一种直驱永磁风电机组的建模仿真方法及系统与流程

本发明涉及风力发电，具体为一种直驱永磁风电机组的建模仿真方法及系统。

背景技术：

1、直驱永磁风电机组是一种利用风能转化为电能的装置。直驱永磁风电机组主要由风轮、发电机、塔筒、控制系统等部分组成。风轮是捕获风能的关键部件，通常由三个叶片组成，叶片的形状和材料对风能的捕获效率有很大影响。发电机是实现风能转换为电能的核心部件，直驱永磁发电机是一种无需齿轮箱的发电机，其转子直接与风轮相连。当风吹动风轮时，风轮带动转子旋转，从而在定子线圈中产生电流。由于采用了永磁材料，直驱永磁发电机在运行过程中无需外部励磁，具有结构简单、效率高、维护成本低等优点。塔筒是支撑风轮和发电机的结构，通常采用钢材制作，高度根据风资源情况而定。控制系统负责监测和控制风电机组的运行状态，确保其在安全和高效的状态下运行。

2、目前，传统直驱永磁风电机组的建模仿真方法通过仿真平台构建预测模型需要花费大量时间多次验证模型的有效程度，再投入生产使用，耗时长建模效率低，无法及时根据实际风况更新迭代，建模仿真程度低复杂度高。

技术实现思路

1、（一）解决的技术问题

2、针对现有技术的不足，本发明提供了一种直驱永磁风电机组的建模仿真方法及系统，具备能量转换模型仿真程度高、控制生产策略效能更佳等优点，解决了传统直驱永磁风电机组的建模仿真方法耗时长建模效率低，建模仿真程度低复杂度高的问题。

3、（二）技术方案

4、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种直驱永磁风电机组的建模仿真方法，包括以下步骤：

5、步骤一、数据采集模块通过网络连接气象环境监测传感器实时获取环境条件数据，环境条件数据包括直驱永磁风电机组所在工作环境的温度值和风速值，并按照时间顺序由早到晚排列组成环境数据集；

6、步骤二、数据采集模块通过网络连接直驱永磁风电机组实时获取风轮组件机械参数和直驱永磁发电组件机械参数，并组成机械数据集；

7、步骤三、建模仿真模块根据环境数据集和机械数据集，计算生成风能转换数据组和电能转换数据组，分析得到直驱永磁风电机组将风能转换为机械能的总量以及将机械能总量转换为电能的发电效率；

8、步骤四、建模仿真模块将环境数据集、机械数据集、风能转换数据组和电能转换数据组输入matlab/simulink仿真平台，构建生成直驱式风力机模型和永磁同步风力发电机机侧整流器控制系统仿真模型；

9、步骤五、建模仿真模块根据环境数据集设置不同的风况模式，并控制直驱式风力机模型和永磁同步风力发电机机侧整流器控制系统仿真模型按照最佳叶尖速比输出对应的仿真控制策略和预测产出电能总量；

10、步骤六、环境数据集中环境条件数据与风况模式相匹配时，建模仿真模块按照仿真控制策略运行直驱永磁风电机组，将实际产出电能总量与预测产出电能总量进行对比，判断直驱式风力机模型和永磁同步风力发电机机侧整流器控制系统仿真模型的仿真程度，并对应进行模型优化管理。

11、优选的，所述步骤一中，环境数据集包括气象环境监测传感器实时获取的环境条件数据，环境数据集的表达式为，至依次对应气象环境监测传感器每次获取的温度值和风速值，表示获取环境条件数据的时间点，数字编号1至表示气象环境监测传感器获取的温度值和风速值有组。

12、优选的，所述步骤二中，机械数据集包括直驱永磁风电机组实时提供的风轮组件机械参数和直驱永磁发电组件机械参数，机械数据集的表达式为，表示直驱永磁风电机组提供机械参数的时间点，表示直驱永磁风电机组提供的风轮组件机械参数和提供参数的时间点，表示直驱永磁风电机组提供的直驱永磁发电组件机械参数和提供参数的时间点。

