本文是一篇工程硕士论文，本课题利用实验室内的风力机模拟系统实验平台，针对两种传统的风力机模拟策略的优缺点进行总结，并提出了改进方案，目标是进一步提升风力机模拟系统的准确性。
第一章绪论
1.1 课题背景及研究意义
随着社会经济的发展，人类的社会活动对地球环境不断造成破坏，人类所面临的挑战也日渐严峻，利用、开发绿色的可再生能源用以替代有限的化石能源，是减少二氧化碳排放量的有效措施，能够减少污染，保护地球环境。风能具有清洁、可再生、易获取等优点，在全球节能减排、新能源发展的进程中发挥着重要作用。在此背景下，风力发电技术的开发和应用受到世界各国的关注，有力地推动了风力发电技术的进步和发展。我国风力发电于20世纪80年代起步，经过长期发展，我国的风力发电市场已经有了显著的进步。国家能源局公开数据显示，截至2022年2月，风电装机容量约3.3亿千瓦，同比增长17.5%，新增风电装机量逐年递增，成为世界上最主要的风电市场之一。然而，目前从风力发电机占全国的总发电量的占比来看，风力发电总量较低，仍存在较大的上升空间[1]。相关研究表明，我国可利用的风能资源储量丰富，不只是陆地风力发电的开发，海上风力发电的开发利用也受到广泛关注，并逐渐成为风力发电未来开发的重点领域。
风力发电系统若要达到良好的控制效果，必然需要对系统各个设备的控制方法进行研究，进行大量相关技术实验[2]。实际的风力发电机组体型较大，造价昂贵，通常安装在风能资源较好的地区，而这些风能充足的区域通常较为偏远，现场条件复杂，还会对实验人员的人身安全产生威胁，现场实验受到诸多限制[3]。在此背景之下，风力机模拟技术应运而生，该技术可以在不受自然条件的影响，搭建实验室条件下的风力机模拟系统实验平台，对于风电新技术、新理论的研究与验证具有重要意义。
1.2 风力机模拟策略国内外研究现状
1.2.1 风力机模拟系统组成
目前，常见的大型水平轴风力机发电系统主要由风力机（叶片和轮毂）、增速齿轮箱、发电机以及整流/逆变器和并网设备等部分构成，如图1.1(a)所示。当风吹过叶片推动其旋转，使风能转化为机械能；随之风力机通过传动链拖动发电机转子旋转，这一过程中机械能转化为电能，所产生的电能经过变流设备，达到并网要求后接入电网。
实验室条件下的风力机模拟系统中，采用一个电动机作为原动机，代替实际风电机组中的风力机，进一步产生转矩，拖动风力发电机旋转，结构如图1.1(b)所示。该实验系统主要包括三部分：
（1）实时模型仿真部分。该系统基于工业级的实时仿真平台RT-LAB，与数字处理芯片相比，其能够实现与MATLAB/Simulink的联动，除随时建立、修改模型外，还支持在线调参、人机交互等功能，极大地简化了实验过程。该部分能够生成湍流风速，进行风力机气动转矩的计算，控制电动机的运行等。在建立风力机系统数学模型的基础上，采用一定的控制策略计算模拟电动机的给定转矩或转速指令信号，下发给电机驱动器。
（2）风力机模拟器。其由电机驱动器、模拟电动机和机械飞轮等构成，电机驱动器接收给定转矩或转速指令信号，控制电动机运行，使其模拟实际风力机的输出特性，机械飞轮用于补偿模拟电动机的转动惯量。当风力机的转动惯量较大时，通常取消机械飞轮，而在模型实时仿真部分采用惯量补偿算法进行补偿。
（3）发电机及变流设备组成的并网子系统。该部分应该与实际风力机系统中的对应部分具有相同的结构，以还原实际系统的并网过程。
第二章 风力机系统的数学建模
2.1 风速模型
自然界的风具有随机、不可控的特点，但其变化过程也有一定的规律可循。通常情况下，风速都可以看作由平均分量和湍流分量组成，风速的平均分量变化缓慢，频率较低，而湍流分量变化迅速，频率较高。现今研究中通常利用10分钟内平均风速来估计风力资源情况，其中Weibull分布就是能够反映风速平均值的表达方式之一。但由于大多数情况下，10分钟这样的时间尺度难以反映风力机动态变化过程，故研究风速动态变化对风力机运行状态的影响时，需要重点研究风速的湍流分量。
风力机处于动态变化时，需要建立时域的动态风速序列。在平均风速的基础上叠加湍流分量，即可表示平均风速周围的随机变化过程，湍流分量的风速序列原理如图2.1所示。a(kT)为平均值为零的白噪声序列，作为输入的激励信号，其方差为a2，H(z)为湍流风速模型传递函数，输出为湍流风速v*(kT )[48]。
传递函数H(z)在不同模型中的算法公式也不同，其中AR（auto regression model）自回归模型的实现较为简单，并且能用于表示ARMA（auto regression moving average）自回归移动平均模型。
