风电机组模型建立

风电机组风速-功率特性曲线建模研究综述杨茂;杨琼琼【摘要】风速-功率特性曲线是风力发电机组设计的基础,也是考核机组性能、评估机组发电能力的一项重要指标.介绍风速-功率特性曲线的定义、概念和基本特点,分别从参数方法、非参数方法、离散方法、随机方法4个方面详细阐述风速-功率特性曲线建模的实现方法.分析建模精度的评价方法,提出目前风速-功率特性曲线建模遇到的问题以及需要进行深入研究的发展方向.%The wind speed-power characteristic curve is the basis for the design of wind turbine,and it is also an important indicator for assessing the unit performance and generation ability.The definition,concept and basic features of wind speed-power characteristic curve are introduced,and the modeling methods for the curve are elaborated from four aspects,i.e.parametermethod,nonparametric method,discrete method,and random method.The evaluation method for modeling accuracy is analyzed and also the problems currently faced during modeling and the development directions needed to be deeply researched are proposed.【期刊名称】《电力自动化设备》【年(卷),期】2018(038)002【总页数】10页(P34-43)【关键词】风速-功率特性曲线;参数方法;非参数方法;离散方法;随机方法;建模【作者】杨茂;杨琼琼【作者单位】东北电力大学电气工程学院,吉林吉林132012;东北电力大学电气工程学院,吉林吉林132012【正文语种】中文【中图分类】TM6140 引言随着世界经济迅速发展，相应的能源需求也随之增长，传统的化石能源面临着能源枯竭的威胁。

固定式轮毂： 相对固定铰链式轮毂： 自由的铰链式轮毂：
2、 传动系
将风轮的力和力矩通过变速后传递给发电机，当风轮转速过高 时并能限制传动轴转动。
传动系包括低速传动轴、叶片刹车盘、增速箱、耦合器和高速 传动轴。
齿轮箱和叶片：中国风电发展限制的主要因素。
2.1齿轮箱
（1）由于发电机转速高，二极三相交流发电机转速约每分 钟3000转，四极三相交流发电机转速约每分钟1500转， 六极三相交流发电机转速约每分钟1000转，而风力机风轮 转速低，小型风力机转速每分钟最多几百转，大中型风力 机转速约每分钟几十转甚至十几转。这么大的转速差别， 风轮只有通过齿轮箱增速才能带动发电机以额定转速旋转。
南高齿还与美国通用开展技术合作，专为通用公司做配套。
齿轮箱外资企业主要是弗兰德机电传动（天津）有限公司，2005年被西门子公司 收购后改名西门子机械传动（天津）有限公司，主要为外资整机厂供货。
2.2轴 承
风电机组主轴承在国内还没有专业制造厂， 目前几乎全部依赖进口，主要的国外厂商有 SKF、FAG等；其他部位的轴承，如偏航轴 承和变桨轴承，徐州罗特艾德公司可以生产。
风力发电系统构成
一、风力发电机组的系统组成
风力发电系统是将风能转换为电能的机械、电气及控制设 备的组合。
水平轴发电装置通常包括风叶、传动机构（传动轴、增速 器）、停车制动器、发电机、机座、 塔架、调速器（或限 速器）、对风装置、储能装置和控制器等。
（1）叶轮
将风的动能转换为机械能并带动其它装置。 叶轮由叶片与轮毂组成。 1.1叶片数目的确定 依据使用目的、当地风能状况决定采用高速或低速风轮后。 叶片数选择的基本原则： （1）提高风轮转速就要减少叶片数，这样可使齿轮箱变速比减小，并可降

风电机组电气仿真模型验证规程1. 引言风电机组的电气仿真模型验证是风电场建设和运营过程中的重要环节。

通过对风电机组的电气系统进行仿真模拟，可以评估其性能、可靠性和安全性，为设计优化、故障诊断和运行调度提供依据。

本文将编写一个风电机组电气仿真模型验证规程，旨在确保验证过程的科学性、规范性和可操作性。

2. 验证目标风电机组电气仿真模型验证的主要目标是评估其在不同工况下的响应和稳定性，以及与实际运行情况的一致性。

具体包括以下几个方面：•验证风机控制系统在正常运行工况下的稳定性和精度。

•验证发电机、变频器和变压器等关键设备的响应特性。

•验证并优化整个系统的动态响应、稳态输出和功率因数等指标。

•验证保护装置对异常情况的响应速度和准确性。

3. 验证方法3.1 仿真软件选择选择适合的仿真软件是风电机组电气仿真模型验证的首要任务。

常用的仿真软件包括PSCAD、EMTP-RV和PSIM等，根据具体需求和预算进行选择。

3.2 仿真模型建立根据实际风电机组的电气系统结构和参数，建立相应的仿真模型。

包括风机控制系统、发电机、变频器、变压器、输电线路等各个部分，并确保模型与实际系统一致。

3.3 验证案例设计根据不同工况和故障情况，设计一系列验证案例。

包括正常运行工况下的功率输出、稳态响应和功率因数等指标，以及故障情况下的过流、过压、短路等异常情况。

3.4 仿真参数设置根据验证目标和案例要求，设置仿真参数。

包括仿真时间步长、采样频率、初始条件等，并对较为关键的参数进行灵敏度分析。

3.5 仿真运行与结果分析按照设计好的验证案例，运行仿真模型并记录仿真结果。

对比仿真结果与实际运行数据，分析差异并评估模型的准确性和可靠性。

根据仿真结果优化模型参数和控制策略。

4. 验证报告编写根据验证过程和结果，编写详细的验证报告。

报告应包括以下内容：•验证目标和方法的描述。

•仿真模型的建立和参数设置。

•验证案例设计和仿真运行结果。

•结果分析和评估，包括与实际运行数据的对比。

第31卷增刊2 电 网 技 术V ol. 31 Supplement 2 2007年12月Power System Technology Dec. 2007文章编号：1000-3673（2007）S2-0330-05中图分类号：TM938文献标识码：A学科代码：470·4017 风电场模型及其对电力系统的影响娄素华1，李志恒1，高苏杰2，吴耀武1（1．华中科技大学电气与电子工程学院，湖北省武汉市 430074；2．国网新源控股有限公司，北京市东城区 100005）Wind Farms Models and Its Impacts on Wind Farms Integration into Power SystemLOU Su-hua1，LI Zhi-heng1，GAO Su-jie2，WU Yao-wu1（1．School of Electrical and Electronic Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，Hubei Province，China；2．State Grid Xin Yuan Company Limited，Dongcheng District，Beijing 100005，China）摘要：介绍了风力发电系统建模的一般思路及常用的风电场模型，然后对风电并网几个重要课题的分析方法进行了研究，比较了适用于不同研究目的的风电场模型的优劣及相应的分析方法，指出了风电场建模方法存在的主要文体，总结了风电接入对系统影响的几个主要方面。

关键词：风力发电；风电场模型；潮流；电能质量；稳定性0引言作为一种可再生能源，风电由于其分布较广的特点及其相对成熟的开发技术而在全世界得到了长足的发展。

风电的优势在于其环境友好性，但它的缺点也是很明显的：风力的随机性和间歇性不能保证输出平稳的电力，这对电力系统的稳定性以及发电和运行计划的制定带来很多困难；风电场一般远离负荷中心，承受冲击的能力很弱，随着风电装机规模的扩大，风电的不可控性将给电力系统带来新的挑战。

新能源风电发展预测与评价模型汇报人：日期:•引言•新能源风电发展现状及趋势•新能源风电发展预测模型目录•新能源风电评价模型•新能源风电发展策略建议•结论与展望•参考文献01引言随着全球能源结构的转型，风电等新能源在能源供应中的地位日益重要。

能源结构转型政策支持技术进步各国政府纷纷出台新能源政策，以推动风电等新能源的发展。

风电技术的不断进步，如大型化、智能化等，提高了风电的发电效率和竞争力。

03研究背景与意义0201本研究旨在预测未来几年全球新能源风电的发展趋势，评估其发展潜力，为政策制定者和企业决策者提供决策参考。

研究目的本研究将采用文献综述、数据分析和专家咨询等方法，综合运用多种研究手段，对新能源风电的发展进行全面评估。

研究方法研究目的与方法02新能源风电发展现状及趋势国内外新能源风电发展现状国内现状风电场建设规模不断扩大风力发电技术持续升级•风电产业快速发展，成为可再生能源的重要支柱国际现状全球风电市场持续增长欧美国家保持风电技术领先地位发展中国家风电市场潜力巨大新能源风电发展趋势与挑战发展趋势海上风电成为发展重点分布式风电受到重视•储能技术将得到应用以解决风电的不连续性新能源风电发展趋势与挑战新能源风电发展趋势与挑战挑战风力发电设备的生产和运维成本仍需降低需要解决电网接入和调度问题风能资源的不确定性导致发电量不稳定03新能源风电发展预测模型通过线性回归模型，分析风电装机容量与时间的关系，预测未来风电装机容量的趋势。

