CN103091109A - 用于风力发电机动态特性测试的风轮机模拟器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于风力发电机动态特性测试的风轮机模拟器及控制方法，属于风力发电的技术领域。所述模拟器包括：电动机、位置传感器、速度计算模块、风轮机转矩计算模块、转矩计算模块、转矩控制及换相控制器、三相全桥变换器、参考转矩计算模块、发电机转矩观测器、累加器。所述控制方法通过检测模拟器传动轴转速、电动机输出转矩得到用于获取参考转矩的风力发电机转矩观测量、模拟器摩擦系数和模拟器转动惯量，用参考转矩与电动机输出转矩相减得到电动机转矩闭环控制的输入量。本发明所述的风轮机模拟器精度高，其控制方法适用于动态情况下的风力发电机特性测试研究。

Description

用于风力发电机动态特性测试的风轮机模拟器及控制方法

技术领域

本发明公开了用于风力发电机动态特性测试的风轮机模拟器及控制方法，属于风力发电的技术领域。

背景技术

真实风场实验和风洞实验对于验证风力发电系统的控制策略，考察风轮机、风力发电机等部件的性能是必不可少的。但是，由于真实环境下风速波动的随机性和风洞的昂贵造价，这些方法并不适合风力发电技术的前期研究。因此有必要设计一种可控的风轮机模拟器来驱动风力发电机运行，同时其输出的机械特性应与实际风轮机输出相同，从而为实验室条件下的风力发电技术研究提供一个可靠、准确的研究平台。

风轮机模拟器通常采用转矩（功率）闭环控制的电动机（如直流电机、异步电机、永磁同步电机、无刷直流电机等）来模拟实际风轮机输出的转矩（功率）。传统的模拟方法，如中国专利《双凸极电机的风轮机模拟器及其控制方法》（授权公告日2010.12.01、专利号ZL200810155873.4）中所述的方法是将模拟器反馈转速和给定风速作为风轮机数学模型的输入，计算出此状态下风轮机应有的输出转矩，作为双凸极电机的转矩给定，通过转矩闭环完成模拟。这种方法只能模拟风轮机稳态运行时的功率特性，转速变化的动态过程中，由于模拟系统所用的双凸极电机与实际系统中的风轮机相比，具有不同的转动惯量和摩擦系数，从机械方程可知，两个系统在具有相同转矩的情况下，转速变化的动态过程将存在差异。因此在风速大范围变化；风力发电机突加、突卸负载；风力发电机发生故障等动态情况下，传统模拟方法无法反应真实风轮机传动轴的转速变化过程，不适用于风力发电机的动态特性测试。

若要实现动态特性模拟，需要对用于模拟风轮机的电动机的给定转矩进行修正，以补偿两个系统机械参数的差异，如中国专利《风力发电模拟试验平台》（公开日2009.5.13、公开号CN101430246A）中所述的，原动机的给定转矩由风轮机转矩和机械参数补偿项得到，如式（1）所示：

$T_m^{*}=\frac{T_{\mathrm{WT}}}{n_g}-\frac{J_{\mathrm{WT}}a+{\mathrm{K\ω}}_{\mathrm{WT}}}{n_g}---\left(1\right);$

式中，为原动机转矩给定值；T_WT为待模拟风轮机的气动转矩；n_g为齿轮箱变比；J_WT为风轮机转动惯量；K为风轮机传动轴摩擦系数；ω_WT为实际风电系统传动轴的机械转速；a表示风轮机传动轴的加速度。其中虽然引入了风轮机的机械参数J_WT、K，但没有加入原动机的机械参数，然而电机的转动惯量与摩擦也会消耗掉部分转矩，应予以考虑。

此外，除了对给定转矩进行修正，还可对用于模拟风轮机的电动机进行速度闭环控制，直接控制模拟系统的传动轴转速，使其与真实风轮机转动过程一致，如中国专利《风力发电机组风轮功率输出特性模拟试验方法》（授权公告日2009.7.22、专利号ZL200610048043.2）中通过风轮机传动系统的状态空间方程，解出设定风速下风轮机的转速，对异步电机进行速度闭环控制，但其未考虑风力发电机的电磁转矩，因此无法在风力发电机变载时做出响应。

