一种基于前馈偏差抑制的风力机模拟器转动惯量提升方法技术

本发明专利技术针对应用现有惯量补偿策略的风力机模拟器在模拟大惯量风力机时出现转速异常波动现象，提出了一种基于前馈偏差抑制的风力机模拟器转动惯量提升方法，首先构建风力机模拟器离散数学模型，利用该模型的特征方程确定风力机模拟器传动系统因系统时延而产生的转矩偏差分量，再针对该转矩偏差分量设计转矩偏差抑制器，利用前馈转矩偏差抑制器的提前缩放转矩分量，从而实现消除转矩补偿回路中产生的不平衡转矩。本发明专利技术通过改进惯量补偿策略，实现了解决模拟器出现转速异常波动的问题，突破了现有风力机模拟器只能模拟十几倍实际风力机的机械动态，实现准确模拟百倍于自身转动惯量的风力机机械动态，大幅提升了模拟器的模拟倍数，操作简便。操作简便。操作简便。

【技术实现步骤摘要】
一种基于前馈偏差抑制的风力机模拟器转动惯量提升方法


[0001]本专利技术属于风力机模拟实验
，具体涉及一种基于前馈偏差抑制的风力机模拟器转动惯量提升方法。

技术介绍

[0002]风力机模拟器是用来模拟实际风力机的风机特性，包括实际风机的慢机械动态特性、电磁动态特性等。随着风电机组的单机容量逐渐增大，风电企业为开发不同型号、应用于不同场景的风力机，必须进行充分的条件验证以及性能测试。
[0003]然而依靠实际风电场开展相关风电机组测试不仅成本增加，还存在安全系数低、测试周期长、受自然环境影响限制、系统稳定控制难以保证等问题。虽然一些科研单位、实验室具有风电系统开发测试的设施，但是也受到气候条件、场地、资金等问题的限制，几乎不具备构建实际风力机实验系统，甚至是WM级的大型风力机测试系统的能力。因此通常需要构建一整套风力机模拟器来代替实际风力发电机组，开展对实际风力机的测试研究，既保障研究人员的安全、降低开发成本，又使得在实验室内就可以实现风电机组的发电、并网控制等功能测试，极大地便捷了科研人员在风力机控制、风力机发电领域的技术开发研究。
[0004]现有的风力机模拟器所应有的惯量补偿策略，通过在传动链增加惯量补偿回路，采用微分法求取转速加速度来计算补偿转矩，但是由于加速度的求取存在一步的加速度时滞，并且实际的实验系统也存在通讯时滞，因此采用k0+1阶滤波器的惯量补偿策略抑制时延影响。考虑到现有的风电机组，尤其是风电企业的MW级全功率风电机组，其转动惯量已经超过1000kgm2，其转动惯量通过比例缩放在KW级小功率动模平台上的倍数也将达百倍。然而应用该惯量补偿策略的风力机模拟器，虽能够模拟一定倍数于自身转动惯量的实际风力机的机械动态，但是包括现有各类惯量补偿策略的模拟器却都无法实现对百倍于自身转动惯量风力机机械动态的准确模拟。因此，亟需提出一种能够大幅度提升模拟器模拟转动惯量倍数的补偿方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对现有技术所采取的惯量补偿策略的风力机模拟器难以准确模拟大惯量风力机机械动态的问题，提出一种基于前馈偏差抑制的风力机模拟器转动惯量提升方法。
[0006]实现本专利技术目的的技术方案为：一种基于前馈偏差抑制的风力机模拟器转动惯量提升方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1、构建含系统时延的风力机模拟器离散数学模型；
[0008]步骤2、基于风力机模拟器的离散数学模型求解特征方程，确定风力机模拟器的滤波器参数；
[0009]步骤3、确定风力机模拟器传动系统因系统时延而产生的转矩偏差分量；
[0010]步骤4、根据确定的转矩偏差分量构建转矩偏差抑制器，从而提升风力机模拟器转
动惯量倍数。
[0011]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：
[0012](1)本专利技术仅通过改进惯量补偿策略，在现有惯量补偿策略的基础上添加转矩偏差抑制器，利用前馈转矩偏差抑制器的提前缩放转矩分量，从而实现消除转矩补偿回路中产生的不平衡转矩，实现了解决模拟器出现转速异常波动的问题，操作简便。
[0013](2)本专利技术突破了现有风力机模拟器只能模拟十几倍实际风力机的机械动态，实现准确模拟百倍于自身转动惯量的风力机机械动态，大幅提升了模拟器的模拟倍数。
[0014]下面结合具体实施方式和附图对本专利技术作进一步说明。
附图说明
[0015]图1为本专利技术的实施例中的含系统时延风力机模拟器中的传动链结构示意图。
[0016]图2为本专利技术的实施例中的函数y
′
(r)的单调性示意图。
[0017]图3为本专利技术的实施例中的应用前馈转矩偏差抑制器的风力机模拟器模型示意图。
[0018]图4为本专利技术的实施例中采用的风电机组动模实验系统结构图。
[0019]图5为现有惯量补偿策略测得的转速曲线示意图。