预测模型的构建线性回归模型利用支持向量机模型，对风电功率进行预测，该模型具有良好的泛化性能和分类能力。

支持向量机模型采用灰色预测模型，对风电装机容量的增长速度进行预测，该模型适用于对具有指数增长趋势的数据进行预测。

灰色预测模型收集过去十年的风电装机容量数据，并进行预处理，如缺失值填充、异常值处理等。

历史数据获取风电场所在区域的气象数据，如风速、风向、气压等，以评估风电功率的波动情况。

比Ａ对应与其相应的最大风能利用系数Ｃ。。。对于 任意的叶尖速比，随着桨距角的减小，风能利用系数
逐渐增大。上述结论为变桨距控制提供了理论基
础：在风速低于额定风速时，桨叶节距角口＝０。。发
电机输出功率未达到额定功率，随风速变化通过改
变发电机转子转速或者叶尖速比使风能利用系数恒
定在Ｃ。。。捕捉最大风能。在风速高于额定风速
从自然风只能获取有限能量。风轮实际获得的风能 功率为
Ｐ，＝ｃ，（Ａ，卢）·专－ｐｌｒＲ２移３
（６）
Ａ：坚
（７）
风轮转矩与风速、风轮转速有关，关系式为
ｔ＝岳－ｃｐ㈧鲈扣树毒 ∞，
‘
Ｚ。
∞，
（８）
式中Ｐ。——风轮实际吸收的功率／ｗ；
ＣＡ，·（叶Ａ，尖卢速）—比—；功率系数；
ｒＢ空——气桨密距度角／（。ｋｇ）；·ｍ～；
数，有
云＝后 （蠡为常数）
（２）
２．１．２ 阵风
阵风反映了风速的突变性。其数学模型为
‰＝孚［１一ｃ。ｓ２１Ｔ（争一争）］ （３）
－
１ｇ
１ｇ
２．１．３ 渐变风
渐变风风速是反映风速缓慢变化的特性。其数
学模蚴”尺一（１一等） （４）
·２５·
万方数据
２．１．４随机风
随机风速（％）反映风速变化的随机性，用随机
收稿日期２０ｌｌ—０７一１６ 修订稿日期２０ｌｌ—１０—２０ 基金项目：国家自然科学基金项目（Ｎ０．５１１６７０ｌＩ）；内蒙古自治
区自然科学基金项目（Ｎ０．２０１０Ｍｓ０９０５） 作者简介：陈虎（１９黼一），男．硕士研究生，研究方向：风力发电
机组的智能控制技术。
·２４·
Ｏ引言
风力发电作为一种不竭的可再生资源，具有其 它能源不可取代的优势和竞争力。风能的利用一直 是世界上增长最快的能源，装机容量近年每年增长 超过３０％。预计到２０２０年全球的风力发电装机将

− LAB − LBA −LCB −LaB −LbB −LcB
− LAC − LBA −LCC −LaC −LbC −LcC
− LAa − LBa −LCa −Laa −Lba −Lca
− LAb −LBb −LCb −Lab −Lbb −Lcb
−LAc iA
−
LBc
iB
−LCc −Lac
关键词：Matlab 双馈风电机 变速恒频
作为一种无污染、易获取以及零成本的可再生清洁能 源，风能具有广阔的发展前景。风力发电技术作为发展最快、 最可能商品化的技术之一，具有很多其他能源无法比拟的 优势。例如，风电技术建设周期短，一台风机安装时间不 超过三个月；万千瓦级风电场建设期不超过一年，即可再 投产一台。风力发电因为其具有特殊优势受到各个国家重 视，许多国家都将其列入发展计划中，并投入大量人力、 财力，获得了较大的成绩。
图 1 双馈变速发电机运行原理
2 双馈发电机的数学模型
双馈风电机也称为交流励磁风电机，是一个高阶非线
性强耦合多变量系统，若只对励磁电压进行标量控制，是
无法满足要求的，所以需要将定子绕组磁场作为定向控制
目标，以便达到简化系统的目的。通过坐标变换能够得到
同步发电机在两相同步旋转坐标系上的数学模型。
双馈风电机定子绕组的电压方程如式（1）所示。
+
iiCa
（4）
−Lbc
ib
−Lcc ic
双馈发电机内部电磁关系与输入机械转矩以及机械转
矩变换成的电磁转矩有着十分紧密的关系。忽略电机各部
分传动摩擦，转矩间平衡关系如式（5）所示。
Tm
= Te
+
J np
dω dt
（5）

双馈型风电场详细模型建模方法马少康;耿华;马进;杨耕【期刊名称】《电工技术学报》【年(卷),期】2017(032)0z1【摘要】提出一种双馈型风电场详细模型的建模方法.所建立的模型可体现风场内每一台风机以及集电系统的电磁暂态过程.该建模方法利用元件连接法(CCM)的思路,首先将风机、集电线路及变压器等视为分立元件,并建立各个元件的详细模型.再根据CCM元件连接规则连接各元件,构成风电场的详细模型.利用该建模方法能够获得系统的非线性微分方程,便于后续利用非线性系统理论进一步对系统展开分析.此外,该模型建立在dq坐标系,稳态时各物理量均为直流,借助线性化工具,可方便地获得风电场在某稳态工作点处的线性化矩阵.通过对比仿真验证了该建模方法的准确性.【总页数】10页(P1-10)【作者】马少康;耿华;马进;杨耕【作者单位】清华大学自动化系北京 100084;清华大学自动化系北京 100084;清华大学自动化系北京 100084;悉尼大学电气与信息工程学院悉尼 NSW 2006;清华大学自动化系北京 100084【正文语种】中文【中图分类】TM614【相关文献】1.含双馈型风电场的配电网智能无功优化方法研究 [J], 王凌云;郑业爽;杨敏威2.变速恒频双馈风电机组风电场动态出力特性建模方法 [J], 刘力卿;李秀锦;余洋;王磊;闫坤3.基于实时数字仿真的大型风电场双馈型机组等值模型的建立 [J], 郭厚静;刘昭睿;程晓磊;乌日娜4.附加频率控制双馈风电场频率响应特性建模与参数辨识 [J], 陈鹏伟;戚陈陈;陈新;陈杰;李朝晖5.基于FPGA的直驱型风电场详细电磁暂态建模方法 [J], 雷肖;龚文明;张斯翔;赵晓斌;彭代晓因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

电力系统综合稳定程序psasp模型使用31在基础数据中设置风电场在发电机及其调节器数据输入窗口增加风电场所在母线及其类型pvpqpvpq等并在功率和电压页面填写与节点类型对应电压功率等数据在发电机及其调节器页填写同步机模型号为7鼠笼异步风力发电机或8双馈直驱通用风力发电机并填写相应参数组
PSASP 6.2x 风力发电机模型 使用说明
*该参数为模型扩展预留，现固定为双质块模型。 风电机无功控制方式可选为电压控制方式或功率因数控制方式， 前者以控制 机端或机端外线路上一点电压恒定为控制目标， 后者以保持风力发电机功率因数 保持不变为控制目标。 RL+jXL 为电压控制时补偿一部分线路压降的线路阻抗， 填 0 表示电压控制点为机端。 初始风速可由用户给定，软件根据风电机实际出力和风速自动确定桨矩角。 如初始风速填写不合理或不填写，则自动按最小桨矩角确定风速（推荐） 。 空气密度为风电场当地的空气密度，如无确切数据，可按 1.225 填写。
10
电力系统综合稳定程序 PSASP
®
风力发电机模型说明
风曲线。
6 5 4
VG (m/s)
3 2 1 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
t (s)
图 4-3 阵风扰动曲线
4.2 渐变风（Ramp Wind）
当风速扰动为渐变风时，风速变化扰动窗口如图 4-4 所示。其中上升时间 T1 含义为渐变风从 0 增加到峰值所用时间，下降时间含义为渐变风由峰值下降 为 0 所用时间，渐变风最大值含义为渐变风变化峰值。
中国电力科学研究院 综合程序室 二〇〇八年六月
电力系统综合稳定程序 PSASP
®
风力发电机模型说明
1 模型类型及概况
电力系统分析综合程序（PSASP 6.2x）中的风力发电机模型现有两类——鼠 笼异步风力发电机和双反馈直驱风力发电机通用模型，以后还将逐步扩充。前者 用于模拟定速定桨矩风机，后者用于模拟变速变桨矩风机。 鼠笼风机模型对应 7 型发电机模型， 双馈直驱通用模型对应 8 型发电机模型。 在“公用参数(P)”菜单最下方增加填写两类风力发电机公用参数的菜单命令， 如图 1-1 所示。

