一种基于偏差抑制的风力机模拟器转动惯量补偿改进方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于风力机模拟器领域，特别是一种基于偏差抑制的风力机模拟器转动惯 量补偿改进方法。
【背景技术】
[0002] 由于实际风力机的场地实验开展十分困难且耗费时间，风力机模拟器（Wind Turbine Simulator，WTS)作为一种能够在实验内进行风力机仿真的实验设备，效果逼近现 场风机，已经成为风电研究非常重要的实验工具。
[0003] WTS模拟风力机的难点在于，实验平台的转动惯量要比实际风力机小得多。普遍被 应用的解决方案是添加动态转矩补偿支路来进行转动惯量的补偿，从而实现小转动惯量实 验平台对大转动惯量风力机的模拟。
[0004] 但是实验发现，由于实际风力机模拟器是离散系统，通过发电机转速差分计算的 补偿转矩与期望值之间是存在偏差的，而且当模拟风力机的转动惯量大于实验平台两倍时 该偏差分量会发生发散现象，引起补偿转矩的振荡，从而导致WTS无法稳定运行。由于发散 偏差分量的存在，传统的WTS只能模拟转动惯量小于实验装置两倍的风力机，WTS的应用范 围受到了很大的限制。
[000引基于上诉情况，目前迫切需要一种风力机模拟器转动惯量补偿改进方法，能够抑 制当模拟转动惯量大于实验装置两倍时转矩补偿支路的偏差分量，阻尼补偿转矩的振荡。 但是现有技术中尚无相关描述。
【发明内容】
[0006] 本发明所解决的技术问题在于提供一种基于偏差抑制的风力机模拟器转动惯量 补偿改进方法。
[0007] 实现本发明目的的技术解决方案为:一种基于偏差抑制的风轮模拟器转动惯量补 偿改进方法，包括W下步骤：
[0008] 步骤1、对风力机模拟器进行测试，确定风力机模拟器的转动惯量Js;
[0009] 步骤2、确定风力机模拟器所要模拟的风力机模型，确定风力机模型转动惯量Jt;
[0010] 步骤3、判断2. Js是否成立，若成立，进行步骤5,否则结束操作；
[0011] 步骤4、在风力机模拟器的动态转矩补偿支路中添加偏差抑制环节;偏差抑制环节 的Z域传递函数为：
[0012]
[001引式中，Qd是偏差抑制参数，取值范围为0如<1。
[0014]步骤5、对偏差抑制环节的参数进行修正，使风力机模拟器稳定运行。对偏差抑制 参数进行修正所用公式为：
[0015]
[0016] 本发明与现有技术相比，其显著优点为:针对传统的WTS只能模拟转动惯量小于实 验装置两倍的风力机的情况，本发明提出一种基于偏差抑制的风轮模拟器转动惯量补偿改 进方法，通过加入基于一阶低通滤波器的偏差抑制环节来改进转动惯量补偿方案，迫使瞬 时响应的发散偏差分量收敛，阻尼了转矩补偿导致的振荡。本发明开放了传统WTS对模拟转 动惯量的限制，使WTS能模拟更大转动惯量的风力机模型，并且能更加有效地复现实际风力 机的慢动态。本发明的方法简单易行，改进效果明显。
[0017] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
【附图说明】
[0018] 图1为本发明的含有偏差抑制环节的WTS系统离散域模型。
[0019]图2为本发明的传统WTS在Jt〉2Js条件下的仿真结果图。其中，（a)为发电机转速结 果图，（b)为补偿转矩结果图。
[0020] 图3为本发明的添加偏差抑制环节(ad = 0.9)的改进WTS在Jt〉2Js条件下的仿真结 果图。其中，（a)为发电机转速结果图，（b)为补偿转矩结果图。
[0021] 图4为本发明的添加偏差抑制环节(ad = 0.98)的改进WTS在Jt〉2Js条件下的仿真结 果图。其中，（a)为发电机转速结果图，（b)为补偿转矩结果图。
[0022] 图5为本发明的传统WTS在Jt〉2Js条件下的实验结果图。其中，（a)为发电机转速结 果图，（b)为补偿转矩结果图。
[0023] 图6为本发明的改进WTS在Jt〉2Js条件下的仿真结果图。其中，（a)为发电机转速结 果图，（b)为补偿转矩结果图。
[0024] 图7为本发明的改进WTS在不同模拟转动惯量下发电机转速对端流风响应差异结 果图。
【具体实施方式】
[0025] 本发明的一种基于偏差抑制的风力机模拟器转动惯量补偿改进方法，包括W下步 骤：
[0026] 步骤1、对风力机模拟器进行测试，确定风力机模拟器的转动惯量Js;
[0027] 步骤2、确定风力机模拟器所要模拟的风力机模型，确定风力机模型转动惯量Jt;
[0028] 步骤3、判断2 · Js是否成立，若成立，进行步骤5,否则结束操作；
[0029] 步骤4、在风力机模拟器的动态转矩补偿支路中添加偏差抑制环节;偏差抑制环节 的Z域传递函数为：
[0030]
[00引]式中，ctd是偏差抑制参数，取值范围为0細< 1。
[0032]步骤5、对偏差抑制环节的参数进行修正，使风力机模拟器稳定运行。对偏差抑制 参数进行修正所用公式为：
[0033]
[0034] 下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述：
