一种风力机系统动态特性的模拟方法技术方案

本发明专利技术公开了一种风力机系统动态特性的模拟方法，包括以下步骤：(1)建立实际风力机系统和风力机模拟系统的时域运动方程；(2)联立风力机系统与模拟系统的运动方程，获得模拟电机电磁转矩；(3)将前一时刻的发电机电磁转矩带入模拟电机电磁转矩计算式，得到当前时刻的模拟电机电磁转矩值；(4)跟随模拟电机的转矩参考值对模拟系统进行转矩闭环控制，使模拟电机输出转矩跟上给定值，完成对实际风力机系统机械特性的模拟。本发明专利技术相比于传统的风力机模拟系统，可以消去由加速度项引入的一步延迟，能更准确的复现风力机动态特性，同时能减少风力机气动转矩突变对模拟电机转矩的影响。

A simulation method for dynamic characteristics of wind turbine system

【技术实现步骤摘要】
一种风力机系统动态特性的模拟方法
本专利技术涉及一种风力机系统动态特性的模拟方法。
技术介绍
风力机模拟系统具有高效、灵活和成本低等特点，大大降低了研究风力机系统的难度，对发展风能发电技术具有重要意义。风力机模拟系统采用电动机代替风力机，模拟风力机输出的转矩、转速用以驱动发电机，复现风力机系统的动静态特性。当无风速和负载转矩的变化时，模拟系统能稳定准确复现出风力机系统的静态特性，模拟过程较为容易，但在负载或者风速变化时，复现转速和转矩的动态变化过程更为复杂。以往的风力机模拟系统研究中，较为关注风力机与电动机转动惯量的差异造成模拟系统的不稳定，忽略风力机转矩突变可能造成的模拟系统失稳的情况。在风速突变时，风力机转矩大幅度变化的情况下，模拟电动机转矩瞬间突增突减，由于电动机转动惯量远小于风力机转动惯量，模拟系统的转速将瞬间增大或减小，造成系统发散失稳，传统的风力机模拟系统通过引入低通滤波器提高稳定性，但无可避免的引入一步延迟，影响系统的准确性，且无法克服风力机转矩突变引起的失稳情况，故在不产生延迟的情况下减小风力机转矩突变对风力机模拟系统的影响具有重要意义。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的目的在于提供一种高精度地模拟风力机系统动态特性的模拟方法，在不需要滤波，无延迟的情况下解决风力机转矩突变造成风力机模拟系统失稳的问题。技术方案：本专利技术的风力机系统动态特性的模拟方法，包括以下步骤：(1)按照两质量块模型，分别建立实际风力机系统和风力机模拟系统的时域运动方程；>(2)以风力机系统与模拟系统传动轴转速和加速度相等为条件，联立风力机系统与模拟系统的运动方程，获得由风力机气动转矩T'wt、发电机电磁转矩Tg和转速组成的模拟电机电磁转矩值Tem，并作为参考转矩；(3)将前一时刻的发电机电磁转矩值Tg(k-1)带入模拟电机电磁转矩计算式，得到当前时刻的模拟电机电磁转矩值Tem，并作为参考转矩(4)跟随模拟电机的转矩参考值对模拟系统进行转矩闭环控制，使模拟电机输出转矩跟上给定值，完成对实际风力机系统机械特性的模拟。所述步骤(1)建立的风力机系统的时域运动方程，具体为：其中，T'wt为风力机气动转矩折算到高速轴的值；Tg为发电机的电磁转矩；J'wt、B'wt为风力机转动惯量与摩擦系数折算到高速轴的值；Jg、Bg为发电机转子的转动惯量和摩擦系数；ωwt为风力机系统的机械转速。所述步骤(1)建立的模拟系统的时域运动方程，具体为：其中，Tem为模拟电机的电磁转矩；Tg为发电机的电磁转矩；Jm、Bm为模拟电机转动惯量与摩擦系数；Jg、Bg为发电机转子的转动惯量和摩擦系数；ωm为模拟系统的机械转速。所述步骤(2)得到的模拟电机电磁转矩Tem公式为：其中，T'wt为风力机气动转矩折算到高速轴的值；Tem为模拟电机的电磁转矩；Tg为发电机的电磁转矩；J'wt、B'wt分别为风力机转动惯量与摩擦系数折算到高速轴的值；Jm、Bm分别为模拟电机转动惯量与摩擦系数；Jg、Bg为发电机转子的转动惯量和摩擦系数。所述步骤(3)中前一时刻发电机电磁转矩值Tg(k-1)为：其中，Tem(k-1)为前一时刻模拟电机的电磁转矩；Tg(k-1)为前一时刻发电机的电磁转矩；Jm、Bm为模拟电机转动惯量与摩擦系数；Jg、Bg为发电机转子的转动惯量和摩擦系数；Td为离散系统的采样时间；ω(k)为现时刻转速值、ω(k-1)为前一时刻转速值。所述步骤(3)中带入前一时刻发电机转矩值Tg(k-1)后得到的模拟电机电磁转矩值为：其中，T'wt(k)为现时刻风力机气动转矩折算到高速轴的值；为现时刻模拟电机电磁转矩的参考值；为前一时刻模拟电机电磁转矩的给定值；J'wt、B'wt分别为风力机转动惯量与摩擦系数折算到高速轴的值。有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有如下显著优点：(1)本专利技术通过带入前一时刻的发电机转矩值解算现时刻模拟电机转矩值作为参考转矩，简化模拟电机的控制。由于传动轴上转速的加速度项被省去，无需滤波，可模拟的带宽更大，且相比于传统的风力机模拟系统，可以消去由加速度项引入的一步延迟，能更准确的复现风力机动态特性，同时能减少风力机气动转矩突变对模拟电机转矩的影响。(2)本专利技术将模拟电机转矩优化与转矩闭环模拟策略相结合，在没有延迟无需滤波的情况下，当风力机转矩突变时，控制模拟电机转矩变化范围，实现在风速变化造成风力机气动转矩突增突减时，能稳定准确的复现风力机模拟系统的动态特性。附图说明图1(a)为风力机系统的质量块模型图；图1(b)为本专利技术的风力机系统等效质量块模型图；图2为本专利技术中风力机模拟系统的等效质量块模型图；图3为本专利技术模拟系统原理图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案作进一步说明。本专利技术提出一种风力机系统动态特性的模拟方法，该方法的风力机系统等效质量块模型如图1所示，采用两质量块模型，风轮和齿轮箱为一个质量块，发电机为一个质量块建立时域数学模型。根据风力机系统建立的风力机模拟系统等效质量块模型如图2所示，其转矩闭环控制的动态特性模拟方法原理如图3所示，其中包括参考转矩计算和电机驱动两个部分，其中参考转矩计算模块根据风速、风力机和电动机的模型，采用特定的控制策略解算模拟电机转矩Tem，并作为参考值而电机驱动模块包括转矩闭环控制的实现、输出信号至三相全桥变换器驱动电机旋转等具体硬件部分。本专利技术的动态特性模拟方法原理图如图3所示，具体包括以下步骤：步骤1、根据风力机的机械特性，采用两质量块模型，如图1(a)所示将风轮和齿轮箱为一个质量块，发电机为一个质量块，简化为如图1(b)所示的风力机系统等效质量块模型，其中两质量块刚性以传动轴连接，由于风轮和齿轮箱为一个质量块，故此时传动轴为高速轴，在考虑风力机和发电机的摩擦系数B'wt、Bg的情况下建立风力机系统的运动方程。所述结合风力机和发电机的摩擦系数B'wt、Bg，建立的实际风力机系统的运动方程为：其中，T'wt为风力机气动转矩折算到高速轴的值；Tg为发电机的电磁转矩；J'wt、B'wt为风力机转动惯量与摩擦系数折算到高速轴的值；Jg、Bg为发电机转子的转动惯量和摩擦系数；ωwt为风力机系统的机械转速。根据风力机转速范围选取电动机代替实际风力机与发电机刚性连接，其等效质量块模型如图2所示，图中电动机和发电机分别为一个质量块，根据其等效质量块模型建立风力机模拟系统的运动方程，具体为：其中，Tem为模拟电机的电磁转矩；Tg为发电机的电磁转矩；Jm、Bm为模拟电机转动惯量与摩擦系数；Jg、Bg为发电机转子的转动惯量和摩擦系数；ωm为模拟系统的机械转速。步骤2、为使电动机能模拟实际的风力机动态特性，输出的电磁转矩值与实际风力机的气动转矩值一致，同时不引入加速度这一延迟项，期望系统无需滤波，拓展可模拟的带宽，故以本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种风力机系统动态特性的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)按照两质量块模型，分别建立实际风力机系统和风力机模拟系统的时域运动方程；/n(2)以风力机系统与模拟系统传动轴转速和加速度相等为条件，联立风力机系统与模拟系统的运动方程，获得模拟电机电磁转矩T

