风电机组偏航系统与变桨系统精细化实时仿真平台和方法
阅读：835发布：2024-02-27
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1.一种风电机组偏航系统与变桨系统精细化实时仿真方法，其特征在于：
在GH Bladed软件中建立风电机组的风模型、机械部分模型、气动模型及偏航系统机械部分模型；
在实时数字仿真仪RTDS中建立风电机组的电气部分模型、变桨系统模型、偏航系统电气及控制部分模型、风机主控单元；
所述变桨系统模型包括：变桨控制单元、变桨电机及变频器主电路、变桨执行机构，这些部分均建立在RTDS中，但变桨执行机构所需的变桨负载力矩由GH Bladed软件提供；所述偏航系统电气及控制部分模型包括偏航控制单元、偏航电机及变频器主电路；
所述的GH Bladed软件与RTDS之间通过通信可编程逻辑控制器PLC进行实时的变量交互和通信，实现完整的实时闭环仿真；
所述精细化实时仿真过程中，数据实时传递，其中最基本的数据流向形成3条闭环，分别为：
第1条：GH Bladed软件中的发电机实时转速ωg通过通信PLC传递给RTDS后直接作为RTDS中发电机的转速输入，RTDS中发电机实时转矩Tg通过通信PLC传递给GH Bladed软件直接作为GH Bladed软件中当前的发电机转矩，形成第1条闭环；
第2条：GH Bladed软件输出的偏航误差通过PLC传递给RTDS，经过风机主控单元控制算法后，产生偏航系统电气及控制部分模型的偏航指令，RTDS中偏航系统电气及控制部分模型输出的偏航电机转矩通过通信PLC传递给GH Bladed软件直接作为GH Bladed软件中当前的偏航作动器转矩，形成第2条闭环；
第3条：RTDS经由通信PLC接收桨叶当前桨距角，同时通过通信PLC为RTDS提供当前的变桨负载力矩，形成第3条闭环；如果采用独立变桨系统，第3条闭环拆分为3个独立的闭环；
计算机与通信PLC之间采用基于TCP/IP的双向数据通信，其中由GH Bladed软件流向通信PLC的变量包括：风速信号、偏航误差、发电机转速信号、发电机功率信号、桨叶的变桨负载力矩、机舱轴线与正北方向夹角；由通信PLC流向GH Bladed软件的变量包括：桨叶的桨距角、发电机的电磁转矩和偏航作动器转矩；
所述RTDS中电气部分模型，包括发电机、变流器及其保护电路、变流器控制单元、机组升压变压器、线路、风场升压变压器、故障模拟电路以及电网；其中，所述发电机和变流器拓扑根据机组类型选取；所述故障模拟电路位于升压变低压母线上，用于模拟故障发生进行低电压穿越测试；所述发电机、变流器、网侧滤波器及机组升压变压器建立在小步长模型中，所述线路、风场升压变压器、故障模拟电路、电网建立在大步长模型中；
所述变桨系统模型分为统一变桨系统模型和独立变桨系统模型，统一变桨系统模型中三个桨叶共用一套变桨执行机构，此时的变桨负载为3个桨叶的变桨负载力矩之和；独立变桨系统模型中各个桨叶由独立的变桨执行机构驱动；
所述RTDS中风机主控单元，实现以下功能：控制机组的启动、并网、停机；机组的偏航对风及解缆控制；按上级功率指令方式或机组最大功率跟踪方式，分别为变流器和变桨系统发送功率指令和桨距角指令，控制机组变速变桨运行；机组监测与保护；机组故障诊断与智能维护；风机主控单元接收输入的发电机转速、电功率及偏航误差信号，通过主控算法为所述RTDS中变流器控制单元提供转矩及无功指令，为变桨系统提供桨距角指令，为偏航系统提供偏航指令；对于独立变桨系统，风机主控单元提供各个桨叶独立的桨距角指令。
2.根据权利要求1所述的风电机组偏航系统与变桨系统精细化实时仿真方法，其特征在于，所述RTDS中的偏航电机以机械转速作为输入，其机械转速通过以下方式间接获得：
