本發(fā)明涉及新能源發(fā)電領(lǐng)域，具體涉及一種風(fēng)電機(jī)組電壓源仿真系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)及調(diào)度運(yùn)行均以大容量同步發(fā)電機(jī)的特性為基礎(chǔ)，如火力發(fā)電和水力發(fā)電等。但是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)相比容量小、數(shù)量多，并且風(fēng)電機(jī)組的高可控性導(dǎo)致不同廠家甚至是同一廠家不同型號(hào)風(fēng)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性差異較大。隨著風(fēng)力發(fā)電在電網(wǎng)中滲透率的不斷增加，風(fēng)電并網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行問題也日益突出。為了輔助風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)和調(diào)度運(yùn)行，需要深入研究和全面評(píng)價(jià)風(fēng)力發(fā)電的并網(wǎng)特性及其與并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的符合性。但是無論以風(fēng)電場(chǎng)形式還是以分布式形式，風(fēng)力發(fā)電的并網(wǎng)特性都無法全部通過測(cè)試手段獲得，尤其是故障穿越特性，因此需要通過仿真手段對(duì)風(fēng)力發(fā)電的并網(wǎng)特性進(jìn)行仿真模擬。風(fēng)電機(jī)組作為風(fēng)力發(fā)電的關(guān)鍵單元，其仿真模型的準(zhǔn)確性對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)仿真結(jié)果的真實(shí)性和可信性有重要的影響。并且風(fēng)電并網(wǎng)仿真所涉及的風(fēng)電機(jī)組數(shù)量多、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)風(fēng)電機(jī)組模型的仿真效率有較高的要求。因此，一種適用于風(fēng)電并網(wǎng)仿真的準(zhǔn)確、高效的仿真模型架構(gòu)是風(fēng)電機(jī)組建模的基礎(chǔ)。

風(fēng)電機(jī)組是技術(shù)成熟和組成復(fù)雜的發(fā)電設(shè)備，涵蓋機(jī)械、機(jī)電、電氣、電磁、電子等技術(shù)領(lǐng)域。目前通用的風(fēng)電機(jī)組技術(shù)類型可分為4類，包括定速風(fēng)電機(jī)組、可變轉(zhuǎn)子電阻風(fēng)電機(jī)組、雙饋風(fēng)電機(jī)組、全功率變頻風(fēng)電機(jī)組。由于不同風(fēng)電機(jī)組技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理和結(jié)構(gòu)不同，一般針對(duì)4類風(fēng)電機(jī)組分別根據(jù)特定的模型架構(gòu)進(jìn)行建模，易造成此類模型架構(gòu)的通用性和可擴(kuò)展性較差。并且一般風(fēng)電機(jī)組仿真模型架構(gòu)對(duì)風(fēng)電機(jī)組涉網(wǎng)保護(hù)沒有根據(jù)電網(wǎng)仿真需求做明確的界定，不適用于風(fēng)電并網(wǎng)仿真的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供的一種風(fēng)電機(jī)組電壓源仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)靈活、開放、可維 護(hù)性好且可擴(kuò)展性好；適用于空間尺度上多機(jī)組數(shù)量、復(fù)雜電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的仿真環(huán)境需求，適用于時(shí)間尺度上自毫秒級(jí)至秒級(jí)大范圍跨度的仿真步長(zhǎng)需求，同時(shí)適用于所有主流風(fēng)電機(jī)組類型及其典型控制特性、涉網(wǎng)保護(hù)特性的仿真實(shí)現(xiàn)需求，并且其不受限于仿真軟件平臺(tái)，可準(zhǔn)確且高效的實(shí)現(xiàn)跨軟件平臺(tái)的參數(shù)兼容。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種風(fēng)電機(jī)組電壓源仿真系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括風(fēng)力機(jī)模塊、變槳模塊、軸系模塊、控制模塊、保護(hù)模塊和電壓源模塊；