13、优选的，所述步骤三中，建模仿真模块随机抽取环境数据集中第组气象环境监测传感器获取的温度值和风速值，标记为，再对应抽取相同时间点下，机械数据集中的风轮组件机械参数和直驱永磁发电组件机械参数，其中，和为相同时间点，风轮组件机械参数包括叶片转速、叶片长度、风轮半径、叶片数目和风轮组件叶片面积，直驱永磁发电组件机械参数包括控制策略和产出电能总量。

14、优选的，所述步骤三中，风能转换数据组计算公式如下：

15、

16、公式中，表示风能利用系数，表示叶尖速比，表示桨距角，表示风能利用系数计算公式针对叶尖速比的权重，表示风能利用系数计算公式针对桨距角的权重，表示按照权重和权重，计算得出叶尖速比和桨距角的加权平均值，即为风能利用系数；

17、

18、公式中，表示叶片转速乘以叶片长度得到的风轮叶尖处的线速度，表示风轮叶尖处的线速度与环境风速值的比值；

19、

20、公式中，表示将风轮半径、叶片数目和叶尖速比代入反正切函数，得到的反正切值即为桨距角；

21、

22、公式中，表示环境空气密度，表示环境气压值，特定气体常数，表示抽取第组环境温度值，并将环境温度值加上摄氏温度转换开尔文温度的常数273.15得到的绝对温度值；

23、

24、公式中，表示风能转换数据组，表示风能转换数据组计算公式中的常数，即为风能转换为机械能的效率系数，表示抽取第组环境风速值，并计算环境风速值的三次方，表示根据风能转换为机械能的效率系数、风能利用系数、环境空气密度、风轮组件叶片面积和环境风速值，同时计算组直驱永磁风电机组将风能转换为机械能的总功率。

25、优选的，所述步骤三中，电能转换数据组计算公式如下：

26、

27、公式中，表示电能转换数据组，表示计算不同控制策略下，将直驱永磁发电组件产出电能总量除以机械能总量，得到的发电效率，表示同时计算组不同控制策略下，机械能总量转换为电能的发电效率。

28、优选的，所述步骤四中，matlab/simulink仿真平台根据环境数据集、机械数据集和风能转换数据组，构建生成直驱式风力机模型，学习模拟风轮组件捕获风能后转换为机械能，再通过直驱永磁发电组件将机械能转换为电能的过程，matlab/simulink仿真平台根据机械数据集、风能转换数据组和电能转换数据组，构建生成永磁同步风力发电机机侧整流器控制系统仿真模型，学习模拟不同控制策略下，直驱永磁发电组件按照不同发电效率将机械能转换为电能的过程。

29、优选的，所述步骤五中，风况模式包括阶梯风况模式、渐变风况模式和随机风况模式，阶梯风况模式在固定时间段内控制风速值保持不变，然后在下一个时间段内快速提高或降低至新的风速值，渐变风况模式在固定时间段内控制风速值递增或递减，随机风况模式在固定时间段内控制风俗值不规则变化。

30、优选的，所述步骤六中，若实际产出电能总量与预测产出电能总量差值的绝对值超过预测产出电能总量的5%，建模仿真模块判断直驱式风力机模型和永磁同步风力发电机机侧整流器控制系统仿真模型的仿真程度低，建模仿真模块通过matlab/simulink仿真平台，重新构建直驱式风力机模型和永磁同步风力发电机机侧整流器控制系统仿真模型，再根据不同的风况模式，按照最佳叶尖速比输出对应的仿真控制策略和预测产出电能总量，直至实际产出电能总量与预测产出电能总量差值的绝对值未超过预测产出电能总量的5%。

31、一种直驱永磁风电机组的建模仿真系统，包括气象环境监测传感器和直驱永磁风电机组，气象环境监测传感器用于监测环境条件数据，直驱永磁风电机组用于捕获风能后转换为机械能，再将机械能转换为电能，所述直驱永磁风电机组的建模仿真系统包括数据采集模块和建模仿真模块；