RTDS接收输入的机舱与正北方向的夹角信号，实测机舱与正北方向的夹角求微分后乘以偏航变速装置的变比Ngby得到偏航电机转速。
3.一种用于实现上述权利要求1-2任一项所述方法的风电机组偏航系统与变桨系统精细化实时仿真平台，所述平台包括GH Bladed软件的计算机、实时数字仿真仪RTDS、通信可编程逻辑控制器PLC，其特征在于：
所述计算机的GH Bladed软件中建立有风电机组的风模型、机械部分模型、气动模型及偏航系统机械部分模型；
所述RTDS中建立风电机组的电气部分模型、变桨系统模型、偏航系统电气及控制部分模型、风机主控单元；
所述变桨系统模型包括：变桨控制单元、变桨电机及变频器主电路、变桨执行机构，这些部分均建立在RTDS中，但变桨执行机构所需的变桨负载力矩由GH Bladed软件提供，所述偏航系统电气及控制部分模型包括偏航控制单元、偏航电机及变频器主电路；
GH Bladed软件与RTDS之间通过通信PLC进行实时的变量交互和通信，实现完整的实时闭环仿真。
风电机组偏航系统与变桨系统精细化实时仿真平台和方法
技术领域
[0001] 本发明涉及风力发电中的变桨系统和偏航系统，具体地，涉及一种风电机组偏航系统与变桨系统的精细化仿真平台和方法，尤其是一种基于RTDS与Bladed的风电机组偏航系统与变桨系统的精细化仿真平台和方法。
背景技术
[0002] 变桨系统和偏航系统是大型风电机组的重要装置，对风电机组的发电优化、机组安全运行均起到至关重要的作用，因此对变桨系统与偏航系统的研究是十分重要的。但是在风电机组上直接进行实验测试成本高，且大部分研究者不具备相关实验条件。
[0003] 现有学术研究中通常将变桨系统简化为变桨指令的一阶滞后环节。事实上变桨系统包含变桨控制、变桨电机驱动控制、变桨电机及其变频器、变桨执行机构等部分，简化的变桨系统模型无法逼真模拟变桨系统的全动态及其与风电机组整机的交互。
[0004] 现有学术研究中通常认为风轮始终正对风向而忽略偏航系统，或用给定的偏航速率模拟偏航系统。事实上偏航系统包含偏航控制、偏航电机驱动控制、偏航电机及其变频器、偏航执行机构等部分，简化的偏航系统模型无法逼真模拟偏航系统的全动态及其与风电机组整机的交互。
[0005] 目前尚且没有能详细考虑变桨动态和偏航动态的风电机组整机精细化模型。
[0006] 国内已有整机厂商构建了变桨系统的拖动实验平台，对变桨控制系统进行测试。但是变桨拖动平台功能单一，不同机组机械参数不一致导致桨叶绕变桨轴线的转动惯量各异，因此应用于不同机组时存在改造难度大的缺陷。另外变桨系统的实际响应与变桨负载紧密联系，而变桨负载模拟难度也较大。
[0007] 已有专利CN102354125B提出了采用Bladed和RTDS构建风电机组低电压穿越综合模拟系统的方法，但是该专利并未说明Bladed与RTDS之间如何同步的实时运行以及如何通信构建完整系统，也并未提及满足精细化要求的偏航系统和变桨系统的构建方法。
[0008] 作为与本发明最相近的方案，中国专利CN102749853A公开了一种基于dSPACE的风电机组整机控制半实物仿真平台，该平台包括外部信号模拟部分、电机对拖平台部分、网侧变流器及电网模拟部分、偏航系统、变桨系统和主控系统，所述外部信号模拟部分、电机对拖平台部分、网侧变流器及电网模拟部分、偏航系统、变桨系统通过风机控制总线与所述主控系统连接。该实验平台能够模拟环境、电网的变化、风轮机输出特性、变流和控制系统及偏航、变桨等其它关键零部件模型，可以模拟风力发电机组在不同环境和条件下的运行情况。
[0009] 上述CN 102749853 A中，实质是实现了小功率样机的实物对拖平台，无法作为大型风电机组的镜像模型。风电机组气动模型与大部分其他模型直接关联，该发明中气动模型通过dSPACE实现，精确程度不够，其提供的偏航负载力矩和变桨复负载力矩准确度欠佳，且没有柔性塔架、柔性桨叶等机械部分模型。