所述風(fēng)力機(jī)模塊與所述軸系模塊相互連接；

所述變槳模塊連接至所述風(fēng)力機(jī)模塊、且與所述控制模塊相互連接；

所述軸系模塊與所述控制模塊相互連接、且連接至所述保護(hù)模塊；

所述控制模塊分別連接至所述保護(hù)模塊與所述電壓源模塊。

優(yōu)選的，所述風(fēng)力機(jī)模塊用于模擬風(fēng)電機(jī)組中的風(fēng)力機(jī)的將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的機(jī)械特性，所述風(fēng)力機(jī)模塊上連接有風(fēng)速模塊；所述風(fēng)速模塊用于提供恒定風(fēng)速或時(shí)變風(fēng)速的風(fēng)速信號(hào)；

所述風(fēng)力機(jī)模塊將所述風(fēng)力機(jī)的功率發(fā)送至所述軸系模塊；

所述風(fēng)力機(jī)模塊的輸入包括所述風(fēng)力機(jī)的風(fēng)速、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速及槳距角，其輸出為所述風(fēng)力機(jī)的有功功率；所述風(fēng)力機(jī)模塊的模型為：

式(1)中，P_T為所述風(fēng)力機(jī)的有功功率輸出，ρ為空氣密度，v為風(fēng)速，S為風(fēng)力機(jī)葉片的掃掠面積，C_P為風(fēng)能利用系數(shù)；

其中，S可通過給定風(fēng)輪直徑d計(jì)算：

S＝π(d/2)² (2)

風(fēng)能利用系數(shù)C_P從葉尖速比λ和槳距角β的二維表格中查得；所述葉尖速比λ的公式為：

式(3)中，ω_T為風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速，d為風(fēng)輪直徑，v為風(fēng)速。

優(yōu)選的，所述變槳模塊用于模擬所述風(fēng)電機(jī)組中的葉片變槳系統(tǒng)的據(jù)槳距角的控制指令執(zhí)行變槳?jiǎng)幼鞯臋C(jī)械特性；所述變槳模塊將槳距角信號(hào)發(fā)送至所述風(fēng)力機(jī)模塊；

所述變槳模塊的輸入為槳距角指令值，輸出為槳距角動(dòng)作值；所述變槳模塊的傳遞函數(shù)Φ(s)為：

所述傳遞函數(shù)將變槳系統(tǒng)簡(jiǎn)化等效為一階慣性環(huán)節(jié)，通過設(shè)定時(shí)間常數(shù)T_β來反映風(fēng)電機(jī)組變槳系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性；并且在一階慣性環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上增加變槳速率限幅和槳距角限幅環(huán)節(jié)。

優(yōu)選的，所述軸系模塊用于模擬連接所述風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)的傳動(dòng)軸的傳動(dòng)及變速的機(jī)械特性，所述軸系模塊將風(fēng)輪轉(zhuǎn)速信號(hào)發(fā)送至所述風(fēng)力機(jī)模塊、控制模塊及保護(hù)模塊，使用單質(zhì)量塊風(fēng)力機(jī)加柔性連接軸的模型；

所述軸系模塊的輸入包括風(fēng)力機(jī)的功率和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，輸出包括發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率和風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速；所述軸系模塊的模型為：

式(5)中，P_M為發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率，ω_M為發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，H_T為風(fēng)力機(jī)的慣性時(shí)間常數(shù)，c_drt和k_drt分別為柔性連接軸的阻尼系數(shù)和剛性系數(shù)；

若將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量塊特性納入到所述軸系模塊中，則所述軸系模塊為標(biāo)準(zhǔn)的兩質(zhì)量塊的模型為：

式(6)中，H_W為風(fēng)力機(jī)的慣性時(shí)間常數(shù)。

優(yōu)選的，所述控制模塊用于模擬風(fēng)電機(jī)組控制器的控制特性及發(fā)電機(jī)的電氣和機(jī)械特性；所述控制模塊包括風(fēng)電機(jī)組控制器子模塊、發(fā)電機(jī)子模塊和電壓向量計(jì)算子模塊。