现有风轮机模拟的技术方案，在动态过程模拟中都存在不准确的问题，而动态过程是考察风力发电系统稳定性的关键，因此有必要提供一个灵活、准确的风轮机模拟方法，为实验室环境下风力发电技术的研究提供可靠的基础。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了用于风力发电机动态特性测试的风轮机模拟器及控制方法

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

用于风力发电机动态特性测试的风轮机模拟器，包括：电动机、位置传感器、速度计算模块、风轮机转矩计算模块、转矩计算模块、转矩控制及换相控制器、三相全桥变换器、参考转矩计算模块、发电机转矩观测器、累加器；其中：

所述电动机通过传动轴与风力发电机相连；

所述电动机输入端接所述三相全桥变换器输出端，所述位置传感器的旋转部分与电动机的转子同轴安装，静止部分固定在电动机机壳上；

所述速度计算模块输入端接所述位置传感器输出端，输出端接所述风轮机转矩计算模块输入端；

所述转矩计算模块输入端接所述三相全桥变换器输出端；

所述发电机转矩观测器第一输入端接速度计算模块输出端，第二输入端接所述转矩计算模块输出端；

所述参考矩阵计算模块第一输入端接所述风轮机转矩计算模块输出端，第二输入端接所述发电机转矩观测器输出端；

所述累加器第一输入端接所述参考转矩计算模块输出端，第二输入端接所述转矩计算模块输出端；

所述转矩控制及换相控制器第一输入端接所述累加器输出端，第二输入端接所述位置传感器输出端，输出端接所述三相全桥变换器中开关管控制端。

用于风力发电机动态特性测试的风轮机模拟器的控制方法，包括如下步骤：

步骤1，构建如权利要求1所述的用于风力发电机动态特性测试的风轮机模拟器；

步骤2，三相全桥变换器根据转矩控制及换相控制器的初始驱动信号将直流电转换为交流电为电动机供电，利用电压电流采样电路实时采集电动机的三相输入电压和定子三相电流；

步骤3，用位置传感器获取电动机转子位置信号θ，速度计算模块根据转子位置信号计算得到电动机转子旋转的机械转速ω；

步骤4，风轮机转矩计算模块电动机转子旋转的机械转速ω以及给定风速v，计算得到待模拟风轮机的气动转矩T_WT；

步骤5，转矩计算模块根据定子三相电流、电动机转子位置信号θ得到电动机输出转矩T_M；

步骤6，发电机转矩观测器根据电动机转子旋转的机械转速ω、电动机输出转矩T_M，计算风力发电机电磁转矩的观测值

风轮机模拟器的摩擦系数

风轮机模拟器的转动惯量

步骤7，参考矩阵计算模块根据风力发电机电磁转矩的观测值风轮机模拟器的摩擦系数

风轮机模拟器的转动惯量

待模拟风轮机的摩擦系数B_WTG、待模拟风轮机的转动惯量J_WTG，计算得到电动机转矩给定值

步骤8，累加器用电动机转矩给定值

与电动机输出转矩T_M作差，得到电动机输出转矩修正值；

步骤9，转矩控制及换相控制器以步骤8得到的电动机输出转矩修正值为输入量，得到三相全桥变换器的控制信号；三相全桥变换器在控制信号的触发下得到电动机输入量。

所述用于风力发电机动态特性测试的风轮机模拟器的控制方法中，步骤6所述的风轮机模拟器摩擦系数

根据表达式

计算，风轮机模拟器转动惯量

根据表达式

计算；

其中：μ1表示风轮机模拟器的摩擦系数辨识增益；μ2表示风轮机模拟器的转动惯量辨识增益；为传动轴机械转速观测值。

所述用于风力发电机动态特性测试的风轮机模拟器的控制方法中，步骤7利用如下表达式计算得到电动机转矩给定值

$T_M^{*}={\hat{T}}_G+\frac{{\hat{J}}_{\mathrm{SIM}}s+{\hat{B}}_{\mathrm{SIM}}}{J_{\mathrm{WTG}}s+B_{\mathrm{WTG}}}(T_{\mathrm{WT}}-{\hat{T}}_G).$

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：本发明所述的风轮机模拟器精度高，其控制方法适用于动态情况下的风力发电机特性进行测试研究。

