本發(fā)明涉及風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的整機(jī)動(dòng)態(tài)建模方法。

背景技術(shù)：

風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視。風(fēng)力發(fā)電是利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組把風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，再把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的一種風(fēng)能利用方式?？紤]到成本、制造、運(yùn)輸及安裝的便利性，目前80％以上的大型兆瓦級(jí)風(fēng)力機(jī)80％以上采用雙饋異步發(fā)電機(jī)，然而，雙饋異步發(fā)電機(jī)的定子側(cè)與電網(wǎng)直接相連的結(jié)構(gòu)特性決定了雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)之間的相互影響較大，例如，電網(wǎng)擾動(dòng)，尤其是電網(wǎng)電壓跌落故障，極易損壞雙饋異步發(fā)電機(jī)的變流器，進(jìn)而危及風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行，同樣的，雙饋異步發(fā)電機(jī)的自身故障也會(huì)威脅到電網(wǎng)的正常運(yùn)行。

通過(guò)對(duì)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)械側(cè)和電氣側(cè)進(jìn)行建模分析是實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)安全、穩(wěn)定以及可靠運(yùn)行的重要手段。對(duì)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)械側(cè)進(jìn)行建模方法有葉素動(dòng)量方法、CFD(Computational Fluid Dynamics，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))法等，利用建立的機(jī)械側(cè)模型，求解風(fēng)輪的氣動(dòng)力數(shù)據(jù)，根據(jù)風(fēng)輪的氣動(dòng)力數(shù)據(jù)，分析雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行特性；對(duì)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的電氣側(cè)建模方法有低階模型法、高階模型法等，利用建立的電氣側(cè)模型模擬雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電氣側(cè)運(yùn)行工況。

由于葉素動(dòng)量方法的自身理論缺陷，需要大量經(jīng)驗(yàn)修正，存在較大誤差；利用CFD方法雖然能夠準(zhǔn)確求解各種工況下的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組氣動(dòng)性能，但計(jì)算量較大，不利于工程快速分析和求解。因此，工程上常采用查表的方式獲取機(jī)械側(cè)風(fēng)輪的氣動(dòng)力數(shù)據(jù)，并將所獲取數(shù)據(jù)供電氣側(cè)模型使用。但是，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)的相互作用是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，因此，應(yīng)用查表獲得的機(jī)械側(cè)數(shù)據(jù)不能夠?qū)︼L(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和電網(wǎng)電壓、頻率波動(dòng)引起的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)間相互作用產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)行為和暫態(tài)行為進(jìn)行模擬。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服相關(guān)技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的整機(jī)動(dòng)態(tài)建模方法。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的第一方面，提供一種雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的整機(jī)動(dòng)態(tài)建模方法，包括：

獲取風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中風(fēng)輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)和所述風(fēng)輪中葉片各截面翼型的升阻力氣動(dòng)數(shù)據(jù)；

根據(jù)所述結(jié)構(gòu)參數(shù)和所述升阻力氣動(dòng)數(shù)據(jù)，利用自由渦尾跡方法建立風(fēng)輪空氣動(dòng)力學(xué)子模型；

建立所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)械側(cè)子模型和電氣側(cè)子模型，其中，所述機(jī)械側(cè)子模型包括槳距角控制系統(tǒng)模塊子模型、齒輪傳動(dòng)鏈模塊子模型以及所述風(fēng)輪空氣動(dòng)力學(xué)子模型，所述電氣側(cè)子模型包括雙饋發(fā)電機(jī)模塊子模型和變流器及控制系統(tǒng)模塊子模型；

建立所述機(jī)械側(cè)子模型與所述電氣側(cè)子模型的數(shù)據(jù)傳輸通道；

利用所述數(shù)據(jù)傳輸通道對(duì)整機(jī)動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行耦合求解，其中，所述整機(jī)動(dòng)態(tài)模型包括所述機(jī)械側(cè)子模型和所述電氣側(cè)子模型。

優(yōu)選地，利用所述數(shù)據(jù)傳輸通道對(duì)所述整機(jī)動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行耦合求解包括：

將所述機(jī)械側(cè)子模型與所述電氣側(cè)子模型初始化；

將所述機(jī)械側(cè)子模型與所述電氣側(cè)子模型設(shè)置統(tǒng)一的物理時(shí)間步；

將動(dòng)態(tài)來(lái)流參數(shù)輸入到所述風(fēng)輪空氣動(dòng)力學(xué)子模型，在所述物理時(shí)間步內(nèi)對(duì)所述風(fēng)輪空氣動(dòng)力學(xué)子模型進(jìn)行迭代計(jì)算，得到所述風(fēng)輪的第一動(dòng)力參數(shù)；

通過(guò)所述數(shù)據(jù)傳輸通道將所述第一動(dòng)力參數(shù)依次傳輸至所述齒輪傳動(dòng)鏈模塊子模型和所述雙饋發(fā)電機(jī)模塊子模型；