【技术特征摘要】
1.一种风力机系统动态特性的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按照两质量块模型，分别建立实际风力机系统和风力机模拟系统的时域运动方程；
(2)以风力机系统与模拟系统传动轴转速和加速度相等为条件，联立风力机系统与模拟系统的运动方程，获得模拟电机电磁转矩Tem计算式；
(3)将前一时刻的发电机电磁转矩值Tg(k-1)带入模拟电机电磁转矩计算式，得到当前时刻的模拟电机电磁转矩值
(4)根据模拟电机电磁转矩值对模拟系统进行转矩闭环控制，使模拟电机输出转矩跟上给定值，完成对实际风力机系统机械特性的模拟。


2.根据权利要求1所述风力机系统动态特性的模拟方法，其特征在于：所述步骤(1)建立的风力机系统的时域运动方程，具体为：



其中，T'wt为风力机气动转矩折算到高速轴的值；Tg为发电机的电磁转矩；J'wt、B'wt为风力机转动惯量与摩擦系数折算到高速轴的值；Jg、Bg为发电机转子的转动惯量和摩擦系数；ωwt为风力机系统的机械转速。


3.根据权利要求1所述风力机系统动态特性的模拟方法，其特征在于：所述步骤(1)建立的模拟系统的时域运动方程，具体为：



其中，Tem为模拟电机的电磁转矩；Tg为发电机的电磁转矩；Jm、Bm为模拟电机转动惯量与摩擦系数；Jg、Bg为发电机转子的转动惯量和摩擦系数；ωm为模拟系统的机械转速。<...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭鸿浩，曾华洁，郭前岗，林欣欣，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32