CN105673357B - 一种适用于风力机模拟器的考虑时滞的转动惯量补偿方法 - Google Patents

一种适用于风力机模拟器的考虑时滞的转动惯量补偿方法 Download PDF

Info

Publication number
CN105673357B
CN105673357B CN201610230753.0A CN201610230753A CN105673357B CN 105673357 B CN105673357 B CN 105673357B CN 201610230753 A CN201610230753 A CN 201610230753A CN 105673357 B CN105673357 B CN 105673357B
Authority
CN
China
Prior art keywords
wind turbine
turbine simulator
rotary inertia
energy conversion
conversion system
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201610230753.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105673357A (zh
Inventor
殷明慧
刘尚孟
李伟杰
路英伟
何立君
沈春
卜京
谢云云
姚娟
蔡晨晓
邹云
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanjing University of Science and Technology
Original Assignee
Nanjing University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanjing University of Science and Technology filed Critical Nanjing University of Science and Technology
Priority to CN201610230753.0A priority Critical patent/CN105673357B/zh
Publication of CN105673357A publication Critical patent/CN105673357A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105673357B publication Critical patent/CN105673357B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/10—Geometric CAD
    • G06F30/17—Mechanical parametric or variational design
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/30—Circuit design
    • G06F30/36—Circuit design at the analogue level
    • G06F30/367—Design verification, e.g. using simulation, simulation program with integrated circuit emphasis [SPICE], direct methods or relaxation methods
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)
  • Wind Motors (AREA)

Abstract

本发明针对当前风力机模拟器模拟大转动惯量风力机时会发生失稳振荡的问题，公开了一种考虑通信时滞与加速度时滞的改进转动惯量补偿方法，首先对风力机模拟器进行测试，确定风力机模拟器的转动惯量；之后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；并对风力机模拟器进行测试，确定通信时滞步长；并根据情况在风力机模拟器的动态转矩补偿支路中添加滤波器；最后对数字滤波器的参数进行调整，使风力机模拟器稳定运行。本发明解决了WTS因通信时滞与加速度时滞而引发的失稳现象，通过消除时滞影响使WTS能稳定地模拟大转动惯量风力机，帮助在实验室环境内进行风力机控制实验。