根據(jù)所述第一動(dòng)力參數(shù)，控制所述雙饋發(fā)電機(jī)模塊子模型的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，在物理時(shí)間步內(nèi)，根據(jù)所述動(dòng)態(tài)來(lái)流參數(shù)、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，在所述物理時(shí)間步內(nèi)對(duì)所述雙饋發(fā)電機(jī)模塊子模型進(jìn)行迭代計(jì)算，得到風(fēng)輪槳距角，將所述風(fēng)輪槳距角、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速傳輸至所述風(fēng)輪空氣動(dòng)力學(xué)子模型；

所述風(fēng)輪空氣動(dòng)力學(xué)子模型根據(jù)所述風(fēng)輪槳距角、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速調(diào)整所述第一動(dòng)力參數(shù)。

優(yōu)選地，所述動(dòng)態(tài)來(lái)流參數(shù)包括風(fēng)速、湍流度、陣風(fēng)和風(fēng)廓線(xiàn)因子。

優(yōu)選地，將動(dòng)態(tài)來(lái)流參數(shù)輸入到所述風(fēng)輪空氣動(dòng)力學(xué)子模型之前，還包括：更新所述整機(jī)動(dòng)態(tài)模型接入電網(wǎng)的電網(wǎng)參數(shù)以及所述機(jī)械側(cè)子模型與所述電氣側(cè)子模型的物理時(shí)間步。

優(yōu)選地，所述電網(wǎng)參數(shù)包括所述整機(jī)動(dòng)態(tài)模型接入電網(wǎng)的電壓和電網(wǎng)頻率。

優(yōu)選地，利用所述數(shù)據(jù)傳輸通道對(duì)所述整機(jī)動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行耦合求解之前，還包括：

輸入恒定風(fēng)速參數(shù)到所述風(fēng)輪空氣動(dòng)力學(xué)子模型，其中，所述風(fēng)速參數(shù)取值范圍為3m/s～25m/s，所述風(fēng)速參數(shù)變化量為1m/s；

計(jì)算不同恒定風(fēng)速參數(shù)下的各子模型的參數(shù)，將所述子模型的參數(shù)保存為初始化數(shù)據(jù)庫(kù)。

優(yōu)選地，根據(jù)所述結(jié)構(gòu)參數(shù)和所述升阻力氣動(dòng)數(shù)據(jù)，利用自由渦尾跡方法建立風(fēng)輪空氣動(dòng)力學(xué)子模型，包括：

在葉片各截面翼型的1/4弦長(zhǎng)處布置升力線(xiàn)；

根據(jù)所述風(fēng)輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)，將所述升力線(xiàn)分成若干個(gè)附著渦線(xiàn)段；

根據(jù)所述升阻力氣動(dòng)數(shù)據(jù)計(jì)算所述附著渦線(xiàn)段的附著渦環(huán)量；

根據(jù)所述附著渦環(huán)量，建立風(fēng)輪空氣動(dòng)力學(xué)子模型。

優(yōu)選地，所述方法還包括：對(duì)所述風(fēng)輪空氣動(dòng)力學(xué)子模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)失速和三維修正。

優(yōu)選地，所述機(jī)械側(cè)子模型和電氣側(cè)子模型為4階模型。

優(yōu)選地，所述機(jī)械側(cè)子模型與所述電氣側(cè)子模型的參數(shù)均轉(zhuǎn)換到標(biāo)幺值。

本發(fā)明的實(shí)施例提供的技術(shù)方案可以包括以下有益效果：

本發(fā)明實(shí)施例提供的雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的整機(jī)動(dòng)態(tài)建模方法，通過(guò)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)械側(cè)和電氣側(cè)分別進(jìn)行高精度建模，建立風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪空氣動(dòng)力學(xué)子模型、槳距角控制系統(tǒng)模塊子模型、齒輪傳動(dòng)鏈模塊子模型、雙饋發(fā)電機(jī)模塊子模型和變流器及控制系統(tǒng)模塊子模型，對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行工況進(jìn)行模擬；通過(guò)建立數(shù)據(jù)傳輸通道，實(shí)現(xiàn)機(jī)械側(cè)子模型和電氣側(cè)子模型之間的數(shù)據(jù)傳遞，得到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的整機(jī)動(dòng)態(tài)模型；通過(guò)對(duì)整機(jī)動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行耦合求解，模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)間相互作用。本發(fā)明實(shí)施例提供的雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的整機(jī)動(dòng)態(tài)建模方法，利用自由渦尾跡方法建立的風(fēng)輪空氣動(dòng)力學(xué)子模型在較高葉尖速比條件下計(jì)算的風(fēng)輪氣動(dòng)力數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性高；建立的槳距角控制系統(tǒng)模塊子模型、齒輪傳動(dòng)鏈模塊子模型、雙饋發(fā)電機(jī)模塊子模型和變流器及控制系統(tǒng)模塊子模型均為高階子模型，精確度高；各子模型均采用模塊化處理，能夠根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)型及模擬試驗(yàn)結(jié)果對(duì)子模型進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。