发明内容
[0010] 针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种风电机组偏航系统与变桨系统的精细化仿真平台和方法，详细考虑变桨动态和偏航动态的风电机组整机模型，能很好的满足变桨系统和偏航系统的研究需要，精确程度提高。
[0011] 根据本发明的第一方面，提供一种风电机组偏航系统与变桨系统的精细化实时仿真方法，所述方法具体为：
[0013] 在RTDS中建立风电机组的电气部分模型、变桨系统模型、偏航系统电气及控制部分模型、风机主控单元；
[0014] 所述变桨系统模型包括：变桨控制单元、变桨电机及变频器主电路、变桨执行机构，这些部分均建立在RTDS中，但变桨执行机构所需的变桨负载力矩由GH Bladed软件提供，所述偏航系统电气及控制部分模型包括偏航控制单元、偏航电机及变频器主电路；
[0015] 所述的GH Bladed软件与RTDS之间通过通信PLC进行实时的变量交互和通信，实现完整的实时闭环仿真。
[0016] 进一步的，所述仿真实现过程中，数据实时传递，其中最基本的数据流向形成3条闭环，分别为：
[0017] 第1条：GH Bladed软件中的发电机实时转速ωg通过通信PLC传递给RTDS后直接作为RTDS中发电机的转速输入，RTDS中发电机实时转矩Tg通过通信PLC传递给GH Bladed软件直接作为GH Bladed软件中当前的发电机转矩，形成第1条闭环；
[0018] 第2条：Bladed输出的偏航误差通过PLC传递给RTDS，经过风机主控单元控制算法后，作为偏航系统电气及控制部分模型的偏航指令，RTDS中偏航系统电气及控制部分模型输出的偏航电机转矩通过通信PLC传递给GH Bladed软件直接作为GH Bladed软件中当前的偏航作动器转矩，形成第2条闭环；
[0019] 第3条：RTDS经由通信PLC接收桨叶当前桨距角，同时通过通信PLC为RTDS提供当前的变桨负载力矩，形成第3条闭环；特别说明的是，如果采用独立变桨系统，第3条闭环则拆分为3个独立的闭环。
[0020] 进一步的，所述GH Bladed软件包括主计算模块和硬件测试模块(GH Hardware Test模块)，其中硬件测试模块是用于外部测试的配套模块，二者之间的通信接口由Bladed开发提供，在计算机性能足够的条件下GH Bladed软件内置的硬件测试模块可以保证GH Bladed软件实时运行。
[0021] 进一步的，所述计算机与通信PLC之间采用基于TCP/IP的双向数据通信，其中由GH Bladed软件流向通信PLC的变量包括：风速信号、偏航误差、发电机转速信号、发电机功率信号、桨叶的变桨负载力矩、机舱轴线与正北方向夹角；由通信PLC流向GH Bladed软件的变量包括：桨叶的桨距角、发电机的电磁转矩和偏航作动器转矩。
[0022] 进一步的，所述RTDS中的偏航电机以机械转速作为输入，其机械转速通过以下方式间接获得：RTDS接收输入的机舱与正北方向的夹角信号，实测机舱与正北方向的夹角求微分后乘以偏航变速装置的变比Ngby得到偏航电机转速。因Bladed软件不直接对外提供偏航电机转速，此处本发明采用偏航电机转速的间接获取方法，对于整体系统的构建具有重要作用。
[0023] 进一步的，所述RTDS流向通信PLC的模拟通信变量，包括：桨叶的桨距角、发电机的电磁转矩和偏航作动器转矩。
[0024] 进一步的，所述通信PLC流向RTDS的模拟通信变量，包括：风速信号、偏航误差、发电机转速信号、发电机功率信号、桨叶的变桨负载力矩、机舱轴线与正北方向夹角。