附图说明

图1为本发明所述风轮机模拟器示意图。

图2为本发明具体实施方式中所述风轮机的风能利用系数曲线。

图3为本发明方法中滑模观测器的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

如图1所示的用于风力发电机动态特性测试的风轮机模拟器，包括风力发电机、无刷直流电机、位置传感器、速度计算模块、风轮机转矩计算模块、转矩计算模块、转矩控制及换相控制器、三相全桥变换器、参考转矩计算模块、发电机转矩观测器、累加器。本发明以无刷直流电机为电动机模拟风轮机，直流电机、异步电机、永磁同步电机等常见电动机亦可实现本发明的技术方案。本发明以滑模观测器作为发电机转矩观测器。

风力发电机通过传动轴与无刷直流电机相连。无刷直流电机输入端接所述三相全桥变换器输出端，输出端接位置传感器输入端。速度计算模块输入端接所述位置传感器输出端，输出端接所述风轮机转矩计算模块输入端。转矩计算模块输入端接所述三相全桥变换器输出端。发电机转矩观测器第一输入端接速度计算模块输出端，第二输入端接所述转矩计算模块输出端。参考矩阵计算模块第一输入端接所述风轮机转矩计算模块输出端，第二输入端接所述发电机转矩观测器输出端。累加器第一输入端接所述参考转矩计算模块输出端，第二输入端接所述转矩计算模块输出端。转矩控制及换相控制器第一输入端接所述累加器输出端，第二输入端接所述位置传感器输出端，输出端接所述三相全桥变换器中开关管控制端。

位置传感器、无刷直流电机和风力发电机同轴安装，位置传感器输出位置信号θ到速度计算模块，速度计算模块输出无刷直流电机转子旋转的机械转速ω，用于计算待模拟风轮机输出气动转矩T_WT，观测风力发电机转矩。

所用风轮机转矩计算模块根据如下表达式计算待模拟风轮机输出气动转矩T_WT：

T_WT=0.5ρSC_pv³/ω    （2），

其中，ρ为空气密度，ρ=1.293kg/m³；S为待模拟风轮叶片的扫掠面积，本实施方式中风轮半径取r为1.6m，因此S=πr²=8.042m²；v为给定风速；ω为无刷直流电机转子旋转的机械转速；C_p为风能利用系数。

C_p表达式为：

$C_p({\mathrm{\λ}}_i,\mathrm{\β})=0.5176(116\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_i}-0.4\mathrm{\β}-5)e^{-21\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_i}}+0.0068\mathrm{\λ}---\left(3\right),$

式（2）中，λ为待模拟风轮机叶尖速比，

λ_i满足

β为桨距角；

风能利用系数C_p表达式所表示的函数关系如图2所示。

无刷直流电机定子三相电流i_a、i_b、i_c通过三个霍尔电流传感器测得，用于计算无刷直流电机输出转矩T_M；计算出的无刷直流电机输出转矩T_M一方面用于观测发电机转矩，另一方面作为转矩反馈量实现转矩闭环控制；发电机转矩观测器实时观测当前风力发电机的电磁转矩

风轮机模拟器的摩擦系数和转动惯量根据式（4）得到无刷直流电机参考转矩给定值

$T_M^{*}={\hat{T}}_G+\frac{{\hat{J}}_{\mathrm{SIM}}s+{\hat{B}}_{\mathrm{SIM}}}{J_{\mathrm{WTG}}s+B_{\mathrm{WTG}}}(T_{\mathrm{WT}}-{\hat{T}}_G)---\left(4\right),$

式（4）中：

为风力发电机电磁转矩的观测值，由滑模观测器观测得到；

分别为风轮机模拟器的摩擦系数和转动惯量，通过辨识算法得到；J_WTG、B_WTG分别为待模拟风轮机的转动惯量和摩擦系数，根据风轮机厂商给出的参数确定，在控制方法中作为已知参数输入程序；T_WT为待模拟风轮机的气动转矩；s为拉普拉斯算子。

无刷直流电机参考转矩给定值

与无刷直流电机输出转矩T_M相减后输出到转矩控制及换相控制器；转矩控制及换相控制器对转矩进行闭环控制和换相逻辑处理后，输出三相全桥变换器的六个开关管的驱动信号，以控制无刷直流电机。