[0020]图6为本专利技术的实施例中应用基于前馈偏差抑制的风力机模拟器转动惯量提升方法后的转速曲线示意图。
具体实施方式
[0021]一种基于前馈偏差抑制的风力机模拟器转动惯量提升方法，包括以下步骤：
[0022]步骤1、构建含系统时延的风力机模拟器离散数学模型；
[0023]实际风力发电机组是一个气动
‑
机械
‑
电气耦合的复杂系统，其组成主要可分为三部分：气动部分、机械结构部分和电磁动态部分，但风力机模拟器不具备风轮，主要包含风轮模拟系统、发电并网系统和基于PLC的数字控制系统三部分。风力机模拟器系统旨在模拟风电机组将风能转化为电能的过程，主要实现风速模型、风轮气动模型、传动链模型以及并网模型的机电动态模拟，而忽略叶片、塔架等机械结构模型。
[0024]本专利技术专注于风力机模拟器对实际风力机机械动态的模拟，因此不考虑电磁动态，具体为：
[0025]步骤1
‑
1、风力机模拟器采用叶素
‑
动量理论，基于风能利用系数曲线(Cp
‑
λ曲线)模型实现风轮气动模型的建模；
[0026]构建气动模型：
[0027]T
a
＝0.5ρπR2v3C
p
(λ)/ω
[0028]λ＝ωR/v
[0029]其中，ρ为空气密度，R为风轮半径，v为风速，C
p
(λ)表示风能利用系数，其值与叶尖速比λ和桨距角β有关，T
a
表示模拟器系统输入的气动转矩，ω表示风轮的角速度；
[0030]步骤1
‑
2、构建传动链模型：
[0031]风力机模拟器与实际风力机有着几近相同的拓扑结构，但是转动惯量J
s
远小于实际风力机的转动惯量J
t
，为使二者的传动链输出的转速相同，简化风机模型，得到风机模拟
器的输出转矩表达式：
[0032][0033]该表达式由两部分组成，第一部分T
a
表示模拟器系统输入的气动转矩，第二部分(J
t
‑
J
s
)ω
g
表示根据实验系统传动链加速度计算得到的补偿转矩，即通过转矩补偿来达到惯量补偿的目标。
[0034]风力机控制器采用最优转矩法，实现风电机组的MPPT控制。
[0035]但实际的风机模拟器需要通过现场总线进行数据通信实现风机稳定控制，而现场总线通信虽然稳定，但是其通讯时延相对于传动控制系统的计算时长仍呈倍数关系，假设该时滞为系统离散时间步长T的整数阶时滞，即：
[0036]τ＝k0·
T
[0037][0038]其中，Ts为风力机模拟器的输出转矩，J
s
为模拟转动惯量，J
t
为实际转动惯量，为模拟器转速加速度，通过采集转速后微分计算得到；τ表示风力机模拟器的通信时滞，T表示风力机模拟器的控制周期，k0表示通信时滞的阶数，k0＝1,2,3...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于前馈偏差抑制的风力机模拟器转动惯量提升方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、构建含系统时延的风力机模拟器离散数学模型；步骤2、基于风力机模拟器的离散数学模型求解特征方程，确定风力机模拟器的滤波器参数；步骤3、确定风力机模拟器传动系统因系统时延而产生的转矩偏差分量；步骤4、根据确定的转矩偏差分量构建转矩偏差抑制器，从而提升风力机模拟器转动惯量倍数。2.根据权利要求1所述的基于前馈偏差抑制的风力机模拟器转动惯量提升方法，其特征在于，所述步骤1中的构建风力机模拟器离散数学模型，具体为：步骤1
‑
1、构建气动模型：T
a
＝0.5ρπR2v3C
p
(λ)/ωλ＝ωR/v其中，ρ为空气密度，R为风轮半径，v为风速，C
p
(λ)表示风能利用系数，T
a
表示模拟器系统输入的气动转矩，ω表示风轮的角速度；步骤1
‑
2、构建传动链模型：τ＝k0·
T其中，Ts为风力机模拟器的输出转矩，J
s
为模拟转动惯量，J
t
为实际转动惯量，为模拟器转速加速度，τ表示风力机模拟器的通信时滞，T表示风力机模拟器的控制周期，k0表示通信时滞的阶数，k0＝1,2,3
…
，N(z)为传动链中的k0+1阶滤波器，α
d
表示风力机模拟器中的k0+1阶滤波器参数。3.根据权利要求1所述的基于前馈偏差抑制的风力机模拟器转动惯量提升方法，其特征在于，所述步骤2中的确定风力机模拟器传动链的稳定条件，具体为：步骤2
‑
1、确定风力机模拟器传动系统的传递函数：其中，α
d
表示滤波器参数，J
s
为模拟转动惯量，J
t
为实际转动惯量，k0表示通信时滞的阶数，k0＝1,2,3
…
；步骤2
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：卜京，张煜楠，殷明慧，周连俊，陈载宇，邹云，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：