí)施方式。參見圖5，該風(fēng)力發(fā)電機(jī)閉環(huán)控制方法具體包括如下內(nèi)容：

步驟000：根據(jù)所述直流電動(dòng)機(jī)21的反電動(dòng)勢(shì)、相電流與轉(zhuǎn)速，確定所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)23的電磁轉(zhuǎn)矩反饋值。

在步驟000中，所述相電流根據(jù)設(shè)置在所述直流電動(dòng)機(jī)21上的相電流傳感器與轉(zhuǎn)速傳感器獲取，所述反電動(dòng)勢(shì)根據(jù)設(shè)置在所述直流電動(dòng)機(jī)21上的滑膜觀測(cè)器獲取。

步驟100：所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)時(shí)模擬器11根據(jù)所述速度傳感器獲取直流電動(dòng)機(jī)21的轉(zhuǎn)速及預(yù)設(shè)的齒輪變速比，確定所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)23的轉(zhuǎn)速。

步驟200：所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)23根據(jù)所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)23的轉(zhuǎn)速及預(yù)設(shè)風(fēng)速計(jì)算得到所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)23的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

步驟300：所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)時(shí)模擬器11將所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)23的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩發(fā)送至所述直流電機(jī)控制器12。

步驟400：所述直流電機(jī)控制器12根據(jù)所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)23的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)21的電樞電壓，使得所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真模塊20的輸出轉(zhuǎn)矩與風(fēng)力發(fā)電機(jī)23的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩相同。

從上述描述可知，本發(fā)明的實(shí)施例采用轉(zhuǎn)矩閉環(huán)模擬策略，使得無刷直流電動(dòng)機(jī)BLDCM與風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出相同。

為更進(jìn)一步的說明本方案，本發(fā)明還提供一種微電網(wǎng)半實(shí)物仿真系統(tǒng)的具體應(yīng)用例，系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)參見圖6，該仿真系統(tǒng)的具體應(yīng)用例包括如下內(nèi)容：

仿真系統(tǒng)包括三大部分：輸入?yún)?shù)控制模塊、風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真模塊和并網(wǎng)模塊。具體的設(shè)備有：風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)時(shí)模擬器、無刷直流電機(jī)BLDCM控制器和發(fā)電機(jī)的控制器，大功率回饋型電網(wǎng)模擬源、風(fēng)電機(jī)并網(wǎng)逆變器，RLC防孤島負(fù)載。以及均為實(shí)物的直流電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及發(fā)電機(jī)。

使用風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)時(shí)模擬器設(shè)定不同的風(fēng)力環(huán)境，根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速特性，采用轉(zhuǎn)矩閉環(huán)模擬策略，控制無刷直流電動(dòng)機(jī)BLDCM與風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出相同。直流電動(dòng)機(jī)通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，復(fù)現(xiàn)實(shí)際環(huán)境中風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。并網(wǎng)的部分使用虛擬的微電網(wǎng)仿真系統(tǒng)，通過逆變器將風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)接入微電網(wǎng)模擬源，再連接至本地電網(wǎng)，評(píng)測(cè)風(fēng)電機(jī)在微電網(wǎng)中的運(yùn)行的穩(wěn)定性。

采取以下的技術(shù)方案進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)：

電源與控制器之間通過電纜連接?？刂破髋c控制電機(jī)之間通過電纜連接。發(fā)電機(jī)與逆變器之間通過電纜連接。發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)模擬源之間通過電纜連接。實(shí)時(shí)仿真部分與發(fā)電機(jī)控制器采用串口通信。實(shí)時(shí)仿真部分與直流電機(jī)控制器采用CAN通信。

直流電機(jī)BLDCM控制器與發(fā)電機(jī)控制器可以采用ABB公司的變頻器ACS800，實(shí)時(shí)仿真器可采用NI公司的PXIe-8133四核嵌入式控制器。

微電網(wǎng)實(shí)時(shí)模擬器和風(fēng)電機(jī)并網(wǎng)逆變器可采用西安愛科賽博電氣股份有限公司的產(chǎn)品。RLC防孤島負(fù)載可采用保定特創(chuàng)電力公司的TC-3087防孤島裝置。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)時(shí)模擬器采用風(fēng)力發(fā)電機(jī)氣動(dòng)模型對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)建模。引入葉尖速比λ和槳葉節(jié)距角β兩個(gè)量，以計(jì)算風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)。用風(fēng)能利用系數(shù)C_p表示風(fēng)力發(fā)電機(jī)吸收的風(fēng)能與經(jīng)過風(fēng)電機(jī)的風(fēng)能之比。氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩與風(fēng)力發(fā)電機(jī)吸收的風(fēng)能和風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)，公式為：