无刷直流电机参考转矩给定值

的推导过程如下：

以直驱式风力发电系统为例，风轮机与风力发电机通过联轴器连接，其传动轴的运动学方程为：

$J_{\mathrm{WTG}}\frac{{\mathrm{d\ω}}_{\mathrm{WT}}}{\mathrm{dt}}=T_{\mathrm{WT}}-B_{\mathrm{WTG}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{WT}}-T_G---\left(5\right),$

式（5）中：ω_WT为实际风电系统传动轴的机械转速；T_WT为风轮机的气动转矩；T_G为风力发电机的电磁转矩；J_WTG、B_WTG分别为待模拟风轮机的转动惯量和摩擦系数；

风轮机模拟器由电动机取代风轮机，与风力发电机之间通过联轴器连接，其传动轴的运动学方程为：

$J_{\mathrm{SIM}}\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}=T_M-B_{\mathrm{SIM}}\mathrm{\ω}-T_G---\left(6\right),$

式（6）中：ω为传动轴的机械转速；T_M为无刷直流电机输出转矩J_SIM、B_SIM分别为风轮机模拟器的转动惯量和摩擦系数；

对式（5）、式（6）分别取拉普拉斯变换，得到实际风电系统传动轴转速和模拟器中传动轴转速的表达式分别为

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{WT}}=\frac{T_{\mathrm{WT}}-T_G}{J_{\mathrm{WTG}}s+B_{\mathrm{WTG}}}---\left(7\right),$

$\mathrm{\ω}=\frac{T_M-T_G}{J_{\mathrm{SIM}}s+B_{\mathrm{SIM}}}---\left(8\right),$

为使模拟器与实际风电系统表现出相同的转速变化过程，即ω_WT=ω，无刷直流电机的电磁转矩T_M由式（7）、式（8）导出，应满足

$\frac{T_M-T_G}{J_{\mathrm{SIM}}s+B_{\mathrm{SIM}}}=\frac{T_{\mathrm{WT}}-T_G}{J_{\mathrm{WTG}}s+B_{\mathrm{WTG}}}---\left(9\right),$

即得到无刷直流电机参考转矩给定值

$T_M^{*}=T_G+\frac{J_{\mathrm{SIM}}s+B_{\mathrm{SIM}}}{J_{\mathrm{WTG}}s+B_{\mathrm{WTG}}}(T_{\mathrm{WT}}-T_G)---\left(10\right),$

当风轮机模拟器连接不同的风力发电机进行测试时，风轮机模拟器的转动惯量和摩擦系数J_SIM、B_SIM将发生变化，为省略这两个参数的测量工作，可采用风轮机模拟器摩擦系数辨识值风轮机模拟器转动惯量辨识值

如图3所示，本发明中的发电机转矩观测器的设计如下：

根据风轮机模拟器的运动学方程，可建立含有待辨识参数（风轮机模拟器摩擦系数辨识值风轮机模拟器转动惯量辨识值

的滑模观测器，并根据此观测器所示算法完成发电机电磁转矩的观测：

当采用数字控制器对式（6）中的风力发电机的电磁转矩T_G进行观测时，由于采样时间足够短，可认为风力发电机电磁转矩T_G在采样过程中未发生变化，其导数为零，因此得到如下的状态空间方程：

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ω}\\ T_G\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}-\frac{B_{\mathrm{SIM}}}{J_{\mathrm{SIM}}}& -\frac{1}{J_{\mathrm{SIM}}}\\ 0& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ω}\\ T_G\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\frac{1}{J_{\mathrm{SIM}}}\\ 0\end{array}\right]T_M---\left(11\right),$

根据式（11）建立含有风轮机模拟器摩擦系数辨识值

风轮机模拟器转动惯量辨识值

的滑模观测器，其表达式如式（8）所示：

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}\widehat{\mathrm{\ω}}\\ {\hat{T}}_G\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}-\frac{{\hat{B}}_{\mathrm{SIM}}}{{\hat{J}}_{\mathrm{SIM}}}& -\frac{1}{{\hat{J}}_{\mathrm{SIM}}}\\ 0& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\widehat{\mathrm{\ω}}\\ {\hat{T}}_G\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\frac{1}{{\hat{J}}_{\mathrm{SIM}}}\\ 0\end{array}\right]T_M-\left[\begin{array}{c}k\\ \mathrm{hk}\end{array}\right]\mathrm{sgn}(\widehat{\mathrm{\ω}}-\mathrm{\ω})---\left(12\right),$