Description

一种适用于风力机模拟器的考虑时滞的转动惯量补偿方法
技术领域
本发明属于风力机模拟器领域，尤其涉及一种适用于风力机模拟器的考虑通信时滞与加速度时滞的转动惯量补偿方法。
背景技术
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(WindTurbine Simulator,WTS)作为一种能够在实验室环境下进行风力机实验的设备，开展风力机试验的目的将助力风轮叶片气动设计、风力机伺服控制、电气变流技术等的深入研究，对风力发电系统的开发、优化和现场应用具有重要的意义。
由于WTS的物理转动惯量远小于实际风力机的转动惯量，WTS须采取转动惯量补偿方法以还原实际风力机的慢机械动态特性。目前主流的解决方案是转动惯量方法进行虚拟补偿，从而实现小转动惯量系统对大转动惯量风力机的机械动态模拟。
但是因为WTS系统在应用时不可避免的存在通信时滞与加速度时滞，这两个时滞会在转动惯量补偿回路中激发一个偏差响应分量，当WTS模拟风力机的转动惯量大于实验平台两倍时该偏差响应分量会发散而引起WTS系统振荡失稳。而现有的基于一阶滤波器的转动惯量补偿方法由于通信时滞的影响难以准确消除偏差响应分量，存在失效现象。
基于上述情况，目前迫切需要一种适用于WTS的考虑时滞的改进转动惯量补偿方法，准确消除通信时滞与加速度时滞在转动惯量补偿环节所产生的偏差响应分量以稳定WTS系统。但是现有技术中尚无相关描述。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种适用于风力机模拟器的考虑时滞的转动惯量补偿方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种适用于风力机模拟器的考虑时滞的转动惯量补偿方法，包括以下步骤：
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、对风力机模拟器进行测试，确定通信时滞步长k0；时滞步长k0的确定公式为：
k0＝[τ/T]
式中，τ是通信时滞时长，T是系统采样时长。
步骤4、判断Jt≥2·Js是否成立，若成立，进入步骤5，否则结束操作；
步骤5、在风力机模拟器的动态转矩补偿支路中添加k0+1阶数字滤波器；k0+1阶数字滤波器的表达式为：
式中，α是k0+1阶滤波器系数，其取值范围为0＜α＜1，1～k0阶滤波器系数则均取为零。
步骤6、根据模拟器转动惯量Js与风力机转动惯量Jt对k0+1阶数字滤波器的参数α进行调整，使风力机模拟器稳定运行。所用公式为：
本发明与现有技术相比，其显著优点为：现有使用一阶滤波器的WTS未考虑通信时滞，存在失效现象，故仅能够模拟转动惯量倍数十分有限的风力机，本发明提出一种考虑通信时滞与加速度时滞的改进转动惯量补偿方法，通过引入高阶滤波器来消除时滞所激发的偏差响应分量，解决了补偿转矩的振荡问题。本发明突破了现有WTS对转动惯量补偿倍数的限制，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机械动态过程。本发明的方法简单易行，改进效果明显。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明的含有高阶数字滤波器的WTS系统离散域模型。
图2为本发明实施方式的实验平台结构及高阶滤波器使用示意图。
图3为传统WTS在Jt＝5Js条件下的实验失稳图。其中，(a)为发电机转速结果图，(b)为补偿转矩结果图。
图4为应用一阶滤波器的WTS在Jt＝5Js条件下的实验失稳图。其中，(a)为发电机转速结果图，(b)为补偿转矩结果图。
图5为本发明的改进WTS在Jt＝5Js条件下的阶跃风速实验图。其中，(a)为发电机转速结果图，(b)为补偿转矩结果图。
图6为本发明的改进WTS在不同模拟转动惯量下发电机转速对湍流风响应差异结果图。
具体实施方式
结合附图，本发明的一种适用于风力机模拟器的考虑时滞的转动惯量补偿方法，包括以下步骤：
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、对风力机模拟器进行测试，确定通信时滞步长k0；时滞步长k0的确定公式为：
k0＝[τ/T]
式中，τ是通信时滞时长，T是系统采样时长。
步骤4、判断Jt≥2·Js是否成立，若成立，进入步骤5，否则结束操作；
步骤5、在风力机模拟器的动态转矩补偿支路中添加k0+1阶数字滤波器；k0+1阶数字滤波器的表达式为：
式中，α是k0+1阶滤波器系数，其取值范围为0＜α＜1，1～k0阶滤波器系数则均取为零。
步骤6、根据模拟器转动惯量Js与风力机转动惯量Jt对k0+1阶数字滤波器的参数α进行调整，使风力机模拟器稳定运行。所用公式为：
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述：
WTS实验平台建立在实验室内，其主要的构成部分如图2有：1)一台三相异步电动机与一台永磁同步发电机构建的对拖系统，2)1024脉冲/转的旋转编码器用于转速测量，3)基于VACON变频器的电机驱动系统，4)基于Beckhoff PLC的实时数字控制系统(real-timedigital control system，RTDCS)，高阶数字滤波器处于该系统中，5)Profibus-DP现场总线的通讯网络。
RTDCS根据包括模拟的湍流风速，气动转矩和补偿转矩计算电动机的转矩参考值，一阶低通滤波器在补偿转矩的计算回路中。然后将滤波后的转矩参考值通过Profibus-DP总线传输到电动机驱动系统。通过工业驱动技术，电机的运行转矩得以精确控制去跟随变化的转矩参考值。
风力机模拟器平台参数如表1所示。电磁转矩计算公式为:
Tg＝kopt·ωg 2
这是风力发电机一种广泛应用的最大功率点跟踪(maximum power pointtracking，MPPT)控制方法，被称为最优转矩控制，其中kopt是最优转矩增益((Nm/(rad/s)2)。
表1WTS实验平台参数
对比例I：采用阶跃风作为输入量，Jt取为0.4225kgm2(即5Js)，未使用高阶滤波器，其实验结果如图3所示，可以看出转矩补偿支路发生振荡导致WTS运行失稳。
对比例II：使用现有未考虑时滞的基于一阶数字滤波器的转动惯量补偿方法，其实验结果如图4所示，由于通信时滞，WTS难以稳定运行且依旧存在补偿转矩振荡的失稳现象。
实施例III：应用本发明的考虑时滞的转动惯量补偿方法，如图1中所示，具体实施为以下步骤：
1、确定风力机模拟器的转动惯量Jt＝0.0845；
2、确定要模拟的风力机的转动惯量Jt，此时为0.4225kgm2(即5Js)；
3、测定风力机模拟器中的通信时滞τ，选取模拟器的控制周期T＝20ms，计算此时通信时滞的阶数k0＝[τ/T]＝4；
4、在风力机模拟器的动态转矩补偿支路中添加5阶数字滤波器；
5、根据模拟器转动惯量Js与风力机转动惯量Jt对5阶数字滤波器的参数α进行调整，根据权利要求3中的公式，此时α取为0.8。
应用本发明的考虑时滞的转动惯量补偿方法的实验结果如图5所示，从图中可见，WTS能够稳定地模拟更大转动惯量补偿倍数的风力机机械动态。
实施例IV：应用本发明的考虑时滞的转动惯量补偿方法，具体步骤与实施例III中一致，对输入湍流风的WTS在不同模拟转动惯量下比较研究。如图6所示，实验过程未出现不稳定现象。本发明的基于高阶滤波器的改进转动惯量补偿方法能够克服时滞的影响，使得风力机模拟器能够稳定地模拟大转动惯量倍数风力机的慢机械动态过程。
由上可知，本发明的一种考虑通信时滞与加速度时滞的改进转动惯量补偿方法，通过引入高阶滤波器来消除时滞所激发的偏差响应分量，解决了补偿转矩的振荡问题。