第一章、绪论1、风力发电机组的组成风力发电机组可分为风轮、机舱、塔架和基础几个部分;1风轮由叶片和轮毂组成;叶片具有空气动力外形,在气流作用下产生力矩驱动风轮转动,通过轮毂将扭矩输入到主传动系统;2机舱由底盘、导流罩和机舱罩组成,底盘上安装除主控制器以外的主要部件;机舱罩后部的上方装有风速和风向传感器,舱壁上有隔音和通风装置等,机舱底部与塔架连接;3塔架支撑风轮与机舱达到所需要的高度;塔架上安置发电机与主控制器之间的动力电缆、控制和通信电缆,还装有供操作人员上下机舱的扶梯,大型机组还设有升降机;4基础为钢筋混凝土结构,根据当地地质情况设计成不同的形式;基础中心预置有于塔架连接的基础部件,以保证将风力发电机组牢牢固定在基础上;基础周围还设置预防雷击的接地装置;2、变桨距、变速型的风力发电机组内部结构1变桨距系统：设在轮毂之中,对于电动变距系统来说,包括变距电动机、变距减速器、变距轴承、变距控制器和备用电源等;2发电系统：包括发电机、变流器等;3主传动系统：包括主轴及主轴承、齿轮箱、高速轴和联轴器等;4偏航系统：由偏航电动机、偏航减速器、偏航轴承、制动机构等组成;5控制与安全系统：包括传感器、电气设备、计算机控制与安全系统含相应软件和控制欲安全系统执行机构等;此外,还设有液压系统,为高速轴上设置的制动装置、偏航制动装置提供液压动力;液压系统包括液压站、输油管和执行机构;为了实现齿轮箱、发电机、变流器的温度控制,设有循环油冷却系统、风扇和加热器;3、风力发电机组的分类：1按功率大小：a微型~1kw；b小型1~100kw；c中型100~1000kw；d大型1000kw以上;2按风轮轴方向：a水平轴风力发电机组随风轮与塔架相对位置的不同而有上风向与下风向之分;风轮在塔架的前面迎风旋转,叫做上风向风力发电机组；风轮安装在塔架后面,风先经过塔架,再到风轮,则称为下风向风力发电机组;上风向风力发电机组必须有某种调向装置来保持风轮迎风,而下风向风力发电机组则能够自动对准风向,从而免去了调向装置;对于下风向风力发电机组,由于一部分空气通过塔架后再吹向风轮,这样塔架就干扰了流过叶片的气流而形成塔影效应,增加了风轮旋转过程中叶片载荷的复杂性,降低了风力发电机组的出力和其他性能；b垂直轴风力发电机组;3按功率调节方式：a定桨距风力发电机组；b变桨距调节风力发电机组；c主动失速调节风力发电机组;4按传动形式：a高传动比齿轮箱型；b直接驱动型；c中传动比齿轮箱型半直驱;5按发电机转速变化：a定速恒速；b多态定速；c变速;4、设计依据风力发电机组的设计依据是风力发电机组的设计任务书,一般包括基本形式、基本参数和外部条件;1基本形式：目前的主流机型是水平轴、上风向、三叶片、变桨距、变速恒频风电机组; 2基本参数：风力发电机组的基本参数主要是指风力发电机组的额定功率、转速范围、总效率、设计寿命和生产成本等;3外部条件：风力发电机组的外部条件包括运行环境条件、电网条件和风场地质情况;运行环境条件主要是风资源、湍流和阵风情况、气候情况等;5、设计内容设计内容包括风力发电机组设计图样和相关的设计文件;设计图样包括外观图、部件图和零件图；设计文件包括设计计算说明书、运输和安装说明书、用户使用和维护手册等;1外观图：风力发电机组的外观图描述了其整体结构并标注了主要尺寸,同时用文字注明了设备的技术特征,如机组类型、功率调节方式、风轮旋转方向、额定功率、额定风速、风轮直径、风轮转速范围、风轮倾角、风轮圆锥角、变距最大角度、齿轮箱类型、齿轮箱增速比、发电机类型、塔架类型、轮毂中心高和各主要部件质量;2部件图：部件图是各层次安装工作的指导图样,表示各零件之间的装配关系、配合公差、轮廓尺寸、装配技术条件和标题栏等;3零件图：零件图是生产零件的依据,包括零件的结构和形状、尺寸、表面粗糙度和几何公差、材料及表面处理技术要求、技术条件、标题栏等;设计零件时,要进行相应的载荷分析和强度校核;4设计文件：设计文件是与设计相关的规范性文件,详细描述了机组设计、制造、装配、运行维护过程的理念、标准、理论依据、方法和技术要求,用于设计部门存档、指导装配和安装、指导用户作业和指导维修人员的维修作业;6、设计原则可靠性、经济性与社会效益、先进性、工艺性和易维修性、标准化;7、设计步骤1方案设计概念设计：确定风力发电机组的主要参数、整体布局和结构形式；对机组的整体载荷及整机质量进行初步计算,选择主要部件的结构,完成机舱布局的计算机设计模型；同时给定控制策略;在此基础上撰写方案设计说明书;2技术设计初步设计：根据方案设计资料,进行整机和部件结构设计和确定技术要求；进行机组载荷计算和分析；对关键零部件进行校核计算和分析；进行电气控制与安全系统设计；初步选择外购件的型号;在此基础上提供技术设计图样和技术设计说明书;3施工设计详细设计：根据技术设计结果,进行载荷计算,对零部件进行强度和刚度校核及失效分析,对关键零部件进行优化设计；对整机进行可靠性分析和动态分析;修改和审定加工图样和技术文件,填写标准件和外购件明细表,撰写设计计算说明书、运输和安装说明书以及用户使用和维修手册;第二章、风力发电机组机械设计基础1、风力发电机组等级由风速和湍流参数决定,分级的目的在于最大限度的利用风能,风速和湍流参数代表了相应风电机组安装场地的类型;注：1、表中所示参数值对应于轮毂高度;2、V ref表示10min平均参考风速；A表示高湍流特性等级；B表示中湍流特性等级；C表示低湍流特性等级；I ref表示风速为15m/s时湍流强度的期望值;2、风况分为：正常风况风力机正常运行期间频繁出现的风况条件和极端风况1年一遇或50年一遇的风况条件;参考风速：50年一遇在轮毂高度处持续10min阵风;3、风况条件是由平均恒流与确定阵风或湍流结合而成;4、每种类型的外部条件又可分为正常外部条件和极端外部条件;5、湍流：风速矢量相对于10min平均值的随机变化;在使用湍流模型时应考虑风速、风向和风切边变化的影响;6、湍流风速矢量的三个分量；纵向沿着平均风速方向横向水平并且与纵向垂直的方向竖向与纵向和侧向均垂直的方向7、正常风廓线模型NWP：风廓线vz是地表以上平均风速对垂直高度z的函数;Vz=VhubZ/Zhub的a次方;8、极端风况：用于确定风力发电机组的极端风载荷,这些风况包括由暴风及风速和风向的迅速变化造成的风速峰值;9、极端风速模型EWM：极端风速模型可能为稳定的或波动的风模型;风速模型应该基于参考风速Vref和确定的湍流标准差σ1,σ1=Iref+b;b=s,σ1=;10、其他环境条件：热、光、腐蚀、机械、电或其他物理作用、温度、湿度、空气密度、阳光辐射、雨、冰雹、雪和冰、活学活性物质、雷电、地震、盐雾;11、正常环境：温度-30~+150,湿度<=95%,阳光辐射强度1000W/m2;12、电网条件：1电压标称值+10%2频率标称值+2%3三相电压不平衡度,电压负序分量的比率不超过2%4适合的自动重合周期5断电,假定电网一年内断电20次,一次断电6小时为正常条件,断电一周为极端条件;13、设计工况：分为运行工况启动发电关机和临时性工况运输吊装维护14、设计工况：发电、发电兼有故障、起动、正常关机、紧急关机、停机、停机兼有故障、运输装配维护和修复;15、DLC设计载荷状态 ECD方向变化的极端连续阵风模型 EDC极端风向变化模型EOG极端运行阵风模型EWM极端风速模型EWS极端风切变模型ETM极端湍流模型NTM正常湍流模型NWP正常风廓线模型F疲劳性载荷分析U极限强度分析N正常A非正常 T运输和安装Vmaint维修保养风速;16、局部安全系数：由于载荷和材料的不确定性和易变性,分析方法的不确定性以及零件的重要性,在设计中一定要有必要的安全储备;17、载荷局部安全系数：载荷特征值出现不利偏差的可能性或不确定性；载荷模型的不确定性;18、材料局部安全系数：材料特征值出现不利偏差的可能性或不确定性；零件截面抗力或结构承载能力评估不确定的可能性；几何参数不确定性；结构材料性能与试验样品所测性能之间的差别；换算误差;19、失效影响安全系数用来区分以下几类零件：1一类零件：失效安全结构件结构件失效后不会引起风力发电机组重要零件的失效2二类零件：非失效安全结构件3三类零件：非失效安全机械件把驱动机构和制动机构与主结构连接起来,以执行风力发电机组无冗余的保护功能;20、风力发电机组极限状态分析内容：极限强度分析；疲劳失效分析；稳定性分析；临界挠度分析;21、稳定性分析：在设计载荷作用下,非失效安全的承载件不应发生屈曲;对于其他零件在设计载荷下,允许发生弹性变形;在特征载荷下,任何零件都不应发生屈曲;第三章、总体设计总体参数是涉及到风力发电机组总结结构和功能的基本参数,主要包括额定功率、发电机额定转速、总效率、设计寿命、年发电量、发电成本、总重量、重心;1、额定功率是正常工作条件下,风力发电机组的设计要达到的最大连续输出电功率;2、设计寿命：风电机组安全等级I到Ⅲ的设计寿命至少为20年;3、额定风速是锋利发电机组达到额定功率输出时规定的风速;10~15m/s；切入风速是风力发电机组开始发电时,轮毂高度处的最低风速;3~4m/s；切出风速是风力发电机组达到设计功率时,轮毂高度处的最高风速;25m/s攻角不变,半径r处的叶素弦长与风轮转速Ω的平方成反比；变桨距攻角改变,反比于转速;4、叶片质量正比于外壳厚度与弦长的乘积,因此它随转速而正比增加;5、转速增加导致叶片重量增加、成本增加,同时转速增加导致叶片平面外的疲劳弯矩减小,机舱和塔架成本减少;6、风力发电机组产生的气动噪声正比于叶尖速度的5次方;陆基叶尖速限制在65m/s,海上74m/s;7、比功率：风力发电机组额定功率与风轮的扫掠面积的比值;405W/m平方;风电机组的总体布局包括整机各部件、各系统、附件和设备等布置;8、总体布置原则：保证风力发电机组的强度、刚度、抗振性、平衡和稳定性,支撑部件要力求有足够的刚度；整机各部件、各系统、附件和设备等,要考虑布置得合理、协调、紧凑；保证正常工作和便于维护,并考虑有较合理的重心位置；传统系统力求简短,达到结构紧凑、体积小、重量轻;9、相似设计：根据研究出来的性能良好、运行可靠地模型来设计与模型相似的新风力机;10、风力机相似是指风轮与气体的