式（12）中：k、h为滑模增益；上标“∧”表示观测值；sgn为符号函数；

为传动轴机械转速观测值，由滑模观测器观测得到。

用式（12）减去式（11）即可得到观测误差方程如下：

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ\ω}\\ {\mathrm{\ΔT}}_G\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}-\frac{B_{\mathrm{SIM}}}{J_{\mathrm{SIM}}}& -\frac{1}{J_{\mathrm{SIM}}}\\ 0& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ\ω}\\ {\mathrm{\ΔT}}_G\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{\ΔB}}_{\mathrm{SIM}}}{J_{\mathrm{SIM}}}\widehat{\mathrm{\ω}}+\frac{{\mathrm{\ΔJ}}_{\mathrm{SIM}}}{J_{\mathrm{SIM}}}\stackrel{\·}{\widehat{\mathrm{\ω}}}\\ 0\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}\frac{{\hat{J}}_{\mathrm{SIM}}}{J_{\mathrm{SIM}}}k\\ \mathrm{hk}\end{array}\right]\mathrm{sgn}\left(\mathrm{\Δ\ω}\right)---\left(13\right),$

式（13）中：

转速观测误差Δω： $\mathrm{\Δ\ω}=\widehat{\mathrm{\ω}}-\mathrm{\ω}---\left(14\right),$

风力发电机电磁转矩的观测误差ΔT_G：

摩擦系数的辨识误差ΔB_SIM：

转动惯量的辨识误差ΔJ_SIM：

考虑滑模可达性条件及摩擦系数辨识和转动惯量辨识的收敛性，选择非负利雅普诺夫函数V：

$V=\frac{{\mathrm{\Δ\ω}}^2}{2}+\frac{{\mathrm{\ΔB}}_{\mathrm{SIM}}^2}{2{\mathrm{\μ}}_1{J}_{\mathrm{SIM}}}+\frac{{\mathrm{\ΔJ}}_{\mathrm{SIM}}^2}{2{\mathrm{\μ}}_2{J}_{\mathrm{SIM}}}---\left(18\right),$

式（18）中，μ₁>0；μ₂>0；为使滑模运动是渐近稳定的，V的导数应满足：

$\stackrel{\·}{V}=\mathrm{\Δ\ω\Δ}\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}+\frac{{\mathrm{\ΔB}}_{\mathrm{SIM}}}{{\mathrm{\μ}}_1{J}_{\mathrm{SIM}}}{\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{B}}_{\mathrm{SIM}}+\frac{{\mathrm{\ΔJ}}_{\mathrm{SIM}}}{{\mathrm{\μ}}_2{J}_{\mathrm{SIM}}}{\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{J}}_{\mathrm{SIM}}\≤0---\left(19\right),$

式（19）中：△ω为转速观测误差，即传动轴机械转速观测值

与传动轴的机械转速ω的差值；

为转速观测误差导数，为模拟器摩擦系数的辨识误差的导数，

为模拟器转动惯量的辨识误差的导数。

对于风力发电机和无刷直流电机，风轮机模拟器的摩擦系数B_SIM和转动惯量J_SIM为定值，风轮机模拟器摩擦系数导数

风轮机模拟器转动惯量导数

为0，则

再将式（13）的第一行代入不等式（19），得到 $\stackrel{\·}{V}=\mathrm{\Δ\ω}[-B_{\mathrm{SIM}}\mathrm{\Δ\ω}-{\mathrm{\ΔT}}_G-{\hat{J}}_{\mathrm{SIM}}\mathrm{ksgn}\left(\mathrm{\Δ\ω}\right)]-{\mathrm{\ΔB}}_{\mathrm{SIM}}\mathrm{\Δ\ω}\widehat{\mathrm{\ω}}-{\mathrm{\ΔJ}}_{\mathrm{SIM}}\mathrm{\Δ\ω}\stackrel{\·}{\widehat{\mathrm{\ω}}}+\frac{{\mathrm{\ΔB}}_{\mathrm{SIM}}}{{\mathrm{\μ}}_1}{\stackrel{\·}{\hat{B}}}_{\mathrm{SIM}}+\frac{{\mathrm{\ΔJ}}_{\mathrm{SIM}}}{{\mathrm{\μ}}_2}{\stackrel{\·}{\hat{J}}}_{\mathrm{SIM}}\≤0$ （20），