Claims (4)

1.一种适用于风力机模拟器的考虑时滞的转动惯量补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
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、对风力机模拟器进行测试，确定通信时滞步长k0；
步骤4、判断Jt≥2·Js是否成立，若成立，进入步骤5，否则结束操作；
步骤5、在风力机模拟器的动态转矩补偿支路中添加k0+1阶数字滤波器；
步骤6、根据风力机模拟器的转动惯量Js与风力机模型转动惯量Jt对k0+1阶数字滤波器系数α进行调整，使风力机模拟器稳定运行。
2.根据权利要求1所述的适用于风力机模拟器的考虑时滞的转动惯量补偿方法，其特征在于，步骤3中通信时滞步长k0的确定公式为：
k0＝[τ/T]
式中，τ是通信时滞时长，T是系统采样时长。
3.根据权利要求1所述的适用于风力机模拟器的考虑时滞的转动惯量补偿方法，其特征在于，步骤5中k0+1阶数字滤波器的表达式为：
式中，α是k0+1阶数字滤波器系数，其取值范围为0<α<1，1～k0阶数字滤波器系数则均取为零。
4.根据权利要求1所述的适用于风力机模拟器的考虑时滞的转动惯量补偿方法，其特征在于，步骤6中对k0+1阶数字滤波器系数α进行调整所用公式为：
CN201610230753.0A 2016-04-14 2016-04-14 一种适用于风力机模拟器的考虑时滞的转动惯量补偿方法 Active CN105673357B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610230753.0A CN105673357B (zh) 2016-04-14 2016-04-14 一种适用于风力机模拟器的考虑时滞的转动惯量补偿方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610230753.0A CN105673357B (zh) 2016-04-14 2016-04-14 一种适用于风力机模拟器的考虑时滞的转动惯量补偿方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105673357A CN105673357A (zh) 2016-06-15
CN105673357B true CN105673357B (zh) 2018-10-02