[0035] 首先进行仿真研究，忽略了机电跟踪系统（electromechanical tracking system,ETS)的电磁动态，在MATLAB/Simulink中搭建了WTS的离散域仿真模型，如图1所示。 仿真参数如表1所示。电磁转矩计算公式为：
[0036] Tg = k〇pt · ω g2
[0037] 运是风能发电机一种广泛应用的最大功率点跟踪（maximum power point tracking，MPPT)控制方法，被称为最优转矩控制，其中k叩t是最优转矩增益（（Nm/(rad/s )2)。
[003引表1 WTS实验平台参数
[0039]
[0040]
[0041] 仿真实施例1:采用阶跃风作为输入量，Jt设为0.3kgm2(大于2Js)，未使用偏差抑制 环节，其仿真结果如图2所示，可W看出转矩补偿支路发生振荡导致WTS运行失稳。
[0042] 仿真实施例1I:使用ad为0.9的偏差抑制环节，其仿真结果如图3显示了偏差抑制 环节能维持WTS稳定运行并使其复现了与实际风力机近似的动态。
[0043] 仿真实施例1II:如果ad设得过大，例如0.98，转矩补偿的幅频响应在高频段衰减 太大，瞬时响应也变慢了，导致改进WTS的动态过程与实际风力机的偏差较大，结果如图4所 /J、- 〇
[0044] 然后，为了验证偏差抑制环节对WTS系统的稳定性和仿真性能的改进，进行了一系 列的实验。
[004引 WTS实验平台建立在实验室内，主要的构成部分有：
[0046 ] 1) -台Ξ相异步电动机连接一台永磁同步发电机；
[0047] 2)每转1024脉冲的光学式旋转编码器；
[004引 3)基于VAC0N转矩控制变换器的ETS;
[0049] 4)基于 Beckhoff PLC 的实时数字控制系统（real-time digital control system,RTDCS)；
[0050] 5) Pro f i bu s -DP现场总线的通讯网络；
[005。 6)上位机。
[0052] RTDCS根据包括风速生成，气动计算和前馈转矩补偿的控制律计算转矩参考值，然 后计算得的转矩参考值通过DP总线传输到驱动电机。通过工业驱动技术，电机的运行转矩 可W被精确地控制到跟随变化的转矩参考值。类似地可W控制发电机的转矩。
[0053] 实验实施例1:首先，令传统WTS在稳定域外(Jt设为3Js)。根据传统WTS的稳定判断 条件(Jt<2 · Js)，WTS预计是不稳定的。与预估的一致，图5所示的运行状态数据显示了WTS系 统发生了振荡，更不用说准确地模拟实际风力机动态。
[0054] 实验实施例1I:在与案例I相同的运行条件下，应用了 ad = 0.9的偏差抑制环节。如 图6中的结果显示，因为补偿转矩马上收敛，改进的WTS能稳定运行，所W基于偏差抑制的改 进转动惯量补偿方法被证明能有效地收敛偏差和稳定WTS系统。
[0055] 实验实施例1II:对输入端流风的改进WTS在不同模拟转动惯量下比较研究。如图7 所示，本发明使改进WTS可W比传统WTS模拟更大转动惯量的风力机。
[0056] 仿真和实验结果验证了在动态转矩补偿支路中加入偏差抑制环节可W扩大WTS稳 定域，提高模拟转动惯量上限，使WTS可W模拟更大转动惯量的风力机。
【主权项】
1. 一种基于偏差抑制的风力机模拟器转动惯量补偿改进方法，其特征在于，包括W下 步骤： 步骤1、对风力机模拟器进行测试，确定风力机模拟器的转动惯量Js ; 步骤2、确定风力机模拟器所要模拟的风力机模型，确定风力机模型转动惯量Jt; 步骤3、判断Jt含2 · Js是否成立，若成立，进行步骤5，否则结束操作； 步骤4、在风力机模拟器的动态转矩补偿支路中添加偏差抑制环节； 步骤5、对偏差抑制环节的参数进行修正，使风力机模拟器稳定运行。2. 根据权利要求1所述的基于偏差抑制的风力机模拟器转动惯量补偿改进方法，其特 征在于，步骤4中偏差抑制环节的Z域传递函数为：式中，Qd是偏差抑制参数，取值范围为0<ad<l。3. 根据权利要求1所述的基于偏差抑制的风力机模拟器转动惯量补偿改进方法，其特 征在于，步骤5中对偏差抑制参数进行修正所用公式为：
【专利摘要】本发明针对当前风力机模拟器（Wind？Turbine？Simulators，WTS）模拟大转动惯量风力机时会发生失稳的问题，公开了一种基于偏差抑制的风力机模拟器转动惯量补偿改进方法，通过一种基于一阶数字低通滤波器的偏差抑制环节，抑制了WTS转动惯量补偿环节的发散偏差分量。本发明解决了WTS模拟转动惯量超过实验装置两倍的风力机时发生的失稳现象，扩大了WTS的稳定域，使WTS能稳定地模拟大转动惯量风力机。
【IPC分类】F03D17/00
【公开号】CN105569930
【申请号】CN201510975532
【发明人】殷明慧, 李伟杰, 何立君, 陈载宇, 徐洋超, 路英伟, 刘尚孟, 卜京, 谢云云, 姚娟, 蔡晨晓, 邹云
【申请人】南京理工大学
【公开日】2016年5月11日
【申请日】2015年12月21日