为满足不等式（20）的要求，可取

${\stackrel{\&CenterDot;}{V}}_1=\mathrm{\&Delta;\&omega;}[-B_{\mathrm{SIM}}\mathrm{\&Delta;\&omega;}-{\mathrm{\&Delta;T}}_G-{\hat{J}}_{\mathrm{SIM}}\mathrm{ksgn}\left(\mathrm{\&Delta;\&omega;}\right)]<0---\left(21\right),$

${\stackrel{\&CenterDot;}{V}}_2=-{\mathrm{\&Delta;B}}_{\mathrm{SIM}}\mathrm{\&Delta;\&omega;}\widehat{\mathrm{\&omega;}}+\frac{{\mathrm{\&Delta;B}}_{\mathrm{SIM}}}{{\mathrm{\&mu;}}_1}{\stackrel{\&CenterDot;}{\hat{B}}}_{\mathrm{SIM}}=0---\left(22\right),$

${\stackrel{\&CenterDot;}{V}}_3=-{\mathrm{\&Delta;J}}_{\mathrm{SIM}}\mathrm{\&Delta;\&omega;}\stackrel{\&CenterDot;}{\widehat{\mathrm{\&omega;}}}+\frac{{\mathrm{\&Delta;J}}_{\mathrm{SIM}}}{{\mathrm{\&mu;}}_2}{\stackrel{\&CenterDot;}{\hat{J}}}_{\mathrm{SIM}}=0---\left(23\right),$

由式（21）解出k值的取值范围：

$k>\left|\frac{{\hat{T}}_G-T_G}{{\hat{J}}_{\mathrm{SIM}}}\right|---\left(24\right),$

由式（22）、式（23），即可推出如下的摩擦系数和转动惯量的辨识公式：

${\stackrel{\&CenterDot;}{\hat{B}}}_{\mathrm{SIM}}=\&Integral;{\mathrm{\&mu;}}_1(\widehat{\mathrm{\&omega;}}-\mathrm{\&omega;})\widehat{\mathrm{\&omega;}}\mathrm{dt}---\left(25\right),$

${\stackrel{\&CenterDot;}{\hat{J}}}_{\mathrm{SIM}}=\&Integral;{\mathrm{\&mu;}}_2(\widehat{\mathrm{\&omega;}}-\mathrm{\&omega;})\widehat{\mathrm{\&omega;}}\mathrm{dt}---\left(26\right),$

式中：μ₁表示风轮机模拟器的摩擦系数辨识增益，为可调参数且μ₁>0；μ₂表示风轮机模拟器的转动惯量辨识增益，为可调参数且μ₂>0；

当观测器进入滑模状态后，利用等效输入控制理论，转速观测误差及其导数为零，即

当辨识到系统的摩擦系数和转动惯量后ΔB_SIM=0、ΔJ_SIM=0，此时观测误差方程（13）可化简为：

$0=-{\mathrm{\&Delta;T}}_G-{\hat{J}}_{\mathrm{SIM}}\mathrm{ksgn}(\widehat{\mathrm{\&omega;}}-\mathrm{\&omega;})---\left(27\right),$

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\mathrm{\&Delta;}{T}_G=-\mathrm{hksgn}(\widehat{\mathrm{\&omega;}}-\mathrm{\&omega;})---\left(28\right),$

从式（27）解出

后代入公式（28），得到发电机电磁转矩的观测误差方程：

$\frac{d}{\mathrm{dt}}{\mathrm{\&Delta;T}}_G=\frac{h}{{\hat{J}}_{\mathrm{SIM}}}\mathrm{\&Delta;}{T}_G---\left(29\right),$

选择h<0，发电机电磁转矩的观测误差ΔT_G将随时间以指数形式收敛到零，最终发电机电磁转矩的观测值等于实际值。

本发明中的发电机转矩观测器的设计如图3所示。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

（1）采用本发明的风轮机模拟方法对风力发电机进行测试，考虑了模拟器摩擦系数、模拟器转动惯量、风轮机摩擦系数、风轮机转动惯量、风轮机气动转矩、风力发电机电磁转矩对风力发电机动态测试的影响，避免了已有的模拟器及其控制方法只能模拟风轮机稳态运行时的功率特性的缺陷；