應(yīng)當(dāng)理解的是，以上的一般描述和后文的細(xì)節(jié)描述僅是示例性和解釋性的，并不能限制本發(fā)明。

附圖說(shuō)明

此處的附圖被并入說(shuō)明書(shū)中并構(gòu)成本說(shuō)明書(shū)的一部分，示出了符合本發(fā)明的實(shí)施例，并與說(shuō)明書(shū)一起用于解釋本發(fā)明的原理。

為了更清楚地說(shuō)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(jiàn)地，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組整機(jī)動(dòng)態(tài)建模方法的流程示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種利用自由渦尾跡方法建立風(fēng)輪空氣動(dòng)力學(xué)子模型的流程示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種對(duì)整機(jī)動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行耦合求解的流程示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種整機(jī)動(dòng)態(tài)模型的耦合求解與數(shù)據(jù)傳遞的流程示意圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬時(shí)，有功功率模擬值與某1.5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)值的對(duì)比示意圖；

圖7為本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬時(shí)，風(fēng)能利用系數(shù)中的模擬值與某1.5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)值的對(duì)比示意圖；

圖8為本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬時(shí)，有功功率模擬值與VESTAS V-52機(jī)組的設(shè)計(jì)值的對(duì)比示意圖；

圖9為本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬時(shí)，無(wú)功功率模擬值與VESTAS V-52機(jī)組的設(shè)計(jì)值的對(duì)比示意圖；

圖4中，符號(hào)表示為：

1-風(fēng)輪，2-齒輪箱，3-發(fā)電機(jī)，4-變流器，41-轉(zhuǎn)子側(cè)變流器，42-網(wǎng)側(cè)變流器，5-第一變壓器，6-第二變壓器，7-電網(wǎng)，8-RC濾波器，9-控制系統(tǒng)。

具體實(shí)施方式

這里將詳細(xì)地對(duì)示例性實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明，其示例表示在附圖中。下面的描述涉及附圖時(shí)，除非另有表示，不同附圖中的相同數(shù)字表示相同或相似的要素。以下示例性實(shí)施例中所描述的實(shí)施方式并不代表與本發(fā)明相一致的所有實(shí)施方式。相反，它們僅是與如所附權(quán)利要求書(shū)中所詳述的、本發(fā)明的一些方面相一致的裝置和方法的例子。

圖1是根據(jù)一示例性實(shí)施例示出的一種雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組整機(jī)動(dòng)態(tài)建模方法的流程示意圖，具體包括如下步驟：

S110：獲取風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中風(fēng)輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)和風(fēng)輪中葉片各截面翼型的升阻力氣動(dòng)數(shù)據(jù)。

具體的，獲取的風(fēng)輪結(jié)構(gòu)參數(shù)包括風(fēng)輪中風(fēng)葉的葉片長(zhǎng)度、葉片錐角和仰角；獲取的升阻力氣動(dòng)數(shù)據(jù)包括葉片各截面翼型的360°全向二維升阻力氣動(dòng)數(shù)據(jù)，具體包括升力系數(shù)和阻力系數(shù)。

S120：根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)和升阻力氣動(dòng)數(shù)據(jù)，利用自由渦尾跡方法建立風(fēng)輪空氣動(dòng)力學(xué)子模型。

具體的，建立風(fēng)輪空氣動(dòng)力學(xué)子模型需要根據(jù)風(fēng)輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)和升阻力氣動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)輪氣動(dòng)力計(jì)算和非定常氣動(dòng)力計(jì)算，其中，在進(jìn)行風(fēng)輪氣動(dòng)力計(jì)算時(shí)，自由渦尾跡方法與現(xiàn)有葉素動(dòng)量方法相比，自由渦尾跡方法在較高葉尖速比條件下具有更高的計(jì)算準(zhǔn)確性，隨著大尺度風(fēng)輪在低風(fēng)速風(fēng)場(chǎng)的廣泛應(yīng)用，風(fēng)輪設(shè)計(jì)的葉尖速比已經(jīng)接近11，屬于較高葉尖速比條件，因此本發(fā)明實(shí)施例利用自由渦尾跡方法建立風(fēng)輪空氣動(dòng)力學(xué)子模型的精確性高；在進(jìn)行風(fēng)輪非定常氣動(dòng)力計(jì)算時(shí)，自由渦尾跡方法由于可以解出風(fēng)輪渦系非定常誘導(dǎo)速度，因此更接近物理實(shí)際，具有廣泛的計(jì)算適用范圍。

參見(jiàn)圖2，為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種利用自由渦尾跡方法建立風(fēng)輪空氣動(dòng)力學(xué)子模型的流程示意圖，具體包括以下步驟：