能量传递过程以及气体在风力机内流动过程相似,他们在任一对应点的同名物理量之比保持常数,这些常数叫相似常数;11、相似条件：几何相似、运动相似、动力相似;12、几何相似：模型与原型风力机的几何形状相同,对应的线性长度比为一定值;13、运动相似：空气流经几何相似的模型与原型机时,其对应点的速度方向相同、比例保持常数;14、动力相似：满足几何相似、运动相似的模型与原型机上,作用于对应点力的方向相同,大小之比应保持常数;15、Re为雷诺数,表示作用于流体上的惯性力与黏性力之比16、对于具有相同叶尖速比的相似模型和原型机,他们的效率也相等;17、模型试验中,雷诺数的值比临界雷诺数高,相似性依旧成立;相反相似性差;18、风电机组成本排序：叶片、塔架、齿轮箱、机舱、电网联接、发电机;第四章、风轮与叶片设计风轮的作用是把风的动能转换成风轮的旋转机械能;风轮的输出功率与风轮扫掠面积或风轮直径的平方、风速的立方和风能利用系数成正比;第一节、概述一、叶片的基本概念1、叶片长度：叶片径向方向上的最大长度；2、叶片面积：叶片旋转平面上的投影面积；3、叶片弦长：叶片径向各剖面翼型的弦长；4、叶片扭角：叶片各剖面弦线和风轮旋转平面的夹角;二、风轮的几何参数1、叶片数：风轮的叶片数取决于风轮尖速比；2、风轮直径：风轮在旋转平面上的投影圆的直径；3、轮毂高度：风轮旋转中心到基础平面的垂直距离；4、风轮扫掠面积：风轮在旋转平面上的投影面积；5、风轮锥角：叶片相对于和旋转轴垂直的平面的倾斜角；其作用是在风轮运行状态下减少离心力引起的叶片弯曲应力和防止叶尖与塔架碰撞的机会;6、风轮仰角：风轮的旋转轴线和水平面的夹角；其作用是避免叶尖和塔架的碰撞;7、风轮偏航角：风轮旋转轴线和风向在水平面上投影的夹角；偏航角可以起到调速和限速的作用,但在大型风力发电机组中一般不采用这种方式;8、风轮实度：叶片在风轮旋转平面上投影面积的总和与风轮扫掠面积的比值；实度大小与尖速比成反比;三、风轮的物理特性1、风轮转速;2、风轮叶尖速比公式;3、风轮轴功率公式;第二节、风轮载荷设计计算一、叶片受力示意图升力,阻力系数公式;翼型的选择：对于低速风轮,由于叶片数较多,不需要特殊的翼型升阻比；对于高速风轮,由于叶片数较少,应当选用在很宽的风速范围内具有较高升阻比和平稳失速特性的翼型,对粗糙度不敏感,以便获得较高的功率系数；另外要求翼型的气动噪声低;二、叶片载荷1、静载荷1最大受力：50年一遇的最大阵风作为最大静载荷值；2最大弯矩：当重力和气动力在同一方向上；3最大扭矩：当最大阵风时;2、动载荷1由阵风频谱的变化引起的受力变化；2风剪切影响引起的叶片动载荷；3偏航过程引起的叶片上作用力的变化；4弯曲力矩变化,由于自重及升力产生的弯曲变形；5在最大转速下,机械、空气动力制动,风轮制动的情况下；6电网周期性变化;三、叶片的受力分析离心力、风压力、气动力矩、陀螺力矩;四、风轮的强度校核1、在载荷下运转时叶片强度的计算;2、无载荷运转时叶片轴强度的计算;3、叶片停转时叶片轴强度的计算;第三节、叶片气动设计一、风力机的性能指标风轮输出功率、风能利用系数、尖速比、推力系数;相关公式二、风力机的空气动力学设计动量理论、叶素理论;三、叶片结构设计与制造一轻型结构叶片的优缺点：优点：1、在变距时驱动质量小,在很小的叶片机构动力下产生很高的调节速度；2、减少风力发电机组总质量；3、风轮的机械制动力矩小；4、周期振动弯矩由于自重减轻而很小；5、减少了材料成本；6、运费减少；7、便于安装;缺点：1、要求叶片结构必须可靠,制造费用高；2、所用材料成本高；3、风轮在阵风时反应灵敏,因此,要求功率调节也要快；4、材料特性和载荷计算必须很准确,以免超载;二叶片材料用于制造叶片的主要材料有玻璃纤维增强塑料GRP、碳纤维增强塑料CFRP、木材、钢和铝等;目前叶片多为玻璃纤维增强复合材料GRP,基体材料为聚酯树脂或环氧树脂;环氧树脂比聚酯树脂强度高,材料疲劳特性好,且收缩变形小;聚酯材料较便宜,它在固化时收缩大,在叶片的连接处可能存在潜在的危险,即由于收缩变形在金属材料与玻璃钢材料之间可能产生裂纹;复合材料的优点：可设计性强、易成型性好、耐腐蚀性强、维护少,易修补;缺点：耐热性差；抗剪切强度低；存在老化问题；生产时安全防护；表面强度低；可以燃烧;GRP材料的风力发电机组叶片成形工艺有手工湿法成形、真空辅助注胶成形和手工预浸布铺层等;三叶片主体结构叶片截面类型：实心截面、空心截面、空心薄壁复合截面等;蒙皮：提供叶片的气动外形,同时承担部分弯曲载荷与大部分剪切载荷;蒙皮的层状结构包括胶衣层、玻纤毡增强层、强度层;主梁：承载叶片的大部分弯曲载荷,是主要的承力结构;四铺层设计原则1、均衡对称原则；2、定向原则；3、按照内力方向的取向原则；4、顺序原则；5、抗局部屈曲设计原则；6、最小比例原则；7、变厚度设计原则；8、冲击载荷区设计原则;五叶根结构形式1、螺纹件预埋式：连接最可靠,但每个螺纹件的定位必须准确；2、钻孔组装式：优点：不需要贵重且质量大的法兰盘；在批量生产中只有一个力传递元件；由于采用预紧螺栓,疲劳可靠性很好；通过螺栓很好的机械联接,法兰不需要粘接;缺点：需要很高的组装精度；在现场安装,要求可靠的螺栓预紧;六功率调节方法1、失速控制优点：叶片和轮毂之间无运动部件,轮毂结构简单,费用低；没有功率调节系统的维护费用；在失速后功率的波动相对较小;缺点：气动制动系统可靠性设计和制造要求高；叶片、机舱和塔架上的动态载荷高；由于常需要制动过程,在叶片和传动系统中产生很高的机械载荷；起动性差；机组承受的风载荷大；在低空气密度地区难以达到额定功率;2、变浆距控制优点：起动性好；刹车机构简单,叶片顺浆后风轮转速可以逐渐下降；额定点以后的输出功率平滑；风轮叶根承受的静、动载荷小;缺点：由于有叶片变距机构,轮毂较复杂,可靠性设计要求高,维护费用高；功率调节系统复杂,费用高;七防雷击保护雷击造成叶片损坏的机理：一方面,雷电击中叶尖后,释放大量能量,使叶尖结构内部的温度急剧升高,引起气体高温膨胀,压力上升,造成叶尖结构爆裂破坏,严重时使整个叶片开裂；另一方面,雷击造成的巨大声波对叶片结构造成冲击损坏;八降噪措施①提高制造精度,降低表面粗糙度；②修正轮齿缘;在制造齿轮时,在齿轮顶侧沿齿宽修成直线或均匀曲线；③改用斜齿轮；④改进齿轮参数;减小v、d,选取互为质数的传动比；⑤齿轮的阻尼处理;高阻尼、不淬火；⑥改进润滑方式;第四节、轮毂设计一、风轮轮毂的结构设计轮毂是连接叶片与主轴的重要部件,作用是传递风轮的力和力矩到后面的机械结构中去;通常轮毂的形状为三通形或三角形;常用的轮毂形式有：1刚性轮毂；2柔性轮毂铰链式轮毂,叶片在挥舞方向、摆振方向和扭转方向上都可以自由活动;由于铰链式轮毂具有活动部件,相对于刚性轮毂来说,制造成本高,可靠性相对较低,维护费用高；它与刚性轮毂相比所说力与力矩较小;二、风轮轮毂的载荷分析轮毂载荷的分析方法：最大剪切法、ASME锅炉和压力容器规则法、变形能法;第五章、传动与控制机构设计1、传动与控制机构：传动机械能所需传动机构和机组控制调节所需驱动机构2、主传动链：风轮轴功率传递到发电机系统所需机构;典型的主传动链包括风轮主轴系统、增速传动机构齿轮箱、轴系的支撑与连接轴承、联轴器和制动装置;设计要求：载荷传递路径最短,结构紧凑,机械传动系统与承载轴承部件集成;主要构件支撑方式：由独立轴承支撑主轴,三点支撑式主轴,主轴集成到齿轮箱,轴承集成在机舱底盘,固定主轴支撑风轮;3、主轴轴承：径向与轴向支撑通常采用滚动轴承,易产生弯曲变形;轴承计算包括静态和动态额定值、轴承寿命分析等;4、主轴：仅考虑主轴传递扭矩的初步结构设计计算,考虑综合载荷作用的主轴强度计算;5、轴系连接构件：高速轴与发电机轴采用柔性联轴器,以弥补安装误差、解决不对中问题；需考虑对机组安全保护功能；可降低成本；还需考虑完备的绝缘措施;轴与齿轮键连接平键、花键;6、主传动链齿轮：采用大传动比齿轮传动装置,将风轮所产生转矩传递到发电机,使其得到相应转速;基本特点：大传动比,大功率,难以确定动态载荷；常年运行在极端环境下,高空维修困难；设法见效其结构和重量；设置刹车装置,配合风轮气动制动;在满足可靠性和工作寿命要求前提下,以最小体积和重量为目标,获得优化的传动方案;7、齿轮箱：箱体,传动机构,支撑构件,润滑系统,其他附件;传动形式：定轴,行星齿轮以及组合传动；级数：单级,多级；布置形式：展开式,分流式,同轴式;风电齿轮箱：多级齿轮传动,采用一级或两级行星齿轮与定轴齿轮组成的混合轮系;8、轮系：由若干对啮合齿轮组成的传动机构,以满足复杂的工程要求;定轴：所有齿轮几何轴线位置固定,分为平面和空间定轴轮系,尽可能使传动级数少;星系轮系：至少有一个齿轮的轴线可绕其他齿轮轴线转动,传动效率高,承载能力强,结构简单工艺性好;9、设计载荷：分析过程要参照相应设计标准;最重要载荷参数是反映风轮输出转矩及其相应特性的载荷谱;制动载荷：风轮制动主要依靠气动制动功能,制动时间比机械制动时间短,机械制动多用于紧急情况;10、齿轮箱结构设计：内部构件尺寸+运行环境确定外部载荷准确信息;一般传动系统设计标准给出工况系数KA;;结构设计：初步确定总体结构参数,箱体结构设计,齿轮与轴的结构设计,构建连接;11、传动效率与噪声：散热是紧凑结构齿轮箱的关键,定轴轮系每级损失2%,行星轮1%,机组传动载荷小时效率会有明显下降;12、润滑油：减少摩擦,较高承载,防止胶合,降震,防疲劳点蚀,冷却防腐蚀;润滑系统：强制润滑,设置基本回路以及对润滑油加热冷却的回路;润滑方式有飞溅润滑和强制润滑;润滑油换油周期：开始,500h；运行过程,5000~10000h；定期抽样检测；半年检修；对齿轮箱重新进行检测;13、关机运动方程：空气动力矩,机械制动力矩,发电机电磁力矩;空气制动：定桨距由叶尖扰流器实现,变桨距由顺桨实现;机械制动：多置于高速轴;限制条件离心应力,摩擦速度,摩擦片温升,制动盘温升14、变桨距系统：起动,功率调节,主传动链制动;运动方程：空气动力矩,重力矩,摩擦力矩;15、电机驱动机构：驱动功率计算,电动机选择,变距轴承齿轮副传动比,减速箱基本参数;电机外壳的防护等级：IP--;电机外壳的防护GB/。