[0025] 进一步的，所述RTDS中电气部分模型包括发电机(以转速作为外输入)、变流器及其保护电路、变流器控制单元、机组升压变压器、线路、风场升压变压器、故障模拟电路以及电网；其中，所述发电机和变流器拓扑根据机组类型选取；所述故障模拟电路位于升压变低压母线上，用于模拟故障发生进行低电压穿越测试；所述发电机、变流器、网侧滤波器及机组升压变压器建立在小步长模型中，所述线路、风场升压变压器、故障模拟电路、电网建立在大步长模型中。
[0026] 进一步的，所述RTDS中风机主控单元，实现以下功能：1.控制机组的启动、并网、停机；2.机组的偏航对风及解缆控制；3.按上级功率指令方式或机组最大功率跟踪方式，分别为变流器和变桨系统发送功率指令(包括有功、无功)和桨距角指令，控制机组变速变桨运行；4.机组监测与保护；5.机组故障诊断与智能维护。本发明中的风机主控单元接收输入的发电机转速、电功率及偏航误差信号，通过主控算法为所述RTDS中变流器控制单元提供转矩及无功指令，为变桨系统提供桨距角指令，为偏航系统提供偏航指令。特别的，对于独立变桨系统，风机主控单元提供各个桨叶独立的桨距角指令。
[0027] 进一步的，根据主流机组采用的变桨方案，所述变桨系统模型可分为统一变桨系统模型和独立变桨系统模型。统一变桨系统模型中三个桨叶共用一套变桨执行机构，此时的变桨负载为3个桨叶的变桨负载力矩之和；独立变桨系统模型中各个桨叶由独立的变桨执行机构驱动。
[0028] 根据本发明的第二方面，提供一种风电机组偏航系统与变桨系统的精细化实时仿真平台，所述平台包括安装有GH Bladed软件的计算机、实时数字仿真仪(Real Time Digtal Simulator,RTDS)、一台用于通信的可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)，其中：
[0029] 所述计算机的GH Bladed软件中建立有风电机组的风模型、机械部分模型、气动模型及偏航执行机构；
[0030] 所述实时数字仿真仪RTDS中建立风电机组的电气部分模型、变桨系统模型、偏航系统电气及控制部分模型；
[0031] 所述变桨系统模型包括：变桨控制单元、变桨电机及变频器主电路、变桨执行机构，这些部分均建立在RTDS中，但变桨执行机构所需的变桨负载力矩由GH Bladed软件提供，风电机组控制系统参照实际风机的控制系统架构构建于RTDS中；所述偏航系统电气及控制部分模型包括偏航控制单元、偏航电机及变频器主电路；
[0032] GH Bladed软件与RTDS之间通过用于通信的可编程逻辑控制器PLC(以下简称通信PLC)进行实时的变量交互和通信，实现完整的实时闭环仿真。
[0033] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0034] 本发明能够满足偏航系统及变桨系统精细化仿真，其中变桨系统和偏航系统均详细考虑完整的控制环路、变频主电路及电动机动态，变桨系统包含变桨控制、变桨电机驱动控制、变桨电机及其变频器、变桨执行机构等部分，偏航系统包含偏航控制、偏航电机驱动控制、偏航电机及其变频器、偏航执行机构等部分，且进一步与专业风电软件Bladed充分结合形成完整闭环系统。特别说明的是本发明关于变桨系统的构建方法同时适用于统一变桨系统和独立变桨系统。
[0035] 本发明相比于物理变桨模拟平台具有灵活、易改造、节能等优势。相比于已有联合仿真则弥补了现有技术偏航系统和变桨系统不够精细化的不足，提高了精确程度，偏航负载力矩和变桨负载力矩准确度高，且建立有柔性塔架、柔性桨叶等机械部分模型，可以对偏航和变桨完整的控制策略进行验证，同时精细化的仿真模型也可以展现更加丰富的动态，从而更逼真的模拟实际机组。附图说明
[0036] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0037] 图1为本发明一实施例中平台结构框图；