式中，R為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片半徑，n為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，v是風(fēng)速。采用曲線擬合的方法，建立C_p(λ，β)曲線，即可得知風(fēng)能利用系數(shù)的值。風(fēng)力發(fā)電機(jī)吸收的動(dòng)能可表示為：

P_w＝0.5ρS_tν³C_p；

式中S_t為風(fēng)力發(fā)電機(jī)掃掠面積，ρ為空氣密度。氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩可通過如下公式計(jì)算：

BLDCM直流電動(dòng)機(jī)通過轉(zhuǎn)矩追蹤模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行，保證直流電機(jī)的輸出功率和輸出轉(zhuǎn)矩與風(fēng)力發(fā)電機(jī)相同。直流電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和輸出功率可表示為：

所述的直流電動(dòng)機(jī)控制器，采用電樞電流I_a和轉(zhuǎn)速n作為兩個(gè)控制量。具體實(shí)現(xiàn)過程為：使用速度傳感器，反饋得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速，由電機(jī)轉(zhuǎn)速與給定的齒輪變速比，得到風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。設(shè)置風(fēng)力仿真條件，給定風(fēng)速、風(fēng)力發(fā)電機(jī)參數(shù)等，進(jìn)而計(jì)算葉尖速比λ，根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)求出氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩。通過調(diào)節(jié)電樞電壓U，改變電樞電流，使直流電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩T_e與風(fēng)力發(fā)電機(jī)氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩相同。

所述的直流電機(jī)控制器，通過調(diào)制占空比來實(shí)現(xiàn)電磁功率的調(diào)制。由于BLDCM存在換相，因而會(huì)有兩相導(dǎo)通和三相導(dǎo)通的形式。通常采用兩相導(dǎo)通。

前述的微電網(wǎng)半實(shí)物仿真系統(tǒng)，其中，所述的風(fēng)電機(jī)模擬部分采用轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制。實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制的前提是需要準(zhǔn)確獲得電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩反饋值，BLDCM的電磁轉(zhuǎn)矩通過反電動(dòng)勢(shì)、相電流與轉(zhuǎn)速求得，相電流與轉(zhuǎn)速用相應(yīng)的傳感器來檢測(cè)。

所述的風(fēng)電機(jī)模擬部分，反電動(dòng)勢(shì)的獲取是計(jì)算電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)鍵。采用的方法是滑膜觀測(cè)器，滑膜觀測(cè)器對(duì)系統(tǒng)的噪聲和擾動(dòng)有很強(qiáng)的抗性，可以較為精確地獲取反電動(dòng)勢(shì)。

所述的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)模擬部分，模擬靜態(tài)特性時(shí)，計(jì)算模擬電機(jī)與風(fēng)力發(fā)電機(jī)摩擦等損耗，使用兩種情況下的摩擦系數(shù)，對(duì)原有轉(zhuǎn)矩閉環(huán)模擬策略進(jìn)行修正。參見圖7，電機(jī)轉(zhuǎn)矩T_e與氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩T_M關(guān)系為：

T_e＝T_w'-(B_W'-B_M)ω

其中，T_W’和B_W’是氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩和風(fēng)力發(fā)電機(jī)摩擦系數(shù)折算到傳動(dòng)軸的值，B_M為模擬電機(jī)的摩擦系數(shù)。

所述的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)模擬部分，模擬動(dòng)態(tài)特性時(shí)，考慮風(fēng)速隨時(shí)間變化、或者負(fù)載發(fā)生變化的情況。參見圖8，模擬電機(jī)轉(zhuǎn)矩與氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩關(guān)系為：

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)模擬部分，模擬動(dòng)態(tài)特性時(shí)，除了轉(zhuǎn)速外，還需要反饋模擬電機(jī)的運(yùn)行加速度。當(dāng)風(fēng)速或負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)動(dòng)態(tài)的變化過程，產(chǎn)生加速度。通過速度傳感器和加速度傳感器實(shí)現(xiàn)速度和加速度的反饋，并對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制，可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的準(zhǔn)確模擬。