风电机组电气仿真模型验证规程第一部分：介绍风电机组电气仿真模型验证规程的背景和目的（大约500字）在当今的可再生能源行业中，风力发电被广泛应用和认可。

风电机组的电气系统是实现风力发电的关键组成部分。

为了确保风电机组的电气系统的安全性、可靠性和性能，电气仿真模型的验证至关重要。

电气仿真模型验证规程旨在通过对风电机组电气系统进行仿真和测试来验证其设计的正确性和可行性。

风电机组电气仿真模型验证规程的目的是多方面的。

首先，验证规程可以帮助确定风电机组电气系统的设计参数，例如变频器和发电机的参数，以及各种保护和控制装置的设置。

其次，验证规程可以评估和优化风电机组电气系统的性能，如电气损耗、功率因数和谐波含量等。

第三，验证规程可以验证风电机组电气系统的可靠性和稳定性，如短路能力、过电压保护和电网并联性等。

最后，验证规程可以提供风电机组电气系统的设计和运行指导，确保其符合相关的标准和规范。

第二部分：风电机组电气仿真模型验证规程的标准和步骤（大约800字）风电机组电气仿真模型验证规程需要遵循一些标准和具体的步骤。

首先，验证规程应基于国际、行业和地区的标准和规范。

例如，国际电工委员会（IEC）和中国电力科学研究院（CEPRI）等机构发布的标准可以作为指导。

其次，验证规程应包括必要的仿真软件和硬件设备。

常见的仿真软件包括MATLAB/Simulink、PSCAD和DIgSILENT等。

硬件设备可以是仿真平台、实验室设备和测试工具。

同时，验证规程应详细描述仿真模型的搭建和验证流程，包括模型参数的设置、输入源的定义和故障情景的配置等。

风电机组电气仿真模型验证规程的步骤通常可以分为以下几个部分。

首先是模型搭建，包括电气系统主要元件（如发电机、变频器和变压器等）的建模和连接。

其次是模型参数的设置，包括电气系统元件的参数和控制策略的设定。

然后是输入源的定义，如风速曲线、负荷曲线和电网电压曲线等。

接下来是故障情景的配置，包括短路故障、过电流故障和电网故障等。

第27卷㊀第11期2023年11月㊀电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报Electri c ㊀Machines ㊀and ㊀Control㊀Vol.27No.11Nov.2023㊀㊀㊀㊀㊀㊀一种多模型融合的风电系统永磁同步发电机数字孪生建模方法刘利强1,2,㊀尹彦博1,3,㊀齐咏生1,3,㊀李永亭1,3(1.内蒙古工业大学电力学院,内蒙古呼和浩特010080;2.内蒙古自治区电能变换传输与控制重点实验室,内蒙古呼和浩特010080;3.内蒙古自治区机电控制重点实验室,内蒙古呼和浩特010051)摘㊀要:针对当前风电系统永磁同步发电机(PMSG )建模技术存在设备内部参数理想化和系统耦合单一化的不足,无法满足数字孪生技术对设备虚拟模型要求的问题,提出一种面向数字孪生的风电系统永磁同步发电机建模方法㊂首先,依据实体样机参数,构建2MW PMSG 本体及电磁模型㊂之后为实现系统对PMSG 的控制,基于联合仿真技术利用数字孪生建模平台搭建风电系统PMSG 控制电路,实现多系统耦合仿真建模;在此基础上,充分考虑电机传热散热特性等影响,对PMSG 热模型进行了构建与计算,并针对温度场计算流程复杂,不具备实时性等问题,引入一种改进的粒子群优化支持向量机(PSO-SVM )代理模型方法对热模型进行降阶处理并集成;最终完成了基于多模型融合的PMSG 数字孪生虚拟模型建模,并采用实体风机运行数据进行验证与测试,结果表明该模型可以有效地反映PMSG 真实运行特性㊂关键词:数字孪生;虚拟模型;风电系统永磁同步发电机;建模方法;联合仿真;降阶模型DOI :10.15938/j.emc.2023.11.015中图分类号:TM315文献标志码:A文章编号:1007-449X(2023)11-0149-14㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀收稿日期:2022-01-17基金项目:国家自然科学基金(61763037);内蒙古科技计划项目(2021GG164);内蒙古自然科学基金(2020MS05029,2021MS06018)作者简介:刘利强(1975 ),男,博士,教授,研究方向为电力设备状态监测及故障诊断;尹彦博(1995 ),男,硕士研究生,研究方向为电力设备状态监测及故障诊断;齐咏生(1975 ),男,博士,教授,研究方向为电力设备状态监测及故障诊断;李永亭(1975 ),女,硕士,副教授,研究方向为风力发电机组故障监测与诊断㊂通信作者:刘利强Digital twin modeling method of wind power system permanent magnet synchronous generator based on multi model fusionLIU Liqiang 1,2,㊀YIN Yanbo 1,3,㊀QI Yongsheng 1,3,㊀LI Yongting 1,3(1.School of Electric Power,Inner Mongolia University of Technology,Hohhot 010080,China;2.Key Laboratory of Electric Energy Conversion,Transmission and Control of Inner Mongolia Autonomous Region,Hohhot 010080,China;3.Key Laboratory of Electromechanical Control of Inner Mongolia Autonomous Region,Hohhot 010051,China)Abstract :Aiming at the current modeling technology of permanent magnet synchronous generator (PMSG)in wind power system,there are deficiencies in idealization of internal parameters of equipment and simplification of system coupling,which can not meet the requirements of digital twin technology forvirtual model of equipment.A digital twin oriented modeling method of permanent magnet synchronous generator for wind power system was proposed.Firstly,according to the parameters of the solid prototype,the 2MW PMSG body and electromagnetic model were constructed.Then,in order to realize the control of PMSG by the system,based on the joint simulation technology,the PMSG control circuit of wind power system was built by using the digital twin modeling platform to realize the multi system coupling simulationmodeling;On this basis,considering the influence of heat transfer and heat dissipation characteristics of the motor,the PMSG thermal model was constructed and calculated.Aiming at the problems of complex temperature field calculation process and lack of real-time,an improved particle swarm optimization sup-port vector machine(PSO-SVM)proxy model method was introduced to reduce the order of the thermal model and integrate it;Finally,the PMSG digital twin virtual model modeling based on multi model fu-sion was completed,and the physical fan operation data is used to verify and test.The results show that the model can effectively reflect the real operation characteristics of PMSG.Keywords:digital twin;virtual model;permanent magnet synchronous generator for wind power system; modeling method;co-simulation;reduced-order model0㊀引㊀言数字孪生技术(digital twin,DT)在被提出开始,便受到了电力设备状态监测和故障诊断领域的广泛关注㊂随着传感器㊁模型仿真㊁物联网等相关技术的不断完善与成熟,将DT应用于风电机组的状态监测与故障诊断已成为当前的研究热点[1]㊂目前国内外学者已分别在风电系统不同部件中进行了关于风机DT技术应用的研究㊂文献[2]以风机齿轮箱为例提出了根据实时数据㊁历史数据等,对风机进行多维虚拟模型构建,完成对物理风机的虚拟映射㊂并通过物理风机与虚拟风机的同步运行与交互,进行物理与仿真数据融合分析及应用的五维建模思路㊂在风机的传动系统方面,布鲁内尔大学研究团队提出了一种实时㊁交互式且动态的神经网络孪生模型,用于风机轴承的状态监测[3]㊂在风机的电力电子器件方面,奥尔堡大学研究团队提出了一种基于数字孪生的功率变换器状态监测方法㊂构建了器件的数字孪生模型,并应用了粒子群优化算法实现对物理实体内部参数更新优化,以最大程度地减少孪生模型与其物理实体之间的差异[4]㊂综上可知,目前针对风电系统设备数字孪生的研究虽已取得一些成果,但对风电系统发电机的研究鲜有报道㊂发电机作为风电系统的核心部件,其健康状态的正常与否影响着整个系统的稳定运行㊂然而由于发电机设备原理复杂㊁关联系统较多㊁各物理场之间联系紧密等因素,导致针对发电机部分的数字孪生的研究成为了当前研究的重点与难点㊂因此进行针对风电系统发电机设备的数字孪生相关技术研究对风力发电领域数字孪生技术的发展与应用有着重要的价值㊂目前对于风力发电系统DT技术的研究虽然有了一定的进展,但实例化的应用尚未获得实现,且该技术背后的传感器㊁模型仿真㊁虚实互联等关键技术均未实现突破㊂尤其在建模相关技术的研究中,鉴于数字孪生技术要求虚拟模型具备 完全 映射物理实体的特点,进而使得对孪生模型有了多物理场㊁多耦合㊁多集成以及实时性等需求[5]㊂然而当前针对风电系统的建模多是基于MATLAB/Simulink的数学模型,这类模型虽然具有结构简洁㊁逻辑清晰等优势,但对于系统中发电机设备无法做到细致建模,使得设备的虚拟模型存在着过于理想化和标准化的不足,尤其对于发电机这样的复杂机电设备,简单的数学模型无法满足实现数字孪生的需求[6]㊂在诸多关于数字孪生虚拟模型建模技术的研究中,文献[7]构建了基于GA-BP神经网络的光伏功率预测孪生模型,将气象数据作为输入进行计算,从而得到预测初始值㊂该建模方法虽然智能简便,但难以对发电机设备的内部物理特性进行分析㊂文献[8]则借助有限元分析软件COMSOL创建了变压器的数字空间模型;基于变压器实际运行条件,通过模拟变压器不同运行条件,对其进行电热特性分析,并与国标导则对比完成孪生模型的验证㊂虽然针对设备本体的有限元模型可以做到对发电机设备的精细化设计和内部多物理场分析,但由于风电系统发电机设备受风力机㊁控制系统的影响不可忽视,因此这类建模方法在考虑系统耦合方面存在欠缺,同时有限元模型在保证计算精确度的同时往往会使计算速度变得缓慢,这与DT模型实时性的理念相悖[9]㊂另外,常规的建模平台不具备部署物联网的能力,使得所建虚拟模型无法实现后期与实体风机的数据交互及融合分析㊂为解决上述风电系统发电机设备基于DT建模技术的不足,以2MW永磁同步发电机(permanent magnet synchronous generator,PMSG)为研究对象,采用Maxwell2D对电机本体及电磁模型进行构建㊂051电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀为考虑系统对电机的影响,根据风电系统结构在DT 建模平台搭建外电路,在DT 模型建模平台中搭建控制电路并对二者进行联合仿真,以实现场路耦合㊂基于上述模型,对PMSG 进行瞬态热分析,此外,为解决有限元分析流程复杂,计算缓慢的不足,引入一种改进的PSO-SVM 的代理模型构建方法,针对粒子群算法局部收敛问题,结合差分变异策略,提出使用信息熵作为变异判据的方法,对PSO 算法进行改进,进而对SVM 惩罚因子和核参数进行优化㊂最终将降阶模型集成至DT 建模平台完成PMSG 数字孪生模型的搭建㊂通过模拟不同工况,对该模型物理特性进行验证分析㊂最后,利用实体风机SCADA 运行数据对DT 模型进行了有效性验证㊂1㊀风电系统PMSG 模型1.1㊀PMSG 二维电磁场模型PMSG 作为具有电磁特性的典型能量转换装置,可通过麦克斯韦方程组对其内部电与磁场进行关联㊂为使场量与场源之间的物理概念清晰,常引入有旋磁场矢量磁位A 以减小未知数的量,考虑二维情况下只有Z 轴分量的特点㊂则有直角坐标系下x (v A z x )+y (v A z y)=-J sz ㊂(1)式中:J sz 为电流密度;v 为电机磁导率㊂由于孪生模型要求电磁模型提供PMSG 的损耗㊁磁链等计算参数,以支撑场路耦合与磁热耦合的计算分析,需考虑求解域内媒质运动情况㊂因此,电机二维动态电磁场控制方程为x (v A z x )+y (v A z y )=-J sz +γ A z t +γV x A z x㊂(2)1.2㊀PMSG 控制系统如图1所示风电系统PMSG 的控制系统主要由PMSG㊁PWM 机侧变流系统㊁风力机模型㊁双闭环控制电路组成㊂直驱风电系统风力机的作用是将风能转换为机械能,为PMSG 提供机械转矩从而带动电机转子转动㊂风轮输出机械功率和转矩为:P wt =12ρπR 2C p (λ,β)v 3;T wt=12ρπR 2C T (λ,β)v 3㊂üþýïïïï(3)式中:P wt 为风轮机械功率;T wt 为机械转矩;ρ为空气密度;R 为叶片半径(m);C T ㊁C p 分别为风轮功率系数和转矩系数;λ为叶尖速比;β为桨距角㊂图1㊀机侧PWM 变流系统结构图Fig.1㊀Structure diagram of the machine-side在风电系统中机侧PWM 变流系统的作用是将电机输出交流电压转换为直流,并通过调节占空比对电机转速进行控制,实现最大功率追踪[11]㊂其中机侧变流系统接收的控制指令由控制电路发出,通过控制发电机q 