2.2 风力机模型
风力机模型为风力机模拟系统开展深入研究的基础，因此需要对风力机的气动特性进行研究，分析风能转化为机械能的过程。气流经过风力机推动其旋转，这一过程中风能转化为机械能，根据动量理论，若认为气流均匀地扫过每片桨叶，流向与风力机轴向一致，那么气流经过风力机时的流动情况可以用图2.2所示。
风力机从气流中获得机械能后会产生气动转矩，接着通过传动机构驱动发电机旋转。对风力机系统进行动态特性模拟，就需要建立传动链模型，即传动轴在风力机气动转矩与发电机电磁转矩的共同作用下，动态转速变化的模型。只有建立准确的传动链模型才能够反映真实风电系统的运行状态，是进行风力机动态特性模拟的必备建模环节。
第三章 风力机动态模拟策略分析 ............................... 17
3.1 基于加速度反馈的模拟策略 ............................ 17
3.1.1 基于加速度反馈的模拟策略原理 .............................. 17
3.1.2 采用加速度反馈模拟策略的系统稳定性及准确性分析 ........................ 19
第四章 融合MPC的风力机模拟策略研究 .................... 35
4.1 MPC基本控制原理简述 .......................... 35
4.2 融合MPC的风力机动态模拟策略原理 ........................ 36
第五章 转速误差补偿的风力机模拟策略研究 .......................... 46
5.1 转速误差补偿的风力机动态模拟策略原理 .......................... 46
5.2 转速误差补偿的模拟策略与基于加速度反馈模拟策略的联系 .................. 47
第六章 系统软硬件设计及实验结果分析
6.1 风力机模拟系统的总体构成
风力机模拟系统总体结构如图6.1所示，由硬件部分和软件部分组成。硬件部分主要包括模拟电动机、发电机与电机驱动器，可以对三相电压和电流进行采样、以及位置信号采样，接着将采样信号传送至实时仿真部分参与分析解算，实时仿真部分得到的控制信号输出至驱动装置，进而控制模拟电动机，使其模拟实际风力机的运行状态。
硬件电路设计主要包括三个功能模块：三相全桥组成的功率电路，负责信号传输的调理电路以及电源电路。主功率电路功能为将直流电逆变为目标三相交流电，控制全桥电路，驱动开关管动作，同时进行电流、电压信号的采集；调理电路主要实现硬件部分和软件部分之间的信号传输：放大软件部分的输出信号，驱动全桥电路开关管动作，调理采样的电压、电流信号，将信号传输给实时仿真部分，进而参与控制模型的计算；电源电路模块对所有电路板进行供电，并转换、隔离不同等级电压信号。软件部分即为在半物理仿真分析平台RT-LAB中搭建的基于各种模拟策略控制下的风力机模拟系统的数学模型。
第七章 全文总结及展望
7.1 全文总结
风力发电不仅环保，且风能蕴量巨大，在能源短缺的背景下，其地位日益凸显，然而实地的风电实验会带来成本、安全性等诸多问题，故风力机模拟技术的研究具有十分重要的意义。本课题利用实验室内的风力机模拟系统实验平台，针对两种传统的风力机模拟策略的优缺点进行总结，并提出了改进方案，目标是进一步提升风力机模拟系统的准确性。
本文所做的研究工作如下：
1、对风力机系统进行建模，包括风速建模，风力机建模、传动链建模。风速建模主要研究湍流分量，模拟自然风的状态，其输入至风力机模型；风力机模型基于实时的风速与负载转矩来计算实际风力机应输出的转矩与转速；对传动链建模，即建立风力机气动转矩、发电机电磁转矩的共同作用下，传动轴的转速变化模型。风力机系统数学建模完成后，进一步分析风力机频域模型，证明了实际风力机系统稳定运行条件。
2、对基于加速度反馈和基于负载转矩反馈的两种风力机动态模拟策略进行分析，清晰简明地证明了基于两种模拟策略的模拟系统的稳定性条件（包括反馈回路是否引入滤波器），并绘出模拟系统以风速/负载转矩为输入，转速为输出的幅频特性及相频特性曲线，将其与实际风力机系统进行比较，分析模拟系统的准确性。
3、针对基于加速度反馈的风力机动态模拟策略稳定性较差的缺陷，提出了一种融合MPC的改进型风力机模拟策略，并对系统稳定性及准确性进行了分析。融合MPC的模拟策略最主要的优势是能够抑制模拟电动机参考电磁转矩波动，减弱了加速度反馈的延迟对模拟系统的影响，提升了系统的稳定性与准确性。
参考文献（略）