所述的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)模擬部分，采用齒輪箱提升發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。進(jìn)行更加貼近實(shí)際風(fēng)力系統(tǒng)的模擬。

所述的風(fēng)電機(jī)并網(wǎng)逆變器，將風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的幅值和頻率變化的交流電，通過變流系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為直流電，再將直流電能轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)同頻率、同相位的正弦波電流。通過以上先整流后逆變的過程，將風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的不穩(wěn)定電能轉(zhuǎn)化為高質(zhì)量的穩(wěn)定電能，饋入電網(wǎng)。

微電網(wǎng)實(shí)時(shí)模擬器，針對(duì)風(fēng)電機(jī)并網(wǎng)逆變器性能檢測(cè)而開發(fā)，提供電壓/頻率響應(yīng)特性、零/低電壓穿越模擬、電能質(zhì)量指標(biāo)模擬等功能。電源可模擬電網(wǎng)中頻率和電壓的一般性變化，并可模擬市電的電壓暫降、短時(shí)中斷、閃降、頻率漂移、三相電壓不平衡等。

所述的微電網(wǎng)實(shí)時(shí)模擬器，設(shè)置頻率漂移、電壓突變等電網(wǎng)的變化情況，以觀測(cè)電網(wǎng)負(fù)載改變情況下風(fēng)電機(jī)參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化過程，并將參數(shù)波形顯示于監(jiān)測(cè)器，方便進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。設(shè)備采用三相解耦設(shè)計(jì)，可分別調(diào)整各相位的電壓、頻率等參數(shù)狀態(tài)。

所述的RLC防孤島負(fù)載，是并網(wǎng)安全防護(hù)最重要的項(xiàng)目。通常采用主動(dòng)防孤島和被動(dòng)防孤島相結(jié)合的模式，實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)保護(hù)。

從上述描述可知，本發(fā)明以半實(shí)物仿真系統(tǒng)替代原有的全軟件仿真系統(tǒng)，使用實(shí)物的部分為：無刷直流電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和發(fā)電機(jī)。風(fēng)電機(jī)不再與單負(fù)載連接，而是通過逆變器和大功率的微電網(wǎng)實(shí)時(shí)模擬器將其并入電網(wǎng)，利用可受控的負(fù)載轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)，不僅可以完成最基本的靜態(tài)特性觀測(cè)，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于風(fēng)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化特性的觀測(cè)。已有的仿真系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)特性模擬時(shí)，只考慮輸入端的變化或只考慮負(fù)載端的變化。本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)輸入端與負(fù)載端的同步控制。風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)時(shí)模擬器作為輸入端，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的控制。微電網(wǎng)實(shí)時(shí)模擬器作為負(fù)載端，可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載變化情況的控制。

為更進(jìn)一步的說明本方案，本發(fā)明還提供一種應(yīng)用風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的半實(shí)物仿真系統(tǒng)的仿真方法的具體應(yīng)用例，該仿真方法的具體應(yīng)用例包括如下內(nèi)容：

S1：將風(fēng)力環(huán)境與風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型參數(shù)(包括風(fēng)速、空氣密度、風(fēng)力發(fā)電機(jī)物理參數(shù)等)輸入風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)時(shí)模擬器；

S2：設(shè)置風(fēng)電機(jī)并入微電網(wǎng)中的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，利用發(fā)電機(jī)控制器，控制電機(jī)使其與逆變器及微電網(wǎng)實(shí)時(shí)模擬器連接，利用本地電網(wǎng)供電，在給定的初始條件下穩(wěn)定運(yùn)行。

S3：風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)時(shí)模擬器根據(jù)風(fēng)力參數(shù)，以及傳感器測(cè)量的電機(jī)轉(zhuǎn)速，計(jì)算風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩，并顯示轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值；

S4：通過與風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)時(shí)模擬器之間的串口通信，直流電機(jī)控制器讀取轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值，對(duì)模擬電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制，使模擬電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與仿真的風(fēng)力發(fā)電機(jī)相同；

S5：通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，模擬電機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電的模擬；