[0038] 图2为本发明一实施例RTDS中的偏航系统模型示意图；
[0039] 图3为本发明一实施例RTDS中的独立变桨系统模型示意图。
具体实施方式
[0040] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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。
[0041] 本发明提供一种风电机组偏航系统与变桨系统的精细化实时仿真方法，所述方法具体为：
[0042] 在GH Bladed软件中建立风电机组的风模型、机械部分模型、气动模型及偏航执行机构；
[0043] 在RTDS中建立风电机组的电气部分模型、变桨系统模型、偏航系统电气及控制部分模型、风机主控单元；
[0044] 所述变桨系统模型包括：变桨控制单元、变桨电机及变频器主电路、变桨执行机构，这些部分均建立在RTDS中，但变桨执行机构所需的变桨负载力矩由GH Bladed软件提供，所述偏航系统电气及控制部分模型包括偏航控制单元、偏航电机及变频器主电路；
[0045] 所述的GH Bladed软件与RTDS之间通过通信PLC进行实时的变量交互和通信，实现完整的实时闭环仿真。
[0046] 根据图1，从物理构成上看，本发明实现上述方法的风电机组偏航系统与变桨系统的精细化实时仿真平台，包含一台安装有GH Bladed软件的Windows操作系统计算机、一台实时数字仿真仪(RTDS)、一台专用于通信的可编程逻辑控制器(PLC)。其中Windows操作系统计算机要求双核3.0GHz以上主频CPU配置，并带有正确安装驱动的以太网网口。该计算机中安装的Bladed软件包括两部分：Bladed计算主程序和Bladed自带的与之配套的GH Hardware Test模块，二者之间的通信接口由Bladed开发提供，实现方式是计算机内部软件之间的数据交换，具体参考Bladed软件使用手册。GH Hardware Test模块能够调用计算机的以太网网口，以基于TCP/IP的协议实现Bladed计算主程序与通信PLC进行通信。如采用倍福PLC作为通信PLC时可以采用基于TCP/IP的Twincat ADS协议。计算机以太网网口与PLC的以太网网口之间通过网线和交换机连接。联合仿真中为了兼顾Bladed的实时运行和运算精度，建议安装Bladed软件的计算机采用多核CPU，且主频大于3.0GHz，Bladed仿真步长建议选取为0.005～0.01s，Bladed与通信PLC之间的通信周期建议取为0.005～0.01s。本发明方案中，专业软件Bladed提供柔性塔架、柔性桨叶等机械部分模型，包含于图1中的‘机械部分模型’中。
[0047] 在具体实施中，RTDS需要配备至少一个RTDS工作站接口卡(GTWIF)、若干块RTDS计算板卡(GPC卡)、一块RTDS专用模拟信号输入板卡(GTAI)、一块RTDS专用模拟信号输出板卡(GTAO)。
[0048] 通信PLC需要配备有以太网组件、模拟输入接口(AI)和模拟输出接口(AO)。通信PLC运行通信程序，实现windows计算机数据变量与电信号之间的转换。
[0049] 风电机组的风模型、机械部分模型、气动模型及偏航系统机械部分模型建立在Bladed中，风电机组的电气部分模型、变桨系统模型、偏航系统电气及控制部分模型建立在RTDS中，Bladed与RTDS之间通过一个专门用于通信的PLC进行通信(以下简称通信PLC)。风电机组控制系统参照实际风机的控制系统架构构建于RTDS中，风电机组控制系统包括风机主控单元、变桨控制单元、偏航控制单元、变流器控制单元。
[0050] RTDS是实时运行的，计算机性能足够的条件下Bladed内置的GH Hardware Test模块可以保证其实时运行，Bladed与RTDS之间通过通信PLC进行实时的变量交互和通信，实现完整的实时闭环仿真。
