CN103324801B - 基于rtds的风力机数字仿真方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于RTDS的风力机数字仿真方法，包括如下步骤：基于RSCAD/CBuilder建立符合RTDS标准元件格式的风力机数字仿真模型；其中，仿真模型包括元件模型及其所含的用于输入仿真参数的参数对话框；编制所述仿真模型的计算程序，其中，计算程序用于根据参数对话框输入的仿真参数和模型输入量计算风力机的能量转换过程;对所述仿真模型的图标文件和计算程序源代码进行编译并植入RTDS标准元件库中；在进行风力发电***RTDS仿真时，调用所述风力机元件模型并根据实际仿真对象在参数对话框中输入仿真参数对风力机的风能‑机械能转换过程进行仿真。上述基于RTDS的风力机数字仿真方法，具有通用性强、易实施、仿真结果准确，仿真效果好、可以进行风电场多机等值仿真等优点。

Description

基于RTDS的风力机数字仿真方法
技术领域
本发明涉及电力***实时数字仿真技术领域，特别是涉及一种基于RTDS的风力机数字仿真方法。
背景技术
RTDS(Real-Time Digital Simulator)是目前电力科研和工程领域应用最广的实时数字仿真工具，随着RTDS仿真在风力发电技术和设备研发方面起着越来越大的作用，风力发电***仿真对RTDS元件模型的提出了专用化要求，例如专门用于模拟风电场原动机拖动特性的风力机元件模型。
目前，在进行风力发电***仿真过程中，能够使用的风力机元件模型，主要有在RTDS的标准元件模型库(RSCAD/Master)中的两个风电场建模的风力机元件模型，利用这两个风力机元件模型进行仿真时，存在明显的缺陷：由于其中一个模型没有风叶直径和齿轮比参数的设置功能，无法根据真实风力机参数建立符合实际的模型；而另一个模型则是针对某特定型号(恒功率机械控制型)的风力发电机，模型要求设置一些非常规参数(如桨距角范围、轮轴额定转速等)和不易直接得知的参数(如大气压强等)，导致在风力发电***仿真比较单一，不能便捷地用于多种类型风力机仿真，仿真效果差，同时也无法进行风电场的多机等值仿真。
发明内容
基于此，有必要针对仿真效果差、无法进行风电场多机等值仿真的问题，提供一种基于RTDS的风力机数字仿真方法。
一种基于RTDS的风力机数字仿真方法，包括如下步骤：
基于RSCAD/CBuilder建立符合RTDS标准元件格式的风力机数字仿真模型；其中，所述仿真模型模型包括元件模型及其所含的用于输入仿真参数的参数对话框；
编制所述仿真模型的计算程序，其中，所述计算程序用于根据参数对话框输入的仿真参数和模型输入量计算风力机的能量转换过程；
对所述仿真模型的图标文件和计算程序源代码进行编译并植入RTDS标准元件库中；
在进行风力发电***RTDS仿真时，调用所述风力机元件模型并根据实际仿真对象在参数对话框中输入仿真参数对风力机的风能-机械能转换过程进行仿真。
上述基于RTDS的风力机数字仿真方法，所建立的仿真模型符合RTDS标准元件格式，用户界面风格与RTDS标准元件库完全相同，模型需要输入的仿真参数均为实际风力机的标准铭牌参数或易知环境参数，而模型计算程序在RTDS每一个实时步长内根据仿真参数和模型输入变量计算风力机的风能-机械能转换过程并将机械转矩的计算结果标幺化后作为输出量。具有通用性强、易实施、仿真结果准确，仿真效果好、可以进行风电场多机等值仿真等优点。
附图说明
图1为一个实施例的基于RTDS的风力机数字仿真方法流程图；
图2为一个实施例的风力机仿真模型及其仿真参数对话框示意图；
图3为一组典型的c1～c6系数所对应的Cp-λ特性曲线图；
图4为针对实施例进行RTDS仿真得到的风力机风速-机械转矩特性示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的基于RTDS的风力机数字仿真方法的具体实施方式作详细描述。
图1为基于RTDS的风力机数字仿真方法流程图，包括如下步骤：
S101：基于RSCAD/CBuilder建立符合RTDS标准元件格式的风力机数字仿真模型；其中，所述仿真模型模型包括元件模型及其所含的用于输入仿真参数的参数对话框。
所述风力机的元件模型包括风速、桨距角、发电机转速三个变量输入端点以及机械转矩输出端点；所述仿真参数包括气象环境参数、风能利用率公式系数、风轮机械参数、发电机容量参数。
进一步的，所述参数对话框还用于监测风能-机械能转换过程计算中的中间变量。
具体的一个实施例，如图2所示，图2(a)为风力机元件模型示意图，将风速01、桨距角反馈控制信号02和传动轴转速测量信号04(标幺值)作为输入量，根据这些输入量和仿真参数计算得出的机械转矩作为仿真模型输出端点的实时输出量03(标幺值)。
参数对话框如图2(b)所示，用户界面的弹出式参数对话框主要用于模型参数设置，包括气象环境参数、风能利用率公式系数、风轮机械参数、发电机容量参数等，模型的各类仿真参数列表如下：
S102：编制所述仿真模型的计算程序，其中，所述计算程序用于根据参数对话框输入的仿真参数和模型输入量计算风力机的能量转换过程并将计算出的机械转矩作为模型的输出量。