S210：在葉片各截面翼型的1/4弦長(zhǎng)處布置升力線(xiàn)。

具體的，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中風(fēng)輪葉片通常為對(duì)稱(chēng)翼型，對(duì)稱(chēng)翼型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組受到的阻力較小，但在小迎角下葉片的升力系數(shù)非常低，由于對(duì)稱(chēng)翼型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組壓力中心恒在離葉片前緣1/4弦長(zhǎng)處，因此，在葉片各截面翼型的1/4弦長(zhǎng)處布置升力線(xiàn)，可模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行工況。

S220：根據(jù)風(fēng)輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)，將升力線(xiàn)分成若干個(gè)附著渦線(xiàn)段。

具體的，根據(jù)風(fēng)輪中葉片的葉片長(zhǎng)度和幾何形狀，將升力線(xiàn)延翼展方向分為若干個(gè)附著渦線(xiàn)段。

S230：根據(jù)升阻力氣動(dòng)數(shù)據(jù)計(jì)算附著渦線(xiàn)段的附著渦環(huán)量；

具體的，附著渦環(huán)量的計(jì)算過(guò)程包括：首先，利用庫(kù)塔-儒可夫斯基定理構(gòu)建風(fēng)輪葉片的環(huán)量方程；然后，基于牛頓—萊弗遜方法求解環(huán)量方程的雅可比矩陣，迭代求解風(fēng)輪葉片的環(huán)量分布；最后，更新葉片攻角分布，并結(jié)合風(fēng)輪葉片二維翼型的升力系數(shù)計(jì)算新的環(huán)量方程，直至收斂。

S240：根據(jù)附著渦環(huán)量，建立風(fēng)輪空氣動(dòng)力學(xué)子模型。

本實(shí)施例中，采用自由渦尾跡方法建立風(fēng)輪的空氣動(dòng)力學(xué)模型后，在Microsoft Visual Studio環(huán)境下采用Fortran語(yǔ)言開(kāi)發(fā)風(fēng)輪的空氣動(dòng)力學(xué)模型的求解代碼。

進(jìn)一步的，建立風(fēng)輪的空氣動(dòng)力學(xué)模型后，可對(duì)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)失速和三維修正，其中，動(dòng)態(tài)失速修正過(guò)程包括：采用Beddoes—Leishman動(dòng)態(tài)失速修正模型，基于風(fēng)輪葉片的二維翼型定常氣動(dòng)數(shù)據(jù)、預(yù)測(cè)風(fēng)輪葉片的二維翼型的非定常氣動(dòng)力；三維修正過(guò)程包括：采用Du—Selig三維失速延遲模型，分析風(fēng)輪中的葉片在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，葉片三維邊界層在Coriolis力作用下的分離推遲效應(yīng)。

S130：建立風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)械側(cè)子模型和電氣側(cè)子模型，其中，機(jī)械側(cè)子模型包括槳距角控制系統(tǒng)模塊子模型、齒輪傳動(dòng)鏈模塊子模型以及風(fēng)輪空氣動(dòng)力學(xué)子模型，電氣側(cè)子模型包括雙饋發(fā)電機(jī)模塊子模型和變流器及控制系統(tǒng)模塊子模型。

具體的，在Matlab/Simulink環(huán)境下將搭建各子模型所需的元器件按照各模塊在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的工作原理進(jìn)行組合、調(diào)試，并利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)擾動(dòng)相互作用試驗(yàn)的數(shù)據(jù)對(duì)各子模型進(jìn)行修正，得到修正后的槳距角控制系統(tǒng)模塊子模型、齒輪傳動(dòng)鏈模塊子模型、雙饋發(fā)電機(jī)模塊子模型和變流器及控制系統(tǒng)模塊子模型。

進(jìn)一步的，機(jī)械側(cè)子模型和電氣側(cè)子模型的所有參數(shù)轉(zhuǎn)換到標(biāo)幺值。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)械側(cè)的風(fēng)輪空氣動(dòng)力學(xué)子模型和電氣側(cè)的各子模型采用不同的基值進(jìn)行無(wú)量綱化。例如，參數(shù)“轉(zhuǎn)速”在機(jī)械側(cè)采用風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速進(jìn)行無(wú)量綱化，在電氣側(cè)則采用發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速進(jìn)行無(wú)量綱化，將機(jī)械側(cè)和電氣側(cè)的轉(zhuǎn)速標(biāo)幺值都統(tǒng)一為相同的數(shù)值，便于控制轉(zhuǎn)速信號(hào)的生成。

本實(shí)施例中，雙饋發(fā)電機(jī)模塊子模型搭建過(guò)程包括：采用電動(dòng)機(jī)慣例，在同步坐標(biāo)系下建立雙饋發(fā)電機(jī)模塊的4階子模型，當(dāng)然，也可采用發(fā)電機(jī)慣例建立雙饋發(fā)電機(jī)模塊子模型，都應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍；變流器及控制系統(tǒng)模塊子模型的搭建過(guò)程包括：采用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組接入電網(wǎng)中、電壓定向的方式對(duì)變流器及控制系統(tǒng)進(jìn)行表達(dá)式的推導(dǎo)和模型的搭建；槳距角控制系統(tǒng)模塊子模型的搭建過(guò)程包括：將風(fēng)輪轉(zhuǎn)速誤差輸入PI調(diào)節(jié)器，得到風(fēng)輪槳距角的期望值；齒輪傳動(dòng)鏈模塊子模型采用雙質(zhì)量塊模型進(jìn)行搭建。

在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建的各子模型均為4階模型，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電氣側(cè)的高精度建模，提高了對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)擾動(dòng)的相互作用進(jìn)行模擬分析的精確性。并且，在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建的各子模型均為模塊化模型，方便工作人員根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)中不同風(fēng)力發(fā)電機(jī)組型、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)擾動(dòng)相互作用試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)各模塊中的參數(shù)進(jìn)行修改。

S140：建立機(jī)械側(cè)子模型與電氣側(cè)子模型的數(shù)據(jù)傳輸通道。

本實(shí)施例中，數(shù)據(jù)傳輸通道包括接口程序，通過(guò)在Matlab環(huán)境下編寫(xiě)M文件，對(duì)編譯為.exe的Fortran求解代碼進(jìn)行調(diào)用，實(shí)現(xiàn)風(fēng)輪的空氣動(dòng)力學(xué)模型的Fortran求解代碼和Matlab/Simulink環(huán)境下搭建的各子模型之間的數(shù)據(jù)傳遞，實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)載荷求解與變流器控制、槳距角控制的耦合求解。

進(jìn)一步的，利用數(shù)據(jù)傳輸通道對(duì)整機(jī)動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行耦合求解之前，還包括：輸入恒定風(fēng)速參數(shù)到風(fēng)輪空氣動(dòng)力學(xué)子模型，其中，風(fēng)速參數(shù)取值范圍為3m/s～25m/s，風(fēng)速參數(shù)變化量為1m/s；計(jì)算不同恒定風(fēng)速參數(shù)下的各子模型的參數(shù)，將子模型的參數(shù)保存為初始化數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)設(shè)置風(fēng)輪空氣動(dòng)力學(xué)子模型的風(fēng)速參數(shù)范圍為從切入風(fēng)速3m/s到切出風(fēng)速25m/s，風(fēng)速參數(shù)變化量即風(fēng)速間隔為1m/s，利用牛頓—萊弗遜迭代法將整機(jī)動(dòng)態(tài)模型在各風(fēng)速條件下進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，使整機(jī)動(dòng)態(tài)模型的各項(xiàng)參數(shù)達(dá)到收斂，將各項(xiàng)參數(shù)的收斂值作為整機(jī)動(dòng)態(tài)模型的初始化數(shù)據(jù)庫(kù)。

S150：利用數(shù)據(jù)傳輸通道對(duì)整機(jī)動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行耦合求解，其中，整機(jī)動(dòng)態(tài)模型包括機(jī)械側(cè)子模型和電氣側(cè)子模型。

具體的，通過(guò)建立整機(jī)動(dòng)態(tài)模型，模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)之間的相互作用，其中，整機(jī)動(dòng)態(tài)模型包括機(jī)械側(cè)子模型和電氣側(cè)子模型。耦合求解過(guò)程包括：分別設(shè)置Fortran程序和Simulink的開(kāi)關(guān)信號(hào)位，對(duì)其中一個(gè)子模型進(jìn)行單步迭代計(jì)算，計(jì)算結(jié)束后，將該子模型的開(kāi)關(guān)信號(hào)位進(jìn)行置位和掛起，并將該子模型數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、傳遞到下一個(gè)子模型；下一個(gè)的子模型開(kāi)始進(jìn)行單步迭代計(jì)算，計(jì)算結(jié)束后將該子模型的開(kāi)關(guān)信號(hào)位進(jìn)行置位和掛起，并將該子模型數(shù)據(jù)返回至上一個(gè)子模型，完成兩個(gè)子模型之間的耦合迭代計(jì)算。

參見(jiàn)圖3，為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種對(duì)整機(jī)動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行耦合求解的流程示意圖，具體包括如下步驟：

S510：將機(jī)械側(cè)子模型與電氣側(cè)子模型初始化。

具體的，通過(guò)整機(jī)動(dòng)態(tài)模型的數(shù)據(jù)接口讀取初始化數(shù)據(jù)庫(kù)，完成對(duì)風(fēng)輪空氣動(dòng)力學(xué)子模型、槳距角控制系統(tǒng)模塊子模型、齒輪傳動(dòng)鏈模塊子模型、雙饋發(fā)電機(jī)模塊子模型、變流器及控制系統(tǒng)模塊子模型參數(shù)的初始化。其中，風(fēng)輪空氣動(dòng)力學(xué)子模型的參數(shù)包括風(fēng)輪中葉片的葉片長(zhǎng)度、葉片錐角和仰角，齒輪傳動(dòng)鏈模塊子模型的參數(shù)包括傳動(dòng)鏈的剛度、阻尼。本實(shí)施例中，對(duì)各子模型的其他參數(shù)不再一一贅述。

S520：將機(jī)械側(cè)子模型與電氣側(cè)子模型設(shè)置統(tǒng)一的物理時(shí)間步。

S530：將動(dòng)態(tài)來(lái)流參數(shù)輸入到風(fēng)輪空氣動(dòng)力學(xué)子模型，在物理時(shí)間步內(nèi)對(duì)風(fēng)輪空氣動(dòng)力學(xué)子模型進(jìn)行迭代計(jì)算，得到風(fēng)輪的第一動(dòng)力參數(shù)。

具體的，動(dòng)態(tài)來(lái)流參數(shù)包括平均風(fēng)速、風(fēng)廓線(xiàn)因子和湍流強(qiáng)度。給定平均風(fēng)速、風(fēng)廓線(xiàn)因子和湍流強(qiáng)度隨時(shí)間變化的時(shí)間序列到風(fēng)輪空氣動(dòng)力學(xué)子模型，風(fēng)輪空氣動(dòng)力學(xué)子模型生成風(fēng)輪動(dòng)態(tài)入流的數(shù)據(jù)序列；另外，給定風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制方式為最大風(fēng)能跟蹤或限負(fù)荷運(yùn)行，給定風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率因數(shù)；在物理時(shí)間步內(nèi)對(duì)風(fēng)輪空氣動(dòng)力學(xué)子模型進(jìn)行迭代計(jì)算，得到風(fēng)輪的第一動(dòng)力參數(shù)，其中，第一動(dòng)力參數(shù)包括風(fēng)輪的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。

S540：通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸通道將第一動(dòng)力參數(shù)依次傳輸至齒輪傳動(dòng)鏈模塊子模型和雙饋發(fā)電機(jī)模塊子模型。

具體的，將計(jì)算得到的風(fēng)輪的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速輸出至數(shù)據(jù)接口，從而更新風(fēng)輪的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速；將風(fēng)輪空氣動(dòng)力學(xué)子模型進(jìn)行置位和掛起，并通過(guò)數(shù)據(jù)接口，將風(fēng)輪的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速傳輸至Simulink中的齒輪傳動(dòng)鏈模塊子模型，齒輪傳動(dòng)鏈模塊子模型將風(fēng)輪的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速傳輸給雙饋發(fā)電機(jī)模塊子模型。

S550：根據(jù)第一動(dòng)力參數(shù)，控制雙饋發(fā)電機(jī)模塊子模型的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，在物理時(shí)間步內(nèi)，根據(jù)動(dòng)態(tài)來(lái)流參數(shù)、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，在物理時(shí)間步內(nèi)對(duì)雙饋發(fā)電機(jī)模塊子模型進(jìn)行迭代計(jì)算，得到風(fēng)輪槳距角，將風(fēng)輪槳距角、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速傳輸至風(fēng)輪空氣動(dòng)力學(xué)子模型。

具體的，通過(guò)變流器及控制系統(tǒng)模塊子模型控制雙饋發(fā)電機(jī)模塊子模型中轉(zhuǎn)子變換器的勵(lì)磁電流頻率，控制雙饋發(fā)電機(jī)模塊子模型的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，其中，雙饋發(fā)電機(jī)模塊子模型的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速根據(jù)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，控制過(guò)程包括根據(jù)動(dòng)態(tài)來(lái)流參數(shù)、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，在物理時(shí)間步內(nèi)對(duì)雙饋發(fā)電機(jī)模塊子模型進(jìn)行迭代計(jì)算，得到風(fēng)輪槳距角；將迭代計(jì)算得到的風(fēng)輪槳距角、雙饋發(fā)電機(jī)模塊子模型的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速返回至風(fēng)輪空氣動(dòng)力學(xué)子模型。

S560：風(fēng)輪空氣動(dòng)力學(xué)子模型根據(jù)風(fēng)輪槳距角、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速調(diào)整第一動(dòng)力參數(shù)。

具體的，風(fēng)輪空氣動(dòng)力學(xué)子模型根據(jù)步驟S550獲得的風(fēng)輪槳距角、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速調(diào)整風(fēng)輪的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。

進(jìn)一步的，根據(jù)步驟S530—S560完成對(duì)風(fēng)輪空氣動(dòng)力學(xué)子模型和雙饋發(fā)電機(jī)模塊子模型的耦合計(jì)算后，通過(guò)更新整機(jī)動(dòng)態(tài)模型接入電網(wǎng)的電網(wǎng)參數(shù)以及風(fēng)輪空氣動(dòng)力學(xué)子模型和高階子模型的物理時(shí)間步，繼續(xù)進(jìn)行步驟S530—S560，直到整機(jī)動(dòng)態(tài)模型與電網(wǎng)相互作用的模擬過(guò)程結(jié)束。

參見(jiàn)圖4，為本實(shí)施例提供的一種雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖4所示，雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)包括風(fēng)輪1、齒輪箱2、雙饋異步發(fā)電機(jī)3、變流器4、第一變壓器5、第二變壓器6、電網(wǎng)7、RC濾波器8和控制系統(tǒng)9，其中，變流器4包括轉(zhuǎn)子側(cè)變流器41和網(wǎng)側(cè)變流器42，第一變壓器5為690V/35kV變壓器，第二變壓器6為35kV/110kV變壓器，電網(wǎng)7為無(wú)窮大電源。其工作過(guò)程為：風(fēng)輪1的風(fēng)葉根據(jù)風(fēng)況轉(zhuǎn)動(dòng)，風(fēng)輪1將風(fēng)葉捕獲的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能再通過(guò)齒輪箱2傳遞到雙饋異步發(fā)電機(jī)3，雙饋異步發(fā)電機(jī)3將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，雙饋異步發(fā)電機(jī)3的轉(zhuǎn)子側(cè)經(jīng)變流器4、RC濾波器8及第一變壓器5、第二變壓器6將電能并入電網(wǎng)7，雙饋異步發(fā)電機(jī)3的定子側(cè)直接將電能饋送至電網(wǎng)；通過(guò)控制系統(tǒng)9控制槳距角、轉(zhuǎn)子側(cè)勵(lì)磁電壓、網(wǎng)側(cè)勵(lì)磁電壓實(shí)現(xiàn)對(duì)槳葉、雙饋異步發(fā)電機(jī)3的合理控制，從而使整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)能的最大捕獲；當(dāng)電網(wǎng)參數(shù)發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，電網(wǎng)電壓和頻率的變化通過(guò)雙饋異步發(fā)電機(jī)3傳遞到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的軸系，進(jìn)而對(duì)風(fēng)輪1的運(yùn)行產(chǎn)生影響；當(dāng)風(fēng)輪1處于陣風(fēng)條件下，風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速后需不斷調(diào)整槳距角，此時(shí)帶有低頻振蕩的機(jī)械扭矩會(huì)通過(guò)軸系傳遞至雙饋異步發(fā)電機(jī)3，進(jìn)而對(duì)電網(wǎng)7的正常運(yùn)行產(chǎn)生影響。

本實(shí)施例中，通過(guò)建立風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的整機(jī)動(dòng)態(tài)模型，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)械側(cè)與電網(wǎng)側(cè)的子模型進(jìn)行耦合求解，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)間相互作用產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)行為和暫態(tài)行為的模擬，參見(jiàn)圖5，為本實(shí)施例提供的一種整機(jī)動(dòng)態(tài)模型的耦合求解與數(shù)據(jù)傳遞的流程示意圖，其中，耦合求解包括初始化計(jì)算和動(dòng)態(tài)計(jì)算，初始化計(jì)算包括預(yù)處理過(guò)程，預(yù)處理過(guò)程包括：

計(jì)算風(fēng)輪在不同葉尖速比和槳距角下的功率特性曲線(xiàn)，并繪制出風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在最大風(fēng)能追蹤區(qū)的功率—轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)。具體地，通過(guò)固定葉尖速比，計(jì)算風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在不同槳距角下的功率值；改變?nèi)~尖速比，計(jì)算風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在不同槳距角下的功率值，獲得風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪在不同葉尖速比和槳距角下的功率特性曲線(xiàn)。

在切入風(fēng)速和切出風(fēng)速范圍內(nèi)，以1m/s為間隔給定初始風(fēng)速、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速ω_r,ini和槳距角初值β_ini，計(jì)算初始時(shí)刻的風(fēng)輪氣動(dòng)力和渦尾跡等氣動(dòng)參數(shù)。其中，風(fēng)輪氣動(dòng)力參數(shù)包括風(fēng)輪的轉(zhuǎn)矩、推力、俯仰力矩；渦尾跡氣動(dòng)參數(shù)包括附著渦環(huán)量、尾跡渦環(huán)量和葉稍渦環(huán)量。

在相同初始條件下，在Simulink環(huán)境內(nèi)將雙饋發(fā)電機(jī)模塊子模型、變流器及控制系統(tǒng)模塊子模型計(jì)算到收斂，得到動(dòng)態(tài)過(guò)程的初值，將初值保存為初始化數(shù)據(jù)庫(kù)，其中，初始化數(shù)據(jù)庫(kù)包括C_p-λ曲線(xiàn)，即風(fēng)能利用系數(shù)—葉尖速比曲線(xiàn)，供動(dòng)態(tài)模擬調(diào)用。

通過(guò)預(yù)處理過(guò)程得到初始化數(shù)據(jù)庫(kù)后，對(duì)整機(jī)動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)計(jì)算，即對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪空氣動(dòng)力學(xué)子模型和電氣側(cè)各高階子模型進(jìn)行耦合求解，耦合求解中數(shù)據(jù)傳遞包括：

初始化數(shù)據(jù)庫(kù)的初值包括風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩初值T_wt,ini，通過(guò)數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)與動(dòng)態(tài)計(jì)算的風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩的數(shù)據(jù)連接；