轴电流来调节整个系统的输出功率㊂本文控制电路采取d 轴电流为零的转速外环㊁电流内环控制策略,控制电路框图如图2所示㊂将不同风速下在最佳功率曲线中所对应的发电机转速ω∗r 作为转速环参考值,将测量所得的转速ω与参考值的误差值输入至转速环PI 控制器进行调节㊂由于永磁体磁链恒定,因此设定i ∗d 为0以定向定子磁链㊂然后,将所测得的定子三相电流经三相静止坐标变换至两相静止坐标得到i α㊁i β,最后经两相旋转变换得到i d ㊁i q 两个直流分量㊂通过电流内环的两个PI 控制器对跟随上述给定值进行调节,其输出值与电压补偿后可得到d -q 轴给定分量u d ㊁u q ㊂最后经Park 逆变换得到参考电压矢量u α㊁u β,将其进行SVPWM 调制可得到三相开关信号,作为机侧变流系统的控制信号,控制PMSG 在给定状态下运行[12]㊂图2㊀双闭环控制策略Fig.2㊀Double closed-loop control strategy151第11期刘利强等:一种多模型融合的风电系统永磁同步发电机数字孪生建模方法1.3㊀PMSG 磁热耦合模型针对永磁同步发电机三维瞬态温度场有限元分析,数学模型根据传热学理论建立,以描述物体温度变化规律,其中三维瞬态方程可表示为x (λx T x )+ y (λy T y )+ z (λz T z )+q v =ρc T τ㊂(4)式中:T 为物体待求温度;λx ㊁λy ㊁λz 分别为求解域内各种材料沿不同方向的传热系数;q v 为电机内各损耗产生的内热源热功率;ρ㊁c ㊁τ分别为密度㊁比热容和时间㊂电机的温升不仅取决于发热,而且要考虑散热的影响㊂以热媒为传热载体的辐射散热和以空气为载体的对流散热是PMSG 的主要散热方式,由于辐射散热系数相比于对流散热系数而言相对较小㊂因此,本文不考虑辐射散热对于电机散热的影响㊂对流散热系数的确定与PMSG 散热方式相关,由于本文所研究直驱风电系统采用风冷冷却方式,则风电系统PMSG 对流散热系数可表示为αᶄk=αk (1+C k v )㊂(5)式中:αᶄk 为风冷时的散热系数;αk 为自然对流散热系数;C k 为经验系数;v 为冷却风速[13-15]㊂2㊀基于数字孪生技术的建模方法数字孪生技术对虚拟模型的本质要求是能够将运行参数映射到模型中,并通过在虚拟模型中的仿真获得不同工况条件下的PMSG 特征参量,进而准确反映或推演物理实体设备的运行情况及关键物理场特性㊂为实现这一目标,本文通过构建2MW PMSG 电磁模型㊁外电路模型㊁磁-热耦合模型,进而实现DT 模型的磁-路-热耦合㊂考虑到DT 模型后期需要部署至云平台与实体设备进行数据实时交互及故障诊断㊁健康预测等相关应用,因而对于模型的系统集成及实时计算能力具有较高要求㊂因此,本文采用代理模型代替原有复杂的磁-热耦合有限元模型,可有效提升运算效率和实时性;之后,采用可与物联网实现部署交互的DT 建模平台进行集成㊂如图3所示,为构建孪生模型的总体算法框图㊂由图可知,孪生模型构建过程主要包括4个模块,分别为:1)建立2MW PMSG 电磁模型;2)建立2MW PMSG 外电路及控制电路;3)建立磁-热耦合模型;4)基于改进的PSO-SVM 方法对热模型进行降阶并集成㊂该方法能够实现设备物理属性与系统控制的兼顾与融合,具备实体与虚拟模型数据的实时交互能力㊂图3㊀基于数字孪生技术的PMSG 建模流程图Fig.3㊀PMSG modeling flowchart based on digital twin251电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀2.1㊀电磁模型建模电机本体及电磁模型的作用是能够反映实体电机的几何构造及物理属性㊂因此,对于PMSG电磁模型的创建需要依据可靠的电机几何参数和准确的电磁场分析计算㊂结合实际风机实体指标数据和已经验证的实体样机几何数据,利用电机有限元电磁分析软件Maxwell对2MW永磁同步发电机数字孪生模型电机本体进行设计,参数如表1所示㊂电磁耦合模型的研究对象为定子与转子部分,PMSG类型为表贴式,由于是兆瓦级发电机,因此绕组形式采用分数槽㊂求解域的确定则根据计算效率高的需求,并结合磁场分布特性,确定选取二维模型的1/12圆周来表示[11,17]㊂由于三角形网格剖分对于二维模型的描述有着细微平滑的优点,因此对PMSG定转子各部进行剖分时采用此类型网格㊂同时,为避免计算时每个离散单元的误差影响计算精确度,网格密度不宜过大㊂根据经验,发电机定转子铁心部分密度为6mm,定子绕组部分为7mm,磁钢部分为3mm㊂所设计的PMSG二维电磁场模型及网格剖分图如图4所示㊂表1㊀2MW PMSG设计参数Table1㊀2MW PMSG design parameters图4㊀PMSG有限元模型Fig.4㊀PMSG finite element model2.2㊀外电路及控制电路建模外电路及控制电路模型作为虚拟模型实现电磁与磁热模型与外部控制电路耦合的核心,其作用是向PMSG提供机械转矩,控制电机转速及转矩实现功率控制㊁整流逆变稳定并网等㊂因此在DT虚拟模型建模平台需完成2MW PMSG的主电路和控制算法,该平台具备多学科领域元件库可满足系统级的动态建模㊁仿真[18]㊂本文建立的PMSG主电路包括三相逆变电路及与电机电磁模型联合仿真集成部分㊂由于DT虚拟模型只针对PMSG本体故仅对变流系统机侧部分进行搭建,因此,直流母线直接给定直流电压源1100V以等效直流母线电压,功率开关器件S1~S6采用IGBT,SVPWM信号调制模块采用平台已封装模型㊂将通过SVPWM模块中得到的三相PWM信号输入到IGBT中㊂主电路中加入电流㊁转速等测量元件㊂在电磁模型机械输入端设置转动惯量及转矩源㊂由于二维电磁场模型无法对发电机定子端部绕组进行建模,因此,需要加入定子电阻和端部漏感来等效电机定子的端部效应,从而保证场路耦合计算的精确性㊂控制电路由风力机模型㊁转速和电流双闭环控制电路构成㊂如图5所示㊂当风电系统处于变功率输出阶段时,风力机模型根据风速和桨距角的输入,基于前述风力机数学模型计算,输出转矩㊂发电机转速指令由控制器给定,机侧变流器负责控制跟踪给定转速㊂为了实现最大功率跟踪,使用查表法,利用最大功率曲线,查出风速对应的最佳转速,将其作为给定值输入转速外环㊂通过双闭环控制策略生成定子d-q轴给定电压㊂然后,将转矩㊁电压信号经平台联合仿真接口输入至DT建模平台分别向PMSG提供转矩和生成IGBT驱动信号的电压信号㊂最终,PMSG经所提供的转矩输入后起动,计算过程中测量原件将测得的电流㊁转速㊁位置角信号导入到控制电路中,实现数据的交互,完成PMSG相关电磁特性与运行特性的计算[19]㊂2.3㊀PMSG热模型PMSG几何模型和热源损耗是热模型构建的基础,其中,几何模型由电磁模型部分提供,根据实体样机资料,设置材料属性㊂其中定转子铁心部分为结构钢,绕组为铜导线,永磁体材料选择为钕铁硼45SH㊂为保证计算结果的准确,对定子槽部㊁气隙等温度变化剧烈的区域进行加密㊂电机的热源损耗是发电机温度升高的根源,PMSG的损耗热源包括定子绕组导体的铜耗㊁定㊁转子铁心齿部与轭部产生的铁耗和涡流损耗等,这些不同工况条件下的热源351第11期刘利强等:一种多模型融合的风电系统永磁同步发电机数字孪生建模方法通过外电路及控制电路的相关设置,对电磁模型进行计算获得㊂基于上述模型提供的几何模型和相关热源计算,对2MW PMSG 数字孪生模型热模型部分进行建模㊂首先根据电机材料属性及结构确定铁心㊁绕组㊁永磁体等各部分的导热系数㊂发电机各部分导热系数如表2所示,发电机定子表面与外界空气的散热系数根据不同风速条件通过计算获得㊂由于电机运行期间定转子间发生相对运动,因此需采用等效热对流系数,来简化并替代定转子气隙间发生复杂的热对流效应[13~16]㊂图5㊀控制电路图Fig.5㊀Control circuit diagram表2㊀PMSG 各部分导热系数Table 2㊀Thermal conductivity of each part of PMSG材料名称密度ρ/(kg㊃m -3)导热系数λ/[W㊃(m㊃ħ)-1]比热容C /(J㊃kg -1)空气㊀ 1.2250.02421006.4铜导线8300401385结构钢785060.5434磁钢㊀690010.39418.32.4㊀模型降阶利用上述有限元方法进行热模型的计算,虽然更精确㊁直观,但也有着构建流程复杂和计算缓慢的不足,与数字孪生技术要求不符㊂为解决高阶复杂的虚拟模型能够在保证多物理场计算精确度的同时又满足实时性的要求,基于机器学习的模型降阶技术成为了解决这一数字孪生建模环节技术难题的热门方案之一[20]㊂为此,引入一种PSO-SVM 的融合算法实现模型降阶,该算法兼备PSO 的寻优准确和SVM 的小样本预测优点㊂然而在算法运行过程中发现,PSO 算法容易陷入局部最优解,导致常常出现局部收敛问题㊂为此,提出采用信息熵结合差分变异中的变异策略来解决该问题,它可以有效克服PSO 算法在后期迭代中种群多样性迅速降低的缺陷㊂优化过程如图6所示㊂图6㊀代理模型搭建过程Fig.6㊀Proxy model building process451电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀由图6可知,当引入信息熵后,通过计算种群的信息熵并对比设定阈值,可使种群自动判别是否需要进行差分变异,从而避免种群重复变异,在提升计算效率的同时保证粒子群算法陷入局部最优解㊂其中信息熵数学表达式为H (U )=E [-log p i ]=-ðni =1p i log p i ㊂(6)式中:U 为信源符号;p i 为不同信源符号所对应的概率㊂对数的底根据经验取2㊂确定变异后,在迭代前期采用采用DE /best /1/bin 变异策略,迭代后期采用DE /rand /1/bin 策略,可以让算法在前期更注重于全局搜索,在后期更注重于局部精细化搜索㊂此外,本文还对学习因子和惯性权重因子也做了改进,由于c 1从2.05变到0.5会有比较好的效果,而c 2从0.5到2.05会有比较好的效果,惯性权重系数采用自适应公式进行改进㊂具体参数的改进公式如下:c 1=(c 1max -c 1min )(t max -t )/t max +c 1min ;c 2=(c 2max -c 2min )t /t max +c 2min ;ω=ωmax -(ωmax -ωmin )(t /t max )2㊂üþýïïï(7)式中:c 1max 和c 2max 均为2.05,c 1min 和c 2min 均为0.5;t 为当前迭代次数;t max 为最大迭代次数;ωmax 为最大惯性权重因子,本文取0.9,为ωmin 最小惯性权重因子,本文取0.5[21-22]㊂另外,传统电机代理模型多是面向于结构优化设计,输入变量也多为电机结构参量,基于此参量构建的代理模型虽然可以提高优化设计速度,却无法与系统模型所计算的数据融合㊂因此,本文以发电机运行特性参量和环境参量作为输入变量构造代理模型,可使构造模型部署至平台与系统耦合,当整个模型启动时,代理降阶模型可根据联合仿真所计算出的PMSG 运行参数和实际风场环境参数对目标值进行预测㊂2.5㊀模型集成虚拟模型与实体设备的交互是实现兆瓦级PMSG 完整数字孪生技术框架的重要体现㊂因此,要求所构建的2MW PMSG 数字孪生虚拟模型具备实时计算㊁部署方便的特点㊂在数字孪生建模平台搭建PMSG 控制系统及机械部分,可很好的完成发电机设备与风电系统的耦合㊂将构建的降阶模型利用DT 建模平台的联合仿真模型接口进行集成㊂集成后的降阶模型可通过系统电路输入相关变量来快速计算输出,在保证热模型计算精确度的同时,使计算流程简化提高计算速度㊂集成后的数字孪生虚拟模型后期可凭借该平台的云关联能力,部署至云平台与实体风机进行交互,通过对数据的融合分析及开发,最终可实现整个风电系统PMSG 的数字孪生技术应用㊂基于上述研究思路,搭建了基于多模型融合的PMSG 数字孪生虚拟模型,图7所示为搭建的2MW PMSG 数字孪生模型结构图㊂由图可知,在集成后的PMSG 数字孪生虚拟模型中,有限元电磁模型作为核心部分,通过不断地计算向系统提供控制信号输入源,机侧外电路根据控制电路输出的信号实现相应控制,并依托机械部分完成PMSG 电磁模型的启动㊂图7㊀2MW PMSG 结构集成图Fig.7㊀2MW PMSG integration diagrm3㊀仿真分析与验证3.1㊀电磁模型分析2MW PMSG 电机几何模型的参数如表1所示㊂将模型导入Maxwell 生成电磁模型,为验证所构建电机电磁模型满足性能及技术要求,通过空载试验及负载试验对电机性能进行分析㊂此处仅对空载特性进行分析,负载特性基于外电路模型的设置进行分析㊂首先,由于PMSG 空载状态时,其内部无负载电551第11期刘利强等:一种多模型融合的风电系统永磁同步发电机数字孪生建模方法流,仅有永磁体励磁㊂因此,对发电机进行空载设置时,应将电枢绕组激励采用电压源方式,电流值不做考虑因而设置为0㊂空载特性如图8所示㊂图8㊀PMSG 空载特性图Fig.8㊀PMSG characteristic diagram without load图8(a)为电机空载运行的磁力线分布图㊂由图可知相邻磁极间的磁力线构成磁流通路径,极间出现磁势的最大值与最小值,相邻两个极间之间存在一定程度的漏磁㊂图8(b)为电机空载反电动势波形图,对反电动势进行谐波分析,还需对其进行傅里叶变换,得到图8(c)的频谱图,可以看到输出电压中存在奇次谐波和偶次谐波,但含量较少,分析原因可知,电机模型在设计时采用了分数槽绕组㊂空载时齿槽转矩的变化如图8(d)所示,可见平均齿槽转矩为3700N㊃m,与额定转矩相比仅相差0.037,可以很好的减缓电机运行时产生的转矩波动㊂3.2㊀外电路模型分析为验证所设计电磁模型是否满足预期的技术指标,采用搭建外电路模型的方法模拟额定负载工况㊂由于机组发电机的启动速度与轴转动惯量大小密切相关,过大的转动惯量会导致PMSG 启动缓慢,不利于效果分析㊂因此,为更好的观察控制电路控制效果,这里将发电机转动惯量设置为2400kg㊃m 2㊂风力机模型叶片半径依据实际运行风电机组参数设置为48m,空气密度采用标准空气密度1.225kg /m 3,风速设定为额定风速11m /s㊂额定负载条件下的发电机特性如图9所示,由图9(a)㊁图9(b)可知电机转矩在发生振荡后达到额定转矩1149kN㊃m㊂转速通过控制电路转速环控制,经过短暂超调后达到额定转速17r /min,并逐渐稳定㊂额定负载工况下电流波形和输出功率波形如图9(c)㊁图9(d)所示,电流值为2.5kA,折合有效值为1.8kA,输出功率经一段时间的波动后,随着转矩的稳定,随后稳定至2MW㊂综上分析可知,所设计的2MW PMSG 数字孪生模型电磁模型符合预期技术指标的要求㊂但为验证外电路及控制电路是否满足控制要求,还需对不同工况下的运行特性进行进一步的分析㊂通过设置11㊁10㊁8㊁6m /s 4种不同风速工况,对PMSG 运行性能进行分析㊂其中风速变化采用阶梯式变化㊂不同风速下的PMSG 运行特性如图10所示㊂由图可知,当风速在额定风速11m /s 时,发电机的转速达到17r /min,转矩㊁电流㊁功率也均达到额定状态㊂当风速向7m /s 逐渐降低时,经过短暂的动态过程,即可达到稳态,控制性能良好㊂由于转速外环的控制,转速和转矩在稳态时的波动都很小,转速超调也在可接受范围,输出功率各阶段值较符合该等级风机的技术指标,电流值在随着风速变化而降低的同时,幅值也逐渐增大㊂上述仿真实验结果表明,所设计的外电路及控制电路模型可以实651电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀。