具体地，作为一个实施例，所述计算程序的能量转换计算过程包括如下步骤：
1)根据气象环境参数计算出空气密度；具体地，计算过程如下：
Pa＝0.001*exp[5.25885*ln(288.15-0.0065*h)-18.25731]；
Pb＝0.61121*exp[17.67*T/(243.5+T)]；
ρ＝3.484*Pa*(1-0.378*Humi*Pb/Pa)/(273.15+T)；
其中，h为气象环境参数中的海拔高度，T为气象环境参数中的空气温度，Humi为气象环境参数中的空气相对湿度，Pa为空气压强，Pb为饱和水蒸气压强，ρ为空气密度。
2)根据所述风速、风轮机械参数和空气密度计算出风能；具体地，计算过程如下：
Pt1＝0.0000005*ρ*π*R^2*velocity^3；
其中，R为风轮半径，velocity为风速，Pt1为风能。
3)根据风速和发电机转速计算出叶尖速比；具体地，计算过程如下：
λ＝2π*freq*R*speed/velocity；
其中，freq为额定频率，2π*freq*R*speed为发电机转速，λ为叶尖速比。
4)根据所述桨距角、叶尖速比计算出风能利用率；具体地，计算过程如下：
Cp＝(c1-c2*β)*sin[0.5π*(λ-3*(1-exp(-λ/3)))/(c3-c4*β)]-(λ-3*(1-exp(-λ/3)))*c5*β+c6/(1+λ)；
其中，β为桨距角，c1～c6为风能利用率公式系数，Cp为风能利用率。
5)根据所述风能和风能利用率计算出机械转矩，并根据发电机容量参数将所述机械能进行标幺化；具体地，计算过程如下：
PtN＝Num*eff*Cp*Pt1；
Tm＝PtN/mva；
其中，Num为等值风力机台数，eff为风力机能量转换效率，PtN为风力机的机械能，Tm为风力机机械转矩的标幺值，mva为发电机参数中的等值发电机容量。
S103：对所述仿真模型的图标文件和计算程序源代码进行编译并植入RTDS标准元件库中。
在一个实施例中，所建立的风力机仿真模型及其模型参数对话框是后缀名def的图标文件形式，所述的计算程序源代码是后缀名分别为h和c的数据定义和计算程序文件，对这些文件进行编译并将产生的后缀名o目标文件(仿真模型运算执行代码)植入RTDS标准元件库中，以供仿真时调用。
S104：在进行风力发电***RTDS仿真时，调用所述风力机元件模型并根据实际仿真对象在参数对话框中输入仿真参数对风力机的风能-机械能转换过程进行仿真。
在一个实施例中，在上述仿真建模过程中，在设置风力机元件模型参数时，对于实际仿真对象的铭牌参数或易知环境参数，可以直接输入；而对于风能利用率公式系数c1～c6则采取间接方法设置，由于有关风能利用率的实际原始数据一般为Cp与叶尖速比或与风速的关系，因此，可以根据实际关系曲线对系数c1～c6进行拟合，如图3所示，图3为一组典型的通过拟合获得的c1～c6系数及其所对应的Cp-λ特性曲线图。
在一个实施例中，在进行风力发电***RTDS仿真时，对于风力机桨距角控制方式，可以如下：
转子转速低于额定转速为最大风能追踪、高于额定转速为恒功率控制。相关仿真结果参考图4，图4为进行RTDS仿真得到的风力机的风速-机械转矩特性示意图。
本发明的基于RTDS的风力机数字仿真方法，所建模型具有与实时数字仿真器RTDS的Master Lab库其它元件模型完全相同的GUI(图形用户界面)风格，适用于大型风力发电场RTDS实时数字仿真的原动机***建模，能够动态模拟单台或多台等值风力机的风能-机械能转换过程。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.一种基于RTDS的风力机数字仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：
基于RSCAD/CBuilder建立符合RTDS标准元件格式的风力机数字仿真模型；其中，所述仿真模型包括元件模型及其所含的用于输入仿真参数的参数对话框；所述元件模型包括：风力机单机或多机等值模型以及风速、桨距角、发电机转速三个输入端点和机械转矩输出端点；所述仿真参数包括：气象环境参数、风轮机械参数、风能利用率公式系数、发电机容量参数；
编制所述仿真模型的计算程序，其中，所述计算程序用于根据参数对话框输入的仿真参数和模型输入量计算风力机的能量转换过程；计算程序计算风力机的能量转换过程包括：根据气象环境参数计算出空气密度；根据所述风速参数、风轮机械参数和空气密度计算出风能；根据风速参数和发电机转速计算出叶尖速比；根据所述桨距角、叶尖速比并利用风能利用率公式计算出风能利用率；根据所述风能和风能利用率计算出机械转矩，并根据发电机容量参数将所述机械转矩进行标幺化；
对所述仿真模型的图标文件和计算程序源代码进行编译并植入RTDS标准元件库中；
在进行风力发电***RTDS仿真时，调用所述风力机元件模型并根据实际仿真对象在参数对话框中输入仿真参数对风力机的风能-机械能转换过程进行仿真。
2.根据权利要求1所述的基于RTDS的风力机数字仿真方法，其特征在于，所述参数对话框还用于监测所述计算程序计算中的内部变量。
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