優(yōu)選的，所述風(fēng)電機(jī)組控制器子模塊包括主控制器、變流器控制器和變槳控制器；所述主控制器和變流器控制器均用于模擬風(fēng)電機(jī)組的功率控制，其控制方式采用所述風(fēng)電機(jī)組在正常運(yùn)行下的功率外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)控制與故障穿越下的直接電流控制相結(jié)合的方式；直接電流控制基于風(fēng)電機(jī)組的故障穿越控制策略，根據(jù)電網(wǎng)電壓跌落深度給定有功電流和無功電流指令；

所述變槳控制器用于模擬風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)起動(dòng)、脫網(wǎng)停機(jī)、故障穿越時(shí)的變槳控制；

所述變槳控制器將槳距角指令值和快速變槳輸入信號(hào)發(fā)送至所述變槳模塊；

所述風(fēng)電機(jī)組控制器子模塊的輸入為軸系功率和發(fā)電機(jī)電流，輸出為發(fā)電機(jī)電壓和網(wǎng)側(cè)變流器的電流；所述風(fēng)電機(jī)組控制器子模塊的控制模型為：

I_q＝f(U₀-U_F)＝k_FRT(U₀-U_F) (7)

I_d＝I_MAX-I_q

式(7)中，U₀為電網(wǎng)故障前正常運(yùn)行時(shí)的電壓，U_F為電網(wǎng)故障時(shí)的故障殘壓，k_FRT為無功注入比例系數(shù)，I_MAX為受控電流的最大值。

優(yōu)選的，所述發(fā)電機(jī)子模塊包括發(fā)電機(jī)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子Crowbar模型；所述發(fā)電機(jī)子模塊使用發(fā)電機(jī)五階模型；

所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子Crowbar模型由判斷、延時(shí)、執(zhí)行三個(gè)部分組成開環(huán)控制；所述發(fā)電機(jī)子模塊將所述發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)送至所述軸系模塊。

優(yōu)選的，所述電壓向量計(jì)算子模塊用于根據(jù)風(fēng)電機(jī)組電網(wǎng)側(cè)電流值和風(fēng)電機(jī)組等效阻抗計(jì)算受控電壓源的電壓向量。

優(yōu)選的，所述保護(hù)模塊用于模擬所述風(fēng)電機(jī)組觸發(fā)保護(hù)而脫網(wǎng)的特性；所述觸發(fā)保護(hù)的變量包括發(fā)電機(jī)超速、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)過壓、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)過流、電網(wǎng)過欠壓、電網(wǎng)過欠頻；所述觸發(fā)保護(hù)的變量的閾值及延時(shí)基于所述風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)設(shè)定；

所述保護(hù)模塊的輸入為觸發(fā)保護(hù)的變量，輸出為風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)斷路器的控制指令信號(hào)。

優(yōu)選的，所述電壓源模塊為風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)中的等效單元，所述電壓源模塊接收所述控制模塊發(fā)送的電壓向量，并根據(jù)所述電壓向量模擬風(fēng)電機(jī)組的涉網(wǎng)電氣特性；所述電壓源模塊包括串聯(lián)的受控電壓源和等效阻抗。

從上述的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明提供了一種風(fēng)電機(jī)組電壓源仿真系統(tǒng)，包括風(fēng)力機(jī)模塊、變槳模塊、軸系模塊、控制模塊、保護(hù)模塊和電壓源模塊；風(fēng)力機(jī)模塊與軸系模塊相互連接；變槳模塊連接至風(fēng)力機(jī)模塊、且與控制模塊相互連接；軸系模塊與控制模塊相互連接、且連接至保護(hù)模塊；控制模塊分別連接至保護(hù)模塊與電壓源模塊。本發(fā)明提出的系統(tǒng)靈活、開放、可維護(hù)性好且可擴(kuò)展性好；適用于空間尺度上多機(jī)組數(shù)量、復(fù)雜電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的仿真環(huán)境需求，適用于時(shí)間尺度上自毫秒級(jí)至秒級(jí)大范圍跨度的仿真步長(zhǎng)需求，同時(shí)適用于所有主流風(fēng)電機(jī)組類型及其典型控制特性、涉網(wǎng)保護(hù)特性的仿真實(shí)現(xiàn)需求，并且其不受限于仿真軟件平臺(tái)，準(zhǔn)確且高效的實(shí)現(xiàn)跨軟件平臺(tái)的參數(shù)兼容。

與最接近的現(xiàn)有技術(shù)比，本發(fā)明提供的技術(shù)方案具有以下優(yōu)異效果：

1、本發(fā)明所提供的技術(shù)方案，通過風(fēng)力機(jī)模塊、變槳模塊、軸系模塊、控制模塊、保護(hù)模塊和電壓源模塊的設(shè)置，能夠準(zhǔn)確且高效的適用于時(shí)間尺度上自毫秒級(jí)至秒級(jí)大范圍跨度的仿真步長(zhǎng)需求，同時(shí)適用于所有主流風(fēng)電機(jī)組類型及其典型控制特性、涉網(wǎng)保護(hù)特性的仿真實(shí)現(xiàn)需求，并且其不受限于仿真軟件平臺(tái)。

2、本發(fā)明所提供的技術(shù)方案，適用于空間尺度上多機(jī)組數(shù)量、復(fù)雜電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的仿 真環(huán)境需求，適用于時(shí)間尺度上自毫秒級(jí)至秒級(jí)大范圍跨度的仿真步長(zhǎng)需求，適用于所有主流風(fēng)電機(jī)組類型及其典型控制特性、涉網(wǎng)保護(hù)特性的仿真實(shí)現(xiàn)需求，并且模型架構(gòu)不受限于仿真軟件平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)跨軟件平臺(tái)的參數(shù)兼容。本專利提出的模型架構(gòu)相比現(xiàn)有模型架構(gòu)具有靈活、開放，可維護(hù)性和可擴(kuò)展性好的特點(diǎn)。

3、本發(fā)明提供的技術(shù)方案，應(yīng)用廣泛，具有顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的一種風(fēng)電機(jī)組電壓源仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的仿真系統(tǒng)的風(fēng)力機(jī)模塊的示意圖；

圖3是本發(fā)明的仿真系統(tǒng)的變槳模塊的示意圖；

圖4是本發(fā)明的仿真系統(tǒng)的軸系模塊的示意圖；

圖5是本發(fā)明的仿真系統(tǒng)的軸系機(jī)械模塊的示意圖；

圖6是本發(fā)明的仿真系統(tǒng)的控制模塊的示意圖；

圖7是本發(fā)明的仿真系統(tǒng)的風(fēng)電機(jī)組控制器子模塊的示意圖；

圖8是本發(fā)明的仿真系統(tǒng)的電壓源模塊的示意圖。

具體實(shí)施方式

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、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(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。

如圖1所示，本發(fā)明提供一種風(fēng)電機(jī)組電壓源仿真系統(tǒng)，包括風(fēng)力機(jī)模塊、變槳模塊、軸系模塊、控制模塊、保護(hù)模塊和電壓源模塊；

風(fēng)力機(jī)模塊與軸系模塊相互連接；

變槳模塊連接至風(fēng)力機(jī)模塊、且與控制模塊相互連接；

軸系模塊與控制模塊相互連接、且連接至保護(hù)模塊；

控制模塊分別連接至保護(hù)模塊與電壓源模塊。

如圖2所示，風(fēng)力機(jī)模塊用于模擬風(fēng)電機(jī)組中的風(fēng)力機(jī)的將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的機(jī)械特性，所述風(fēng)力機(jī)模塊上連接有風(fēng)速模塊；風(fēng)速模塊用于提供恒定風(fēng)速或時(shí)變風(fēng)速的風(fēng)速信號(hào)；

風(fēng)力機(jī)模塊模擬風(fēng)力機(jī)的機(jī)械特性，風(fēng)力機(jī)的功能是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能。輸入包括風(fēng)速、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、槳距角，輸出為風(fēng)力機(jī)的有功功率。風(fēng)速信號(hào)由風(fēng)速模塊提供，可以根據(jù)實(shí)際需求設(shè)置為恒定風(fēng)速或時(shí)變風(fēng)速。恒定風(fēng)速一般適用于時(shí)長(zhǎng)小于10s的仿真，此情況下可默認(rèn)風(fēng)速不變；時(shí)變風(fēng)速一般適用于仿真時(shí)長(zhǎng)大于10s的情況，用于分析風(fēng)速變化對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)的影響。風(fēng)輪轉(zhuǎn)速信號(hào)由軸系模塊提供。槳距角信號(hào)由變槳模塊提供。

風(fēng)力機(jī)模塊將風(fēng)力機(jī)的功率發(fā)送至軸系模塊；

風(fēng)力機(jī)模塊的輸入包括風(fēng)力機(jī)的風(fēng)速、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速及槳距角，其輸出為風(fēng)力機(jī)的有功功率；風(fēng)力機(jī)模塊的模型為：

其中P_T為風(fēng)力機(jī)的有功功率輸出，ρ為空氣密度，v為風(fēng)速，S為風(fēng)力機(jī)葉片的掃掠面積，C_P為風(fēng)能利用系數(shù)。除了輸入信號(hào)外，空氣密度、掃掠面積、風(fēng)能利用系數(shù)為固有特性參數(shù)?？諝饷芏圈岩话闳?biāo)況值1.29kg/m³，對(duì)于高海拔風(fēng)電機(jī)組可基于實(shí)際運(yùn)行環(huán)境做適當(dāng)調(diào)節(jié)。掃掠面積S可通過給定風(fēng)輪直徑d計(jì)算：

S＝π(d/2)² (2)

與其他固有特性參數(shù)不同，風(fēng)能利用系數(shù)C_P不是一個(gè)固定的值，而是與葉尖速比λ和槳距角β相關(guān)的二維表格，在仿真模型中通過查表獲得C_P的值。葉尖速比λ用來表 示風(fēng)力機(jī)在不同風(fēng)速中的狀態(tài)，的公式為：

其中ω_T為風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速，d為風(fēng)輪直徑，v為風(fēng)速。

不同葉片長(zhǎng)度或者不同葉形的風(fēng)力機(jī)，其C_P參數(shù)表應(yīng)基于實(shí)際特性設(shè)定。在分析風(fēng)速變化對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)的影響時(shí)，C_P參數(shù)表應(yīng)能夠反映考慮尾流損失、葉尖損失和輪轂損失的實(shí)際風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用特性。

如圖3所示，變槳模塊模擬葉片變槳系統(tǒng)的機(jī)械特性，變槳系統(tǒng)的功能是根據(jù)槳距角的控制指令執(zhí)行變槳?jiǎng)幼鳌］斎霝闃嘟侵噶钪?，輸出為槳距角?dòng)作值。槳距角指令由風(fēng)電機(jī)組控制模塊提供。風(fēng)電機(jī)組的變槳系統(tǒng)不是一個(gè)理想的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在變槳指令的執(zhí)行過程中會(huì)有動(dòng)作延時(shí)和速率限制。并且電動(dòng)變槳和液壓變槳對(duì)變槳指令的響應(yīng)特性不同，應(yīng)在變槳模塊中體現(xiàn)具體風(fēng)電機(jī)組變槳系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)特性。對(duì)于在故障穿越期間進(jìn)行快速收槳的風(fēng)電機(jī)組，變槳模塊增加快速變槳信號(hào)輸入，并按照變槳系統(tǒng)最快速度執(zhí)行變槳模擬?？焖僮儤斎胄盘?hào)由風(fēng)電機(jī)組控制模塊提供。

變槳模塊的輸入為槳距角指令值，輸出為槳距角動(dòng)作值；變槳模塊的傳遞函數(shù)Φ(s)為：

變槳系統(tǒng)簡(jiǎn)化等效為一階慣性環(huán)節(jié)，通過設(shè)定時(shí)間常數(shù)T_β來反映風(fēng)電機(jī)組變槳系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。并且在一階慣性環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上增加變槳速率限幅和槳距角限幅環(huán)節(jié)，以防止控制超調(diào)。

如圖4和5所示，軸系模塊模擬連接風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)的傳動(dòng)軸的機(jī)械特性，軸系除了起到傳動(dòng)作用外，在含有齒輪箱的風(fēng)電機(jī)組中軸系也具有變速的功能。輸入包括風(fēng)力機(jī)的功率和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，輸出包括發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率和風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速。風(fēng)力機(jī)的功率由風(fēng)力機(jī)模塊提供，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速由控制模塊提供。軸系模塊將相關(guān)參數(shù)和變量轉(zhuǎn)換至高速軸，并使用單質(zhì)量塊風(fēng)力機(jī)加柔性連接軸的模型架構(gòu)，齒輪箱的慣性時(shí)間常數(shù)計(jì)入風(fēng)力機(jī)中，發(fā)電機(jī)的慣性由控制模塊中的發(fā)電機(jī)子模塊模擬，在軸系模塊中不反映發(fā)電 機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量塊特性。計(jì)及柔性連接軸的剛性系數(shù)和阻尼系數(shù)，忽略風(fēng)力機(jī)的摩擦系數(shù)。

軸系模塊的輸入包括風(fēng)力機(jī)的功率和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，輸出包括發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率和風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速；軸系模塊的模型為：

其中P_M為發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率，ω_M為發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，H_T為風(fēng)力機(jī)的慣性時(shí)間常數(shù)，c_drt和k_drt分別為柔性連接軸的阻尼系數(shù)和剛性系數(shù)。

若將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量塊特性納入到軸系模塊中，則軸系模塊為標(biāo)準(zhǔn)的兩質(zhì)量塊機(jī)械模型，同樣忽略發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的摩擦系數(shù)，基本公式為：

其中H_W為風(fēng)力機(jī)的慣性時(shí)間常數(shù)。

如圖6所示，控制模塊模擬風(fēng)電機(jī)組控制器的控制特性，以及發(fā)電機(jī)的電氣和機(jī)械特性。針對(duì)不同的風(fēng)電機(jī)組類型結(jié)構(gòu)和控制邏輯，控制模塊在固定框架下的實(shí)現(xiàn)方式有所不同，因此具體的模塊組成和輸入輸出需根據(jù)實(shí)際需求確定。一般情況下，輸入包括發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率、電網(wǎng)電壓、電網(wǎng)電流、電網(wǎng)相角、電網(wǎng)頻率等，輸出包括槳距角指令和受控電壓源的電壓向量，以及包括發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子電流等內(nèi)部狀態(tài)量。該模塊框架下假定變流器和直流母線為理想元器件，可根據(jù)仿真需要增加直流母線子模塊以模擬其動(dòng)態(tài)特性。

如圖7所示，風(fēng)電機(jī)組控制器子模塊包括主控制器、變流器控制器和變槳控制器三個(gè)部分。主控制器和變流器控制器在模型中不做區(qū)分，主要模擬風(fēng)電機(jī)組的功率控制，采用正常運(yùn)行下的功率外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)控制與故障穿越下的直接電流控制相結(jié)合的方式。直接電流控制基于風(fēng)電機(jī)組的故障穿越控制策略，根據(jù)電網(wǎng)電壓跌落深度給定有功電流和無功電流指令。變槳控制器模擬風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)起動(dòng)、脫網(wǎng)停機(jī)、故障穿越時(shí)的變 槳控制，可根據(jù)實(shí)際仿真需求和控制策略進(jìn)行模擬。對(duì)于在故障穿越期間進(jìn)行快速收槳的風(fēng)電機(jī)組，變槳控制器給定變槳模塊槳距角指令值和快速變槳信號(hào)，以模擬快速收槳?jiǎng)幼鳌?/p>

功率測(cè)量值與功率給定值的偏差經(jīng)過外環(huán)PI控制給出控制電流給定值，電流測(cè)量值與電流給定值的偏差經(jīng)過內(nèi)環(huán)PI控制給出控制電壓的指令值。在電網(wǎng)電壓跌落低于0.9p.u.時(shí)，風(fēng)電機(jī)組進(jìn)入故障穿越控制模式，功率外環(huán)控制被屏蔽，由直接電流控制根據(jù)電網(wǎng)電壓跌落深度給定有功電流和無功電流指令，基本公式為：

I_q＝f(U₀-U_F)＝k_FRT(U₀-U_F) (7)

I_d＝I_MAX-I_q

其中U₀為電網(wǎng)故障前正常運(yùn)行時(shí)的電壓，U_F為電網(wǎng)故障時(shí)的故障殘壓，k_FRT為無功注入比例系數(shù)，I_MAX為受控電流的最大值。上述公式為典型控制模式，直接電流控制給定可基于具體風(fēng)電機(jī)組的故障穿越控制策略進(jìn)行修正。

控制模塊中發(fā)電機(jī)子模塊包括發(fā)電機(jī)和Crowbar兩個(gè)部分。4類風(fēng)電機(jī)組無論采用異步電機(jī)、雙饋電機(jī)、同步電機(jī)中何種電機(jī)類型，模型中均使用發(fā)電機(jī)五階模型。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子Crowbar模型由判斷、延時(shí)、執(zhí)行三個(gè)部分組成開環(huán)控制，可基于實(shí)際風(fēng)電機(jī)組控制策略與控制器子模塊的故障穿越控制進(jìn)行配合。發(fā)電機(jī)子模塊包括發(fā)電機(jī)和Crowbar兩個(gè)部分。以雙饋發(fā)電機(jī)為例，發(fā)電機(jī)的電壓方程為：

磁鏈方程為：

轉(zhuǎn)矩方程為：

運(yùn)動(dòng)方程為：

其中u為電壓，i為電流，R為電阻，L為電感，ψ為磁鏈，ω為角速度，下標(biāo)d和q表示旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)軸的縱軸和橫軸，下標(biāo)s和r表示發(fā)電機(jī)定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)，L_m為發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子的互感，ω_M為電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度，T_M為機(jī)械轉(zhuǎn)矩，T_E為電磁轉(zhuǎn)矩，n_p為電機(jī)極對(duì)數(shù)，D_M為電機(jī)阻尼系數(shù)，J_M為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子Crowbar模型由判斷、延時(shí)、執(zhí)行三個(gè)部分組成開環(huán)控制，可基于實(shí)際風(fēng)電機(jī)組控制策略與控制器子模塊的故障穿越控制進(jìn)行配合。Crowbar投入的判斷條件為轉(zhuǎn)子過流，當(dāng)轉(zhuǎn)子電流超過上升沿設(shè)定閥值時(shí)，Crowbar經(jīng)過固定延時(shí)后投入。在模型中，Crowbar的投入通過修改轉(zhuǎn)子電阻和電感值的方式模擬。當(dāng)Crowbar投入后轉(zhuǎn)子電流下降低于下降沿設(shè)定閥值時(shí)，Crowbar經(jīng)過固定延時(shí)后切出。

電壓向量計(jì)算子模塊用于根據(jù)風(fēng)電機(jī)組電網(wǎng)側(cè)電流值和風(fēng)電機(jī)組等效阻抗計(jì)算受控電壓源的電壓向量。

保護(hù)模塊模擬風(fēng)電機(jī)組觸發(fā)保護(hù)而脫網(wǎng)的特性。輸入為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流、電網(wǎng)電壓、電網(wǎng)頻率，輸出為風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)斷路器的控制指令信號(hào)。對(duì)應(yīng)的保護(hù)變量包括發(fā)電機(jī)超速、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)過流、電網(wǎng)過壓、電網(wǎng)過欠頻。電網(wǎng)欠壓保護(hù)合并至控制模塊的風(fēng)電機(jī)組故障穿越控制中，若電網(wǎng)電壓低于故障穿越規(guī)定電壓曲線，則風(fēng)電機(jī)組觸發(fā)保護(hù)并網(wǎng)脫網(wǎng)。

如圖8所示，電壓源模塊為風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)中的等效單元，電壓源模塊接收控制模塊發(fā)送的電壓向量，并根據(jù)電壓向量模擬風(fēng)電機(jī)組的涉網(wǎng)電氣特性；電壓源模塊包括串聯(lián)的受控電壓源和等效阻抗。

以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)其限制，盡管參照上述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員依然可以對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行修改或者等同替換，而這些未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，其均在申請(qǐng)待批的本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。