２１ ０ ２年
６月
图 学 学 报
Ｊ ｏＵＲＮＡＬ ｏＦ ＧＲＡＰＨＩ ＣＳ
Ｊ ｅ ２ ２ ｕｎ ０１ Ｖ０ －３ Ｎｏ． ｌ３ ３
第３ ３卷 第 ３期
基 于 ． 数 化技 术 的风 电机组 序列化建模 一 ，参 一、 人 １
高青风 ， 孙振 兴 ， 滕 伟 ， 柳 亦兵
Ｋｅ ｒ ｓ ｃ ｍｐ ｔ ｒａ ｐ ｉａ ｉ ｎ ｗｉ ｄ ｔ ｒ ｉ ｅ ｓ ｃ ｎ ａ ｙ ｐ ｒ ｍｅｒｃｔ ｃ ｎ ｌ ｇ ； ｅ ｕ ｎ ｅ ｙ ｗｏ ｄ ： ｏ ｕ ｅ ｐ ｌ ｔ ； ｎ ｂ ｎ ； ｅ ｏ ｄ ｒ ａ ａ ｔｉ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ｓ ｑ ｅ ｃ ｃ ｏ ｕ ｍｏ ｅｉ ｇ ｄ ｌ ｎ
结 构可 以分 为基础 、塔 架 、机 舱 、风轮 、其他 子
（） ２
系 统等 ５个子 系统 ；风轮 子 系统 依据 功 能不 同可 以分 为 叶片 、轮 毂 、变桨 系 统 、连 接件 、其 他 部 件 等 ５个 部件 ；部件 层可 以继 续 分解 为组 件层 ， 直至 最后 的属性 层 ，如 图 １ 所示 ，即可 得 结构 明 了、描述 方 便 的风 电机 组层 次模 型 。
属性 与运 动 属性后 ，将 它们 按一 定规 则 组合起 来
内不 同额 定功 率 的多 台机组 。如对 同一序 列机 组
中所有 型 号均进 行 建模 并使 用 ，不 但 会造 成大 量 信 息冗 余 、存储 空 问浪 费 ；而且 一 旦结 构 改进 ， 需 修正 所有 模 型 ， 复 工作量 大 、 重 错误 风 险率 高 。 论 文 基 于 二 次 参 数 化 技 术 将 风 电机 组 序 列 作 为 整 体进 行 建模 能有 效解 决这 些 问题 ，并研 发 了相 应 的建模 系统 ，从模 型新 建 、修 改等 方面 验 证 了