[0051] Bladed仿真软件包括Bladed主计算软件和硬件测试模块，其中硬件测试模块是Bladed主计算软件用于外部测试的配套软件，二者之间的通信接口由Bladed开发提供，实现方式是计算机内部软件之间的数据交换，具体参考Bladed软件使用手册。
[0052] RTDS中包括电气部分模型、变桨系统模型、偏航系统电气及控制部分模型及风机主控单元四个部分。如图1所示。
[0053] 联合仿真实现过程中，数据实时传递，其中最基本的数据流向形成3条闭环。
[0054] 1.Bladed中的发电机实时转速ωg通过通信PLC传递给RTDS后直接作为RTDS中发电机的转速输入，RTDS中发电机实时转矩Tg通过通信PLC传递给Bladed直接作为Bladed中当前的发电机转矩，形成闭环1；
[0055] 2.Bladed输出的偏航误差通过PLC传递给RTDS，经过风机主控单元控制算法后，作为偏航系统电气及控制部分模型的偏航指令，RTDS中偏航系统电气及控制部分模型输出的偏航电机转矩通过通信PLC传递给Bladed直接作为Bladed中当前的偏航作动器转矩，形成闭环2；
[0056] 3.Bladed经由通信PLC接收桨叶当前桨距角，同时Bladed通过通信PLC为RTDS提供当前的变桨负载力矩，形成闭环3。特别说明的是，如果采用独立变桨系统，闭环3可拆分为3个独立的闭环，此时Bladed通过通信PLC为RTDS提供3个桨叶各自当前的变桨负载力矩，RTDS输出3个桨叶各自的桨距角通过通信PLC传递给Bladed。
[0057] 图1中标出了不同物理部分之间的通讯数据流。D1为Windows计算机与通信PLC之间的通信通道，为基于TCP/IP的双向数据通信。其中由Bladed流向通信PLC的变量包括：1.风速信号；2.偏航误差；3.发电机转速信号；4.发电机功率信号；5.桨叶1的变桨负载力矩；6.桨叶2的变桨负载力矩；7.桨叶3的变桨负载力矩；8.机舱轴线与正北方向夹角。由通信PLC流向Bladed的变量主要包括：1.桨叶1的桨距角；2.桨叶2的桨距角；3.桨叶3的桨距角；
4.发电机的电磁转矩；5.偏航作动器转矩。
4.发电机的电磁转矩；5.偏航作动器转矩。
[0058] D2是由RTDS流向通信PLC的模拟通信变量，包括：1.桨叶1的桨距角；2.桨叶2的桨距角；3.桨叶3的桨距角；4.发电机的电磁转矩；5.偏航作动器转矩。
[0059] D3是由通信PLC流向RTDS的模拟通信变量，包括：1.风速信号；2.偏航误差；3.发电机转速信号；4.发电机功率信号；5.桨叶1的变桨负载力矩；6.桨叶2的变桨负载力矩；7.桨叶3的变桨负载力矩；8.机舱轴线与正北方向夹角。
[0060] 电气部分模型包括发电机(以转速作为外输入)、变流器(含crowbar和chopper保护电路)、变流器控制单元、机组升压变(箱变)、线路、风场升压变、故障模拟电路、电网。其中，电气部分模型包含以下特征：1.发电机和变流器拓扑根据机组类型选取。如双馈机组可选取绕线式异步电机和背靠背PWM变流器，图1中以双馈机组作为示例；永磁直驱机组发电机可选取永磁同步电机，变流器既可采用背靠背PWM变流器，也可以采用不控整流+直流升压Boost+PWM变流器。2.故障模拟电路位于升压变低压母线上，用于模拟故障发生进行低电压穿越测试。3.发电机、变流器、网侧滤波器及机组升压变建立在小步长(步长2微秒)模型中，线路、风场升压变、故障模拟电路、电网建立在大步长(步长50微秒)模型中。