（2）对于不同风力发电机与电动机连接时，模拟器的摩擦系数以及转动惯量都不一样；本发明无需人工测量模拟电动机的转动惯量和摩擦系数，在与不同的风力发电机连接后，准确辨识出当前模拟系统的机械参数，进而观测出发电机的电磁转矩；

本发明所述的风轮机模拟器精度高，其控制方法适用于对动态情况下的风力发电机特性进行测试研究。

Claims (4)

1.用于风力发电机动态特性测试的风轮机模拟器，包括：电动机、位置传感器、速度计算模块、风轮机转矩计算模块、转矩计算模块、转矩控制及换相控制器、三相全桥变换器；其特征在于所述用于风力发电机动态特性测试的风轮机模拟器还包括：参考转矩计算模块、发电机转矩观测器、累加器；其中：

所述电动机通过传动轴与风力发电机相连；

所述电动机输入端接所述三相全桥变换器输出端，所述位置传感器的旋转部分与电动机的转子同轴安装，静止部分固定在电动机机壳上；

所述速度计算模块输入端接所述位置传感器输出端，输出端接所述风轮机转矩计算模块输入端；

所述转矩计算模块输入端接所述三相全桥变换器输出端；

所述发电机转矩观测器第一输入端接速度计算模块输出端，第二输入端接所述转矩计算模块输出端；

所述参考矩阵计算模块第一输入端接所述风轮机转矩计算模块输出端，第二输入端接所述发电机转矩观测器输出端；

所述累加器第一输入端接所述参考转矩计算模块输出端，第二输入端接所述转矩计算模块输出端；

所述转矩控制及换相控制器第一输入端接所述累加器输出端，第二输入端接所述位置传感器输出端，输出端接所述三相全桥变换器中开关管控制端。

2.用于风力发电机动态特性测试的风轮机模拟器的控制方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1，构建如权利要求1所述的用于风力发电机动态特性测试的风轮机模拟器；

步骤2，三相全桥变换器根据转矩控制及换相控制器的初始驱动信号将直流电转换为交流电为电动机供电，利用电压电流采样电路实时采集电动机的三相输入电压和定子三相电流；

步骤3，用位置传感器获取电动机转子位置信号θ，速度计算模块根据转子位置信号计算得到电动机转子旋转的机械转速ω；

步骤4，风轮机转矩计算模块电动机转子旋转的机械转速ω以及给定风速v，计算得到待模拟风轮机的气动转矩T_WT；

步骤5，转矩计算模块根据定子三相电流、电动机转子位置信号θ得到电动机输出转矩T_M；

步骤6，发电机转矩观测器根据电动机转子旋转的机械转速ω、电动机输出转矩T_M，计算风力发电机电磁转矩的观测值风轮机模拟器的摩擦系数

风轮机模拟器的转动惯量

步骤7，参考矩阵计算模块根据风力发电机电磁转矩的观测值

、风轮机模拟器的摩擦系数风轮机模拟器的转动惯量

待模拟风轮机的摩擦系数B_WTG、待模拟风轮机的转动惯量J_WTG，计算得到电动机转矩给定值

步骤8，累加器用电动机转矩给定值与电动机输出转矩T_M作差，得到电动机输出转矩修正值；

步骤9，转矩控制及换相控制器以步骤8得到的电动机输出转矩修正值为输入量，得到三相全桥变换器的控制信号；三相全桥变换器在控制信号的触发下得到电动机输入量。

3.根据权利要求2所述的用于风力发电机动态特性测试的风轮机模拟器的控制方法，其特征在于所述步骤6中所述的风轮机模拟器摩擦系数

根据表达式

计算，风轮机模拟器转动惯量

根据表达式

计算；

其中：μ1表示风轮机模拟器的摩擦系数辨识增益；μ2表示风轮机模拟器的转动惯量辨识增益；为传动轴机械转速观测值。

4.根据权利要求3所述的用于风力发电机动态特性测试的风轮机模拟器的控制方法，其特征在于所述步骤7利用如下表达式计算得到电动机转矩给定值

$T_M^{*}={\hat{T}}_G+\frac{{\hat{J}}_{\mathrm{SIM}}s+{\hat{B}}_{\mathrm{SIM}}}{J_{\mathrm{SIM}}+B_{\mathrm{WTG}}}(T_{\mathrm{WT}}-{\hat{T}}_G).$

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