32、所述数据采集模块设置有环境监测单元和参数监测单元，所述环境监测单元通过网络连接气象环境监测传感器实时采集环境数据集，所述参数监测单元通过网络连接直驱永磁风电机组实时采集机械数据集，所述数据采集模块通过网络将环境数据集和机械数据集传输至建模仿真模块；

33、所述建模仿真模块包括能量转换单元、仿真模拟单元和模型评估单元，所述能量转换单元根据环境数据集和机械数据集，计算生成风能转换数据组和电能转换数据组，并通过网络传输至仿真模拟单元，所述仿真模拟单元将环境数据集、机械数据集、风能转换数据组和电能转换数据组输入matlab/simulink仿真平台，构建生成直驱式风力机模型和永磁同步风力发电机机侧整流器控制系统仿真模型，并通过网络传输至模型评估单元，所述模型评估单元根据环境数据集设置三种风况模式，并控制直驱式风力机模型和永磁同步风力发电机机侧整流器控制系统仿真模型按照最佳叶尖速比输出三种仿真控制策略和预测产出电能总量，所述环境数据集中环境条件数据与风况模式相匹配时，建模仿真模块按照仿真控制策略运行直驱永磁风电机组，将实际产出电能总量与预测产出电能总量进行对比，判断直驱式风力机模型和永磁同步风力发电机机侧整流器控制系统仿真模型的仿真程度，并对应进行模型优化管理。

34、与现有技术相比，本发明提供了一种直驱永磁风电机组的建模仿真方法及系统，具备以下有益效果：

35、1、本发明通过气象环境监测传感器实时获取环境条件数据，环境条件数据包括直驱永磁风电机组所在工作环境的温度值和风速值，数据采集模块按照时间顺序由早到晚排列组成环境数据集，直驱永磁风电机组实时提供风轮组件机械参数和直驱永磁发电组件机械参数，数据采集模块将其组成机械数据集，建模仿真模块根据环境数据集和机械数据集，计算生成风能转换数据组和电能转换数据组，分析得到直驱永磁风电机组将风能转换为机械能的总量以及将机械能总量转换为电能的发电效率，建模仿真模块将环境数据集、机械数据集、风能转换数据组和电能转换数据组输入matlab/simulink仿真平台，构建生成直驱式风力机模型和永磁同步风力发电机机侧整流器控制系统仿真模型，建模仿真模块根据环境数据集设置不同的风况模式，并控制直驱式风力机模型和永磁同步风力发电机机侧整流器控制系统仿真模型按照最佳叶尖速比输出对应的仿真控制策略和预测产出电能总量，前置性输出最佳仿真控制策略和预测产出电能总量，便于后续快速适配实际生产环境条件，能量转换模型仿真程度高，且无需多个轮次反复校验，耗时短效率高。

36、2、本发明通过直驱永磁风电机组的建模仿真系统判断环境数据集中环境条件数据与风况模式相匹配时，建模仿真模块按照仿真控制策略运行直驱永磁风电机组，将实际产出电能总量与预测产出电能总量进行对比，若实际产出电能总量与预测产出电能总量差值的绝对值超过预测产出电能总量的5%，建模仿真模块判断直驱式风力机模型和永磁同步风力发电机机侧整流器控制系统仿真模型的仿真程度低，建模仿真模块通过matlab/simulink仿真平台，重新构建直驱式风力机模型和永磁同步风力发电机机侧整流器控制系统仿真模型，再根据不同的风况模式，按照最佳叶尖速比输出对应的仿真控制策略和预测产出电能总量，直至实际产出电能总量与预测产出电能总量差值的绝对值未超过预测产出电能总量的5%，保证实际产出电能总量为模型预测产出电能总量的95%或105%，控制生产策略效能更佳。