Family

ID=56309958

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610230753.0A Active CN105673357B (zh) 2016-04-14 2016-04-14 一种适用于风力机模拟器的考虑时滞的转动惯量补偿方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105673357B (zh)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106951614A (zh) * 2017-03-09 2017-07-14 南京理工大学 风力机模拟器的考虑阻尼补偿的兆瓦级风机模拟方法
CN106949019B (zh) * 2017-03-09 2019-02-22 南京理工大学 风力机模拟器的模拟性能的评价方法
CN106940959A (zh) * 2017-03-09 2017-07-11 南京理工大学 基于加速度观测的兆瓦级风机模拟方法
CN109751185B (zh) * 2019-01-04 2020-01-07 上海交通大学 一种变速风电机组的分频控制方法及控制系统
CN110544943B (zh) * 2019-09-12 2022-05-27 宁波大学 多机时滞广域电力系统的鲁棒动态表层镇定控制方法
CN112906210B (zh) * 2021-02-05 2022-09-06 南京理工大学 基于失稳特征提取的风电机组试验台时延辨识方法及系统
CN112983753B (zh) * 2021-03-03 2022-06-28 南京理工大学 基于无速度传感器地面试验台的风机机械动态模拟方法及系统

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5013372B2 (ja) * 2007-09-06 2012-08-29 国立大学法人 琉球大学 風力発電機用蓄電池設備の製作方法
CN102588211B (zh) * 2012-02-29 2013-08-14 沈阳华人风电科技有限公司 一种风力发电机组全工况模型预测控制方法及系统
CN103573552B (zh) * 2012-08-02 2016-02-24 通用电气公司 风力涡轮机及其降低转子不平衡的控制方法
CN103117693B (zh) * 2013-01-11 2015-01-14 南京航空航天大学 一种无需对转速微分运算的风轮机模拟器及其控制方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN105673357A (zh) 2016-06-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105673357B (zh) 一种适用于风力机模拟器的考虑时滞的转动惯量补偿方法
Bossoufi et al. Backstepping control of DFIG generators for wide-range variable-speed wind turbines
CN109217371B (zh) 考虑锁相环影响的电压源型变流器并网系统稳定性分析方法、装置及系统
CN105512367B (zh) 并网火电机组一次调频转速不等率的临界稳定值确定方法
CN112542855B (zh) 一种双馈风力发电系统相量模型建模及仿真方法
CN103758699A (zh) 一种风力发电机组的桨距角控制方法及桨距角控制器
CN109599889A (zh) 基于模糊自抗扰的不平衡电压下dfig低电压穿越控制方法、系统
CN106294959B (zh) 模型参考自适应控制与双馈风机降阶模型相结合的建模仿真方法
Weijie et al. Investigating instability of the wind turbine simulator with the conventional inertia emulation scheme
CN116738636A (zh) 考虑阻抗特性及同步机制的双馈风电场站的多机等值方法
CN103117693B (zh) 一种无需对转速微分运算的风轮机模拟器及其控制方法
Usman¹ et al. Model Building And Cascade Compensation Of Angle Servo Control System
CN105569930B (zh) 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
CN106438217B (zh) 风力机模拟器的摩擦阻尼补偿修正方法
CN105952587B (zh) 基于风力机模拟器转动惯量补偿策略的滤波参数选取方法
Wei et al. Phase-averaged dynamics of a periodically surging wind turbine
CN111120222B (zh) 一种具有风剪切和塔影效应的真实风况风力发电模拟装置
El Aimani Comparison of control structures for variable speed wind turbine
CN210015441U (zh) 适用于adpss双馈风机闭环试验的并行异构仿真平台
CN106940959A (zh) 基于加速度观测的兆瓦级风机模拟方法
Miao et al. Power control performance evaluation of wind turbine based on a hardware-in-the-loop simulation platform
CN113949104B (zh) 一种多类型电力电子设备馈入系统动态稳定判断方法
De Oliveira et al. Wind turbine emulator using induction motor driven by frequency inverter and hardware-in-the-loop control
CN116191478B (zh) 一种多个异步电机等效惯量评估和频率响应建模方法
CN115017749B (zh) 基于pscad的同步发电机组自定义建模及初始化方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant