一种风力发电机组计算机模拟仿真系统技术方案

本发明专利技术提供一种风力发电机组计算机模拟仿真系统，包括作为真实风电机组的控制端的风电机组监控设备、塔底柜和机舱柜，以及作为被控端的风电机组仿真系统，其特征在于，所述风电机组仿真系统包括：计算机仿真模块，用于对风况、风机运行数据以及风机发电数据进行仿真模拟；通信模块，与所述计算机仿真模块通信连接，用于计算机仿真模块与所述控制端的通信。由上，风电机组仿真系统作为仿真部分，基于真实风电机组主控系统来运行。而控制端采用真实的风电机组监控设备、塔底柜和机舱柜，从而在仿真程度上与真实风电机组无异，全部以模拟仿真的形式还原出风电机组，从而在数据模拟上做到精准，能够真实反映机组运行规律的仿真系统。

Computer simulation and simulation system for wind power generating set

The invention provides a simulation system of a wind turbine control computer, including as a real wind turbine side wind power monitoring equipment, unit cabinet and cabinet, as well as the wind turbine simulation system of the controlled terminal, characterized by comprising the wind turbine simulation system: computer simulation module and for the simulation of wind conditions, the fan operation data and wind power data; communication module, simulation module is connected with the computer for communication, computer simulation module and the communication control terminal. Based on the simulation system of the wind turbine, the simulation system is based on the real wind turbine main control system. The control end uses real wind power monitoring equipment, unit cabinet and cabinet, which is the real wind turbine in the simulation part, all the reduction of wind turbine simulation to form, resulting in data simulation accurately, can simulate the system operating rules reflect the unit.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及风电机组仿真
，特别涉及一种风力发电机组计算机模拟仿真系统。
技术介绍
在风力发电领域，广泛使用双馈型风力发电机组，目前有数万台机组承担着发电任务。双馈型风电机组属于复杂的大型机电设备，涉及机械工程、空气动力、电机、计算机、控制等多个领域的理论与技术，了解及掌握机组的特性及运行规律，是从事检修、运行及管理工作的人员需要掌握的知识，能够真实反映机组运行规律的仿真系统可以在培训工作中发挥重要作用。与实际风电机组相比，通过计算机仿真来模拟机组的运行具有明显的优点。首先，计算机仿真可以通过曲线、数据等展现机组更多的内部运行过程，使信息更丰富；其次，计算机仿真可以根据需要随时改变风速等重要输入量，展现机组的各种运行状态，甚至制造在实际中不容易发生的各种故障，使培训更有效；另外，计算机仿真的运行成本低，不需要实际机组运行中的大功率环境，且可以避免实际机组可能出现的安全事故所带来的人员及经济损失。目前的风力发电机组仿真工作主要分为两种：一种是完全依靠计算机软件来实现的风电机组仿真，一般是通过软件建立风电机组的数学模型，通过对模型施加输入信号来模拟机组运行，并通过模型输出来查看机组运行参数，观察机组转速、功率、电压/电流等随风速的变化情况。这种仿真过程由于彻底脱离实际设备，使得仿真系统与实际设备的运行参数存在差别，仿真参数一般只反映与仿真模型有关的数个参数，而一台机组的实际参数有上百个。另外，这种仿真过程一般只反映某给定条件下的机组运行过程，而并不关心机组在其他各种条件下的全面运行过程，其全面运行仿真过程应包括机组待机、启动、并网、升降负荷、偏航、解缆、停机及各种故障的处理等。因此，这种仿真过程一般常在研究风电机组的某个特定问题中见到。另一种仿真系统是采用计算机与实际设备结合的方式。目前常见的结构是机组的旋转设备由电机、传动机构及齿轮箱代替，控制部分由计算机代替，仿真过程是：在计算机中模拟风速及风力机，将风力机输出转矩信号通过I/O接口施加到实际的伺服电机，由电机通过齿轮箱将转矩传递给发电机，发电机通过变频器控制进入实际发电过程。这种仿真叫半物理仿真，优点是可以直观看到模拟机组的运行过程，具有一定培训价值，而且通过对实际模拟机组的控制，可以进行控制方法的研究。这种仿真系统的物理部分与实际机组存在较大差别，如风力机换成了伺服电动机等，因此不能使用现场实际控制设备参与仿真。进一步的，由于物理设备难以做到与实际机组一致，因此，仿真过程与实际机组运行过程存在较大差异。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的主要目的在于，提供一种风力发电机组计算机模拟仿真系统，包括作为真实风电机组的控制端的风电机组监控设备、塔底柜和机舱柜，以及作为被控端的风电机组仿真系统，其特征在于，所述风电机组仿真系统包括：计算机仿真模块，用于对风况、风机运行数据以及风机发电数据进行仿真模拟；通信模块，与所述计算机仿真模块通信连接，用于计算机仿真模块与所述控制端的通信。由上，风电机组仿真系统作为仿真部分，基于真实风电机组主控系统来运行。而控制端采用真实的风电机组监控设备、塔底柜和机舱柜，从而在仿真程度上与真实风电机组无异，全部以模拟仿真的形式还原出风电机组，从而在数据模拟上做到精准，能够真实反映机组运行规律的仿真系统。可选的，所述计算机仿真模块包括：风模型子系统，用于进行风况模拟，以产生出自然环境下的风向、风速等数据，变桨控制模型子系统，用于依据控制端的变桨指令，进行变桨模拟得出变桨角度数据；风力机模拟子系统，用于依据所述变桨角度数据及风况数据，模拟风力机的机械驱动转矩和发电机电磁转矩；传动链模型子系统，用于依据所述机械驱动转矩和发电机电磁转矩，模拟风力机的转速和加速度数据；变流器控制模型子系统，用于依据控制端所发出的发电机电磁转矩、有功功率、无功功率控制指令，转换为具体控制数据；机侧变流器模型子系统，用于依据所述发电机电磁转矩控制指令，再由模型计算出发电机转子电压；发电机模型子系统，用于依据所述发电机转子电压进行发电模拟，输出电磁转矩、发电机转子电流、发电机定子电流、有功功率、无功功率数据；网侧变流器模型子系统，用于电网与机侧变流器模型子系统的数据进行关联，从而模拟出由电网向机侧变流器模型子系统提供电能的过程。可选的，所述计算机仿真模块还包括：故障模型子系统；用于根据机组设计提供的故障信息，将各种故障添加到对应的模拟仿真子系统中；安全链模型子系统，用于当计算机仿真模块的其它子系统中的参数出现异常或危险触发紧急停机时，仿真模拟紧急停机的全部过程。可选的，所述计算机仿真模块采用分布计算。由上，风电机组仿真系统在时间上需要配合所述主控系统的控制时序，基于控制时间、频率等满足半物理仿真的实时性要求。可选的，所述风力机模拟子系统和发电机模型子系统通过PXI主机仿真模拟；所述机侧变流器模型子系统和网侧变流器模型子系统分别通过一FPGA板卡仿真模拟；所述仿真变桨控制模型子系统和变流器控制模型子系统通过PROFIBUS板卡仿真模拟。由上，风电机组仿真系统内的各部件间通过数据通信等方式连接为一个整体，且需要根据系统所设计的硬件结构解决数据的实时高速同步。可选的，所述机侧变流器模型子系统和网侧变流器模型子系统的计算采用并行处理。可选的，所述机侧变流器模型子系统所计算输出的电流，作为输入传输至网侧变流器模型子系统；所述网侧变流器模型子系统所计算输出的电压，作为输入传输至所述机侧变流器模型子系统。可选的，所述计算机仿真模块整体的仿真步长为1ms；所述机侧、网侧变流器模型子系统分别采用一工作频率为40MHz的FPGA板卡，以10μs为计算步长，在1ms时间内，两FPGA板卡循环运算100个周期。由上，FPGA板卡中除了需要求解上述变流器仿真所涉及到的四阶和六阶方程组外，还包含SVPWM算法等仿真，因此计算的工作量很大，即使采用软件固化的FPGA，在顺序计算的情况下也无法满足与主控系统控制时序的同步，基于上述方案，两FPGA板卡若均以10μs为计算步长，即要求1ms时间内，两FPGA板卡循环运算100个周期，生成长度为100的数组作为1ms一次的计算结果。从而在1ms主仿真周期内，机侧和网侧FPGA板卡可以实现与主控系统进行数据的交换和同步。可选的，所述PXI主机与所述FPGA板卡采用DMA通信，在FPGA写入和读取数据时采用FIFO方式。由上，当FPGA与PXI主机进行数据交换时，FPGA会先把数据放到FIFO的数据缓存器中，而不需要等待DMA的读取，这样可以最大程度的避免延时或者丢包的现象。为保证在1ms的时钟周期内程序可以完成一次循环。附图说明图1为风力发电机组计算机模拟仿真系统的原理示意图；图2为计算机仿真模块的原理示意图；图3为机侧变流器模型子系统所采用FPGA板卡的电路原理示意图；图4为网侧变流器模型子系统所采用FPGA板卡的电路原理示意图；图5为机侧变流器模型子系统和网侧变流器模型子系统间所采用的并行处理原理示意图；图6为风力发电机组计算机模拟仿真系统的硬件原理示意图；图7为风电机组仿真系统主要参数曲线界面图。具体实施方式为克服现有技术存在的缺陷，本专利技术提供一种风力发电机组计算机模拟仿真系统，如图1所示为风力发电机组计算机模拟仿真系统的原理示本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种风力发电机组计算机模拟仿真系统，包括作为真实风电机组的控制端的风电机组监控设备、塔底柜和机舱柜，以及作为被控端的风电机组仿真系统，其特征在于，所述风电机组仿真系统包括：计算机仿真模块，用于对风况、风机运行数据以及风机发电数据进行仿真模拟；通信模块，与所述计算机仿真模块通信连接，用于计算机仿真模块与所述控制端的通信。

【技术特征摘要】
1.一种风力发电机组计算机模拟仿真系统，包括作为真实风电机组的控制端的风电机组监控设备、塔底柜和机舱柜，以及作为被控端的风电机组仿真系统，其特征在于，所述风电机组仿真系统包括：计算机仿真模块，用于对风况、风机运行数据以及风机发电数据进行仿真模拟；通信模块，与所述计算机仿真模块通信连接，用于计算机仿真模块与所述控制端的通信。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述计算机仿真模块包括：风模型子系统，用于进行风况模拟，以产生出自然环境下的风向、风速等数据，变桨控制模型子系统，用于依据控制端的变桨指令，进行变桨模拟得出变桨角度数据；风力机模拟子系统，用于依据所述变桨角度数据及风况数据，模拟风力机的机械驱动转矩和发电机电磁转矩；传动链模型子系统，用于依据所述机械驱动转矩和发电机电磁转矩，模拟风力机的转速和加速度数据；变流器控制模型子系统，用于将控制端所发出的发电机电磁转矩、有功功率、无功功率控制指令，转换为具体控制数据；机侧变流器模型子系统，用于依据所述发电机电磁转矩计算出发电机转子电压；发电机模型子系统，用于依据所述发电机转子电压进行发电模拟，输出电磁转矩、发电机转子电流、发电机定子电流、有功功率、无功功率数据；网侧变流器模型子系统，用于将电网与机侧变流器模型子系统的数据进行关联，从而模拟出由电网向机侧变流器模型子系统提供电能的过程。3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述计算机仿真模块...

【专利技术属性】
技术研发人员：范晓旭，陆一川，吕跃刚，田涛，吴金城，李力怀，
申请(专利权)人：龙源电力集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11