[0061] 实际风机主控单元主要有以下职能：1.控制机组的启动、并网、停机；2.机组的偏航对风及解缆控制；3.按上级功率指令方式或机组最大功率跟踪方式，分别为变流器和变桨系统发送功率指令(包括有功、无功)和桨距角指令，控制机组变速变桨运行；4.机组监测与保护；5.机组故障诊断与智能维护。本发明中的风机主控单元接收GTAI输入的发电机转速、电功率及偏航误差信号，通过主控算法为变流器控制单元提供转矩及无功指令，为变桨系统提供桨距角指令，为偏航系统提供偏航指令。特别的，对于独立变桨系统，风机主控单元提供各个桨叶独立的桨距角指令。
[0062] 完整的偏航系统包括偏航控制单元、偏航电机及变频器主电路、偏航执行机构。本发明中偏航控制单元、偏航电机及变频器主电路建立在RTDS中，统称为偏航系统电气及控制部分模型；偏航执行机构部分建立在Bladed中，称之为偏航系统模型Bladed部分。
[0063] 以下首先介绍RTDS中偏航系统模型部分。偏航电动机既可以采用直流电机也可采用交流电机，交流电机既可以采用异步电动机也可以采用同步电动机，不同的电动机仅在偏航控制单元采用的控制算法略有不同，且不论选择何种电动机均有成熟的控制算法。以下以永磁同步电动机为例进行说明，如图2所示。
[0064] 偏航电机及变频器主电路包括永磁同步电动机、偏航逆变主电路和三相不控整流桥组成，机组升压变输出的三相690V交流电首先经过690/400V变压器变压，经三相不控整流桥整流后作为偏航逆变主电路直流侧(如果偏航电机为低压电机，则需要在不控整流后增加直流斩波降压电路，以直流斩波降压电路输出作为偏航逆变主电路的直流侧)。RTDS中的偏航电动机以机械转速作为输入，其机械转速通过以下方式间接获得，首先RTDS接收GTAI输入的机舱与正北方向的夹角信号，该信号的完整通信路径为Bladed→硬件测试模块→通信PLC→GTAI。实测机舱与正北方向的夹角求微分后乘以偏航变速装置的变比Ngby得到偏航电机转速，该转速作为偏航电机的转速输入。
[0065] 偏航控制单元基于矢量控制进行控制。矢量控制中，静止坐标系与旋转坐标系之间坐标变换角度θ根据永磁电机转子位置得到，并将d轴定位于转子永磁体的磁链方向上，且规定q轴超前d轴90度。图2中采用idy*＝0的矢量控制，idy*与实测电流转矩分量idy的偏差经过PI调节器后输出电压d轴分量参考值。
[0066] 偏航控制单元接收风机主控单元输出的偏航指令，偏航指令通过PI调节器得到偏航速率指令，偏航速率指令与实测偏航速率的偏差经过PI调节器输出电流转矩分量参考值* *iqy，iqy与实测电流转矩分量iqy的偏差经过PI调节器后输出电压q轴分量参考值。
[0067] 电压d、q轴分量参考值经过坐标旋转逆变换后得到静止坐标系下的三相电压参考值，该电压参考值经过电压空间矢量脉宽调制产生偏航逆变主电路所需的PWM脉冲。在控制系统作用下偏航电机将产生一个电磁转矩，记该电磁转矩为Tey。
[0068] 偏航系统模型Bladed部分内置于Bladed中，并提供了与RTDS部分构建闭环偏航系统的接口，该部分可直接供用户使用。该部分不作为本专利的发明内容，但对其作如下说明以便于理解。偏航系统模型Bladed部分接收来自RTDS的偏航电机电磁转矩Tey，并以Tey作为偏航执行机构的动力力矩。风电机组的实际偏航响应建立在偏航执行机构动力力矩和负载力矩共同作用的关于机舱偏航轴线转动惯量的运动学方程上，其中偏航执行机构的负载力矩主要包括两部分，一部分是Bladed自身气动模型实时仿真得到的机舱偏航力矩，另一部分是偏航执行机构的摩擦力矩，两部分负载力矩均由Bladed软件内部提供。
[0069] 完整的变桨系统包括变桨控制单元、变桨电机及变频器主电路、变桨执行机构。本发明中上述部分均建立在RTDS中，但变桨执行机构所需的变桨负载力矩由Bladed提供。