S6：選擇風(fēng)電系統(tǒng)的模擬條件。靜態(tài)特性模擬執(zhí)行步驟B1，動(dòng)態(tài)特性模擬執(zhí)行步驟B2。

其中，B1：靜態(tài)特性模擬情況下風(fēng)電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。設(shè)置風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)時(shí)模擬器的參數(shù)，使風(fēng)速保持不變。同時(shí)設(shè)置微電網(wǎng)實(shí)時(shí)模擬器的參數(shù)，保持負(fù)載不變，通過傳感器的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩反饋曲線，觀察電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的變化過程。

B2：動(dòng)態(tài)特性模擬包括兩大方面。一方面是輸入端風(fēng)速波動(dòng)的模擬，執(zhí)行步驟C1。另一方面是負(fù)載端波動(dòng)的模擬，執(zhí)行步驟C2。

C1：在風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)時(shí)模擬器中，設(shè)置風(fēng)速變化的條件，例如令風(fēng)速從5m/s階躍至7m/s。同時(shí)控制微電網(wǎng)實(shí)時(shí)模擬器，保持負(fù)載轉(zhuǎn)矩恒定。通過傳感器的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩反饋曲線，觀察電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的變化過程。

C2：在微電網(wǎng)實(shí)時(shí)模擬器中，設(shè)置負(fù)載突變的條件，例如令電網(wǎng)單相電壓減半，或設(shè)置支路短路、斷路等故障情況。同時(shí)控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)時(shí)模擬器，保持風(fēng)速恒定。通過傳感器的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩反饋曲線，觀察電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的變化過程。

S1-S6為初始條件設(shè)置部分，利用預(yù)設(shè)好的風(fēng)力環(huán)境，模擬風(fēng)力發(fā)電的逐步啟動(dòng)過程。根據(jù)傳感器的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩反饋曲線，當(dāng)上述參數(shù)相對(duì)穩(wěn)定后，方可執(zhí)行后續(xù)步驟。

B1-B2為系統(tǒng)特性的選擇部分，引入穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)兩種特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種系統(tǒng)變化情況的觀測(cè)。

C1-C2為本技術(shù)方案的核心部分。即考慮動(dòng)態(tài)過程的模擬，對(duì)本實(shí)驗(yàn)的半實(shí)物仿真系統(tǒng)和已有軟件仿真系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比。設(shè)置風(fēng)速突變和負(fù)載突變兩種情況，理論值為實(shí)驗(yàn)條件下，實(shí)際風(fēng)機(jī)高速軸應(yīng)有的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，由風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)時(shí)模擬器計(jì)算得出。實(shí)驗(yàn)值為傳感器反饋的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速曲線。

對(duì)于負(fù)載保持穩(wěn)定，風(fēng)速突變的情況。由于機(jī)械慣性的存在，風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速不會(huì)發(fā)生明顯變化，此時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的突變是由風(fēng)速的突變引起。隨后機(jī)組轉(zhuǎn)速隨之變化，風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩逐漸與負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡，機(jī)組再次進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。

對(duì)于風(fēng)速保持穩(wěn)定，負(fù)載突變的情況。例如發(fā)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩突然增加，此時(shí)機(jī)組轉(zhuǎn)速緩慢降低，同時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩逐漸增加，直到與負(fù)載轉(zhuǎn)矩再次平衡。

從上述描述可知，本發(fā)明由于引入加速度反饋回路，模擬電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩收到加速度反饋的作用，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行修正，考慮了慣量引起的速度緩慢變化過程。無論突變風(fēng)速或突變負(fù)載，模擬系統(tǒng)結(jié)果都能較好地與實(shí)際理論值保持一致。有效地提升了軟件仿真系統(tǒng)的模擬準(zhǔn)確性。對(duì)于輸入端，可設(shè)定恒負(fù)載，風(fēng)速突變的情況，根據(jù)傳感器的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩反饋曲線，進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性觀測(cè)。對(duì)于負(fù)載端，可設(shè)定恒風(fēng)速，負(fù)載突變的情況，根據(jù)傳感器的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩反饋曲線，進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性觀測(cè)。對(duì)比傳統(tǒng)單負(fù)載的模擬系統(tǒng)，提供了更多負(fù)載端變化情況的模擬。包括電壓暫降、短時(shí)中斷、短路、頻率漂移、三相電壓不平衡等情況。實(shí)現(xiàn)更廣闊的并網(wǎng)故障狀況觀測(cè)，對(duì)風(fēng)電機(jī)在供電過程中的實(shí)際應(yīng)用有優(yōu)秀的參考性。

以上實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的精神和范圍。