风力发电实验报告,实验一,-,副本风力发电实验报告实验一实验课题：风力机系统的建模与仿真专业：班级：：姓名：：学号：：指导老师：成绩：1一、实验目的1.掌握Matlab的m语言编程以及仿真模型的构建方法；2.掌握利用Matlab软件构建风速模型，风轮模型以及传动系统模型的方法。

二、实验要求1.了解Matlab中Simulink如何构建子系统以及m语言编程的技巧；2.通过查阅资料，搞清楚风速模型，风轮模型以及传动系统模型的实现方法三、实验内容熟悉并掌握Matlab的m语言编程以及Simulink库相关模块应用，构建风速模型，风轮模型以及传动系统模型（包括一质量块模型、二质量块模型以及三质量块模型）并进行仿真实验验证。

四、实验步骤1.启动Matlab，调用Simulink工具箱中的模块或利用m语言编程，构建风速模型，风轮模型以及传动系统模型。

2.观察各子系统输出波形，并分析结果。

五、实验结果及分析1．风速模型的建立（1）基本风wBV基本风可以由风电场测量所得的威布尔分布参数近似确定)/11(KAvwB（3-1）式中AK 表示威布尔分布尺度参数和形状参数；)(伽马函数。

在实际与仿真时我们近似认为wBV是一个不随时间变化的分量，也就是取wBV 为一个常数。

（2）阵行风wGV2wGV用于表述风速的突然变化，在三个时间段内有不同的风速，阵性风变化过程如图3-2所示。

○11G0tT风速wGV0○2)(11GGGTTtT风速wGcosVV cosV表示在该时间段内风速变化具有余弦特性，其表达式为)(2cos121maxcosGGGTTtvv（3-2）式中maxGV阵行风最大的风速（m/s）；t时间（s）；1GT出现阵性风的时间（起动时间s）；GT 阵性风的持续时间。

○31G+TGtT风速wGV0所以当Gt=T时cos0V当1GG/2t=(T+T)时cosmaxVV 当1GGt=(T+T)时cos0V图3-2阵行风随时间变化曲线图在分析风电系统对电压波动的影响时，通常用阵性风来考核较大的风速变化时的电压波动的特性。

ICS点击此处添加ICS号点击此处添加中国标准文献分类号中华人民共和国能源行业标准NB/T XXXXX—XXXX风电场电气仿真模型建模及验证规程Electrical Simulation Models and Validation for Wind Farm“在提交反馈意见时，请将您知道的相关专利连同支持性文件一并附上”（工作组讨论稿）201X-XX-XX发布XXXX-XX-XX实施目次前言 (III)1 范围 (1)2 规范性引用文件 (1)3 术语和定义 (1)4 总则 (2)5 风电场电气仿真模型 (2)6 风电场电气仿真模型验证 (5)7 风电场电气仿真模型报告主要内容 (7)参考文献 (9)前言本标准根据国家能源局下达的国能科技[2011]252号《2011年第二批能源领域行业标准制（修）订计划》标准计划修订。

本标准规定了电力系统稳定分析用风电场电气仿真模型及验证要求，适合在广泛使用的电力系统稳定计算程序中应用。

本标准由提出归口。

本标准主要起草单位：中国电力科学研究院。

本标准主要起草人：风电场电气仿真模型建模及验证规程1 范围本标准规定了电力系统稳定分析计算用的风电场电气仿真模型的建模及验证。

本标准适用于接入110(66)kV及以上电压等级电力系统的风电场电气仿真模型建模。

2 规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。

凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。

凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。

GB/T 19963-2011 风电场接入电力系统技术规定NB/T XXXX 风电机组低电压穿越建模及验证方法NB/T XXXX 风电场低电压穿越建模及验证方法3 术语和定义下列术语和定义适用于本标准。

3.1风电场 wind farm由一台或多台风电机组（包括机组单元变压器）、汇集线路、升压变压器、风电场控制及其他辅助设备组成的发电站。

3.2风电机组额定功率 rated power (for wind turbines)风电机组连续稳定运行在额定工况时输出的有功功率。

转子侧变流器一起建模 。 文献［ ］ ８ 给出了感应 电动机在三相坐标系中的模型 ， 经过坐标变换转换成同步 旋转的 ｄＯ坐标系下 的模型 ， 中同步角速度取为电网频率 ， ｑ 其 定向方式采用定子磁链定 向。
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文献标识码 ： Ａ 中 图 分类 号 ： Ｍ７ ３ Ｔ ４
随着风力 发 电技 术 的发展 ， 双馈 风 电机 组逐 步成 为兆 瓦级 风力发 电机组 的主力 机型 ， 双馈风 电机组 与传统 定速 风电机组 相 比有显 著 的优越性 ： 通过 调节 发 电机 转 子 电流 的大 小 、 率 和 相位 ， 而实 现 转 频 从 速 的调 节 ； 在很 宽的风 速范 围 内保 持最佳 叶尖 速 比 ， 而实 现 风能 最大 转 换效 率 ； 以采 用 一定 的控 可 进 可
入研究 Ｄ Ｉ ＦＧ内部结构的基础上 ， 建立 了 Ｄ Ｉ ＦＧ发电机的 ９阶数学模型 。并在风 力机动力部分采用 桨距 角限速控制策略 ， 在发 电机电气部分采用定子磁链定 向的矢量控制策略 。分别针对 Ｄ Ｉ ＦＧ对调度变化的 响应 ， 对阶越风速变化 的响应 以及对 电 网故 障的响应 （ 电压穿越能力 ） 低 三方 面做 了系统的理论 研究 。
收 稿 日期 ： ０ １ ４—１ ２ Ｉ —０ ８
作者简 介：张
帆（ ９６ 一 ）． ， １８ 男 吉林省占林市人， 尔北电力大学 电气工程学院在 渎硕士研究生 ． 主要研究 方向： 电力 系统 的安全
性 和稳 定 性 ．
第４期
张

恒速恒频风力发电系统原理及仿真摘要：介绍了两种恒速恒频发电系统的基本原理，然后在建立的数学模型的基础上进行了包含风电场的电力系统动态仿真，结合实例从多个方面对风力发电系统进行分析。

关键词：恒速恒频发电系统 MATLAB-SIMULINK 动态仿真0 引言在风力发电中，当风力发电机组与电网并网时，要求风电的频率与电网的频率保持一致。

在风力发电过程中，保持风车的转速(也即发电机的转速)不变，从而得到恒频的电能的方式称为恒速恒频发电系统。

由于风速的变化，异步风力发电机组输出的有功功率和吸收的无功功率也要随之发生变化，使得风力发电机组始终处于一个动态过程，与其相连的电网将持续受到风电场波动功率源的干扰。

因此，当风电场容量发展到一定规模时，风电对系统的影响在严重情况下可能会导致系统动态失去稳定。

[1-2]1 恒速恒频发电机系统的构成恒速恒频发电机系统的电机部分分为两种：一种是同步电机作为发电机，同步风力发电装机在风电发展初期曾被广泛利用，但因其特性给并网带来了很大的困难，因此逐渐被取代。

由于同步发电机本身固有的特性,将其移植到风电机组中使用时，效果不甚理想，这是由于风速随机变化,作用在转子上的转矩很不稳定，使得并网时其调速性能很难达到期望的精度，若不进行有效地控制,常会发生严重的振荡和失步，对系统造成严重影响。

同步发电机的并网控制如下：当风速超过切入风速时，启动风电机组，当发电机被带到接近同步速时，启动励磁调节器，给发电机励磁,使发电机的端电压接近电网电压。

在几乎达到同步速时,检测出断路器两侧电位差，当其为零或非常小时，合闸并网，此时只要接近同步转速,就可使并网瞬态电流减至最小，因而发电机组和电网受到的冲击也最小。

但要求风力发电机组调节器调节转速，使发电机频率偏差达到容许值时方可并网，因此对调节器的要求较高。

另一种是异步电机，因为其构造简单，并网容易，所以被大量使用，其组成的发电系统结构如图1[3]图1 异步风机风电场结构图2恒速恒频系统MATLAB-SIMULINK仿真2.1 风速模型基本风+渐变风模拟仿真仿真中，采用基本风和基本风+渐变风模拟风速，基本风为8m/s，渐变风为从2s到5s线性增加，渐变风风速最大值3m/s。