風(fēng)輪子模型(風(fēng)輪空氣動(dòng)力學(xué)子模型)根據(jù)風(fēng)況計(jì)算風(fēng)輪的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，輸出轉(zhuǎn)矩到數(shù)據(jù)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)連接，齒輪傳動(dòng)鏈子模型(齒輪傳動(dòng)鏈模塊子模型)從數(shù)據(jù)接口處獲得轉(zhuǎn)矩T_wt，根據(jù)T_wt生成機(jī)械轉(zhuǎn)矩T_m并將機(jī)械轉(zhuǎn)矩T_m傳遞給雙饋發(fā)電機(jī)子模型(雙饋發(fā)電機(jī)模塊子模型)；

控制系統(tǒng)子模型(變流器及控制系統(tǒng)模塊子模型)根據(jù)機(jī)組參數(shù)測(cè)量值控制雙饋發(fā)電機(jī)子模型改變轉(zhuǎn)速與風(fēng)輪模型的槳距角；

風(fēng)輪模型讀取當(dāng)前輸入風(fēng)況、槳距角和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，輸出轉(zhuǎn)矩到數(shù)據(jù)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)連接，進(jìn)行本輪參數(shù)下的動(dòng)態(tài)模擬過(guò)程，直到模擬過(guò)程結(jié)束。

參見(jiàn)圖6、圖7，該實(shí)施例還通過(guò)將模擬結(jié)果的實(shí)驗(yàn)值與某1.5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)值相比較，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)對(duì)比驗(yàn)證，如6、圖7所示，利用本實(shí)施例提供的整機(jī)動(dòng)態(tài)建模方法，在進(jìn)行穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)時(shí)，有功功率模擬結(jié)果的實(shí)驗(yàn)值與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的有功功率設(shè)計(jì)值相匹配，風(fēng)能利用系數(shù)C_p模擬結(jié)果的實(shí)驗(yàn)值與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)能利用系數(shù)設(shè)計(jì)值相匹配。

參見(jiàn)圖8、圖9，該實(shí)施例還通過(guò)將模擬結(jié)果的實(shí)驗(yàn)值與VESTAS V-52機(jī)組的設(shè)計(jì)值相比較，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)對(duì)比驗(yàn)證，如圖8、圖9所示，利用本實(shí)施例提供的整機(jī)動(dòng)態(tài)建模方法，在進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并入電網(wǎng)的電網(wǎng)點(diǎn)電壓在0.1s三相跌落至75％pu值，0.2s恢復(fù)至1pu，有功功率模擬結(jié)果的實(shí)驗(yàn)值與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的有功功率設(shè)計(jì)值吻合度較高，無(wú)功功率模擬結(jié)果的實(shí)驗(yàn)值與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的無(wú)功功率設(shè)計(jì)值吻合度較高。

由上述實(shí)施例可見(jiàn)，本發(fā)明提供的雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的整機(jī)動(dòng)態(tài)模型建模方法，通過(guò)建立風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的整機(jī)動(dòng)態(tài)模型，改變風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸入風(fēng)況、電網(wǎng)參數(shù)的方法，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)擾動(dòng)相互作用進(jìn)行模擬；本發(fā)明提供的雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的整機(jī)動(dòng)態(tài)模型建模方法，通過(guò)對(duì)機(jī)組在外界擾動(dòng)下的電氣側(cè)與機(jī)械側(cè)的動(dòng)態(tài)行為進(jìn)行模擬，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行工況的整體預(yù)估；本發(fā)明提供的雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的整機(jī)動(dòng)態(tài)模型建模方法，能夠反映出機(jī)組在電網(wǎng)擾動(dòng)下的真實(shí)動(dòng)態(tài)行為，為模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的出力特性提供了新的方法，也為驗(yàn)證和修改風(fēng)力發(fā)電控制策略，改善機(jī)組的運(yùn)行性能提供了有利的工具，對(duì)于分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)擾動(dòng)相互作用具有重要意義。

本領(lǐng)域技術(shù)人員在考慮說(shuō)明書(shū)及實(shí)踐這里發(fā)明的公開(kāi)后，將容易想到本發(fā)明的其它實(shí)施方案。本申請(qǐng)旨在涵蓋本發(fā)明的任何變型、用途或者適應(yīng)性變化，這些變型、用途或者適應(yīng)性變化遵循本發(fā)明的一般性原理并包括本發(fā)明未公開(kāi)的本技術(shù)領(lǐng)域中的公知常識(shí)或慣用技術(shù)手段。說(shuō)明書(shū)和實(shí)施例僅被視為示例性的，本發(fā)明的真正范圍和精神由下面的權(quán)利要求指出。

應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明并不局限于上面已經(jīng)描述并在附圖中示出的精確結(jié)構(gòu)，并且可以在不脫離其范圍進(jìn)行各種修改和改變。本發(fā)明的范圍僅由所附的權(quán)利要求來(lái)限制。