[0070] 需要说明的是，根据主流机组采用的变桨方案，变桨系统可分为统一变桨系统和独立变桨系统。统一变桨系统三个桨叶共用一套变桨执行机构，此时的变桨负载为3个桨叶的变桨负载力矩之和；独立变桨系统各个桨叶由独立的变桨执行机构驱动。图1中以统一变桨系统作为示意图。考虑到主流机组发展趋势，本发明以下部分以独立变桨系统进行设计，如图3所示。另外电动变桨既可选取直流电机，也可选取永磁同步电动机或异步电动机，本发明以永磁同步电机为例进行说明，选取不同电机仅在变桨控制单元采用的控制算法略有不同，针对这些电动机目前已有成熟的驱动控制算法。
[0071] 在一实施方式中，变桨电机及变频器主电路包括永磁同步电动机、变桨逆变主电路和三相不控整流桥组成。机组升压变输出的三相690V交流电首先经过690/400V变压器变压，经三相不控整流桥整流后作为变桨逆变主电路直流侧(如果变桨电机为低压电机，则需要在不控整流后增加直流斩波降压电路，以直流斩波降压电路输出作为变桨逆变主电路的直流侧)。变桨电机以机械转矩作为输入，变桨控制单元采用矢量控制方案。变桨控制单元接收来自主控制器的变桨指令，对于图3所示独立变桨系统，主控制器提供3个变桨指令信号，由于各个桨叶独立执行，因此仅以其中一个桨叶进行介绍。记桨叶1的桨距角指令为β1*，β1*与实测桨叶1的桨距角β1的偏差经过PI调节器输出变桨速率指令，变桨速率指令与实测变桨速率的偏差经过PI调节器输出电流转矩分量参考值iqp1*。
[0072] 矢量控制中，静止坐标系与旋转坐标系之间坐标变换角度θ根据变桨电机转子位置得到，并将d轴定位于转子永磁体的磁链方向上，且规定q轴超前d轴90度。采用idp1*＝0的矢量控制，idp1*与实测电流转矩分量idp1的偏差经过PI调节器后输出电压d轴分量参考值；iqp1*与实测电流转矩分量iqp1的偏差经过PI调节器后输出电压q轴分量参考值。电压d、q轴分量参考值经过坐标旋转逆变换后得到静止坐标系下的三相电压参考值，该电压参考值经过电压空间矢量脉宽调制产生变桨逆变主电路所需的PWM脉冲。
[0073] 桨叶1的变桨执行机构由桨叶绕变桨轴线转动惯量Jp1以及桨叶1变桨负载力矩TLp1、变桨电机电磁转矩Tep1的动态方程构建。其中TLp1由Bladed软件实时计算并由通信PLC提供给RTDS，TLp1除以变桨变速箱变比Ngbp作为RTDS中变桨电机的机械输入转矩TLpm1。为了准确仿真变桨动态，桨叶1绕变桨轴线的转动惯量Jp1需要折算并叠加在电动机转动惯量上，即变桨电动机的转动惯量按照 设定，其中JpM为变桨电动机自身转动惯量。
[0074] 仿真中变桨电机以转速作为输出，所得到的电机转速通过积分可得到电机转子位置θ1。θ1一方面作为坐标旋转变换和坐标旋转逆变换的旋转角度，同时θ1除以Ngbp可以得到实测桨叶1桨距角，且θ1除以Ngbp并微分可得到实测桨叶1变桨速率。
[0075] 桨叶2与桨叶3变桨模型与上述桨叶1变桨模型的结构完全一致。独立变桨系统的完整模型示意图如图3所示，图中符号的数字下标代表桨叶编号。
[0076] 若考虑的是统一变桨系统，则变桨电机转动惯量其中Jp1为桨叶1绕变桨轴线的转动惯量，Jp2为桨叶2绕变桨轴线的转动惯量，Jp3为桨叶3绕变桨轴线的转动惯量，JpM为变桨电动机自身转动惯量。此时统一变桨系统中的变桨负载力矩TLp＝TLp1+TLp2+TLp3，其中TLp1、TLp2、TLp3分别为Bladed提供的桨叶1、2、3的变桨负载力矩，TLp除以变桨变速箱变比Ngbp作为RTDS中变桨电机的机械输入转矩TLpm。
[0077] 本发明的核心部分已经经过构建好的平台进行证明，是可行的且结果正确。仿真过程中通信PLC采用倍福PLC，RTDS与通信PLC采用ADS通信协议，Bladed仿真步长选取为0.01s。
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