CN106438217A - 风力机模拟器的摩擦阻尼补偿修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力机模拟器(Wind Turbine Simulator，WTS)的摩擦阻尼补偿修正方法，首先建立风力机模拟器传动链摩擦力矩修正模型；之后确定风力机模拟器传动链模型的常量参数并确定被模拟风力机的基本参数；最后根据风力机模拟器转矩模拟公式完成对实际风力机的转矩输出模拟。本发明在不同温度和转速下求解风力机模拟器自身的摩擦力矩，并对被模拟的风力机在传动链环节进行转矩的阻尼补偿修正，避免因阻尼摩擦补偿修正不当而造成的模拟不准确。本发明解决了风力机模拟器因未考虑阻尼摩擦补偿修正或者阻尼摩擦补偿修正不当导致的风力机模拟器模拟不准确的问题，有效地提高了风力机模拟器的准确性和实用性。

Description

风力机模拟器的摩擦阻尼补偿修正方法

技术领域

本发明属于风力机模拟器领域，特别是一种风力机模拟器摩擦阻尼补偿修正方法。

背景技术

风力机模拟器(Wind Turbine Simulator，WTS)可以在不依赖于环境和具体型号的风力机的情况下模拟风力机输出特性，通过任意设定的风速变化曲线，方便了实验室对不同风况下的风力发电系统进行研究。风力机模拟器可以用于风轮叶片气动设计、风力机伺服控制、电气变流技术等领域的功能测试，对风力发电系统的开发、优化和现场应用具有重要的意义。

风力机模拟器模拟实际风力机输出特性，但是在实际物理结构上和真实风力机还是有很大区别的，在传动链主要体现的是转动惯量和摩擦阻尼的不同。风力机模拟器的物理转动惯量远小于实际风力机的转动惯量，传统模拟器一般采取转动惯量补偿策略以还原实际风力机的慢机械动态特性。但是传统风力机模拟器往往忽略了传动链的阻尼补偿，或者将模拟器的摩擦阻尼转矩简单建模为与转速相关的一次线性表达式，最终会导致风力机模拟器模拟不准确的情况，比如说模拟结果风力机的发电效率(发电机发出的电能与风的动能之比)出现大于风力机气动效率(风轮捕获的动能之风的动能比)的情况。

基于上述情况，目前迫切需要一种风力机模拟器的摩擦阻尼补偿修正方法，使得风力机模拟器能够更加准确可靠地模拟风力机的机械动态。但是现有技术中尚无相关描述。

发明内容

本发明的目的在于提供一种风力机模拟器的摩擦阻尼补偿修正方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种风力机模拟器的摩擦阻尼补偿修正方法，包含以下步骤：

步骤1、建立风力机模拟器传动链摩擦力矩修正模型T_Ks(T,ω)，其中T为风力机模拟器轴系温度，ω为风力机模拟器轴系转速；所述风力机模拟器传动链摩擦力矩模型T_Ks(T,ω)为：

式中，N表示拟合阶数，a_i(T)表示在温度T条件下拟合多项式的系数。

步骤2、确定风力机模拟器传动链模型的常量参数，该常量参数为风力机模拟器的转动惯量J_s；所述风力机模拟器传动链模型为:

式中T_s为电动机输出机械转矩、T_g为发电机电磁转矩、是角加速度，所述电动机输出机械转矩、发电机电磁转矩和角加速度是变量参数。

步骤3、确定被模拟风力机的基本参数，包括风力机转动惯量J_t、风力机传动链摩擦力矩T_Kt(ω)和齿轮箱变比n_g；

步骤4、根据风力机模拟器转矩模拟公式，将T_s作为风力机模拟器电动机的参考转矩，从而完成对实际风力机的转矩输出模拟，其中风力机模拟器转矩模拟公式中引入了步骤1中的风力机模拟器传动链摩擦力矩模型。所述风力机模拟器转矩模拟公式为：

式中，T_a为被模拟风力机的气动转矩，T_s为风力机模拟器电动机输出的参考转矩，为风力机模拟器轴系转速的角加速度。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明首次提出了一个风力机模拟器的摩擦阻尼补偿修正方法，解决了因模拟器摩擦阻尼补偿修正不当而造成的模拟器不准确的问题；2)本发明公开了风力机模拟器的摩擦阻尼补偿修正方法的详细步骤，简单易行，且能够保证风力机模拟器模拟更大转动惯量的风力机的同时，更加准确复现实际风力机的慢动态。

附图说明

图1为本发明的风力机模拟器的摩擦阻尼补偿修正方法的流程图。

图2为实际风力机传动链单质量模型图。

图3为本发明的具体实施例的模拟器结构图。

图4为采用摩擦阻尼补偿修正方法后在湍流风速下风力机模拟器WTS和仿真软件FAST的转速轨迹图，其中图(a)是长时间转速轨迹对比图，图(b)是短时间转速轨迹对比图。

图5为应用本发明采用摩擦阻尼补偿修正方法后在湍流风速下WTS气动效率和发电效率对比图。

具体实施方式

结合图1，本发明的一种风力机模拟器的摩擦阻尼补偿修正方法，包含以下步骤：

步骤1、建立风力机模拟器传动链摩擦力矩修正模型T_Ks(T,ω)，其中T为风力机模拟器轴系温度，ω为风力机模拟器轴系转速；所述风力机模拟器传动链摩擦力矩模型T_Ks(T,ω)为：

式中，N表示拟合阶数，a_i(T)表示在温度T条件下拟合多项式的系数。

步骤2、确定风力机模拟器传动链模型的常量参数，该常量参数为风力机模拟器的转动惯量J_s；所述风力机模拟器传动链模型为:

式中T_s为电动机输出机械转矩、T_g为发电机电磁转矩、是角加速度，所述电动机输出机械转矩、发电机电磁转矩和角加速度是变量参数。

步骤3、确定被模拟风力机的基本参数，包括风力机转动惯量J_t、风力机传动链摩擦力矩T_Kt(ω)和齿轮箱变比n_g；

步骤4、根据风力机模拟器转矩模拟公式，将T_s作为风力机模拟器电动机的参考转矩，从而完成对实际风力机的转矩输出模拟，其中风力机模拟器转矩模拟公式中引入了步骤1中的风力机模拟器传动链摩擦力矩模型。所述风力机模拟器转矩模拟公式为：

式中，T_a为被模拟风力机的气动转矩，T_s为风力机模拟器电动机输出的参考转矩，为风力机模拟器轴系转速的角加速度。

本发明解决了风力机模拟器因未考虑阻尼摩擦补偿修正或者阻尼摩擦补偿修正不当导致的风力机模拟器模拟不准确的问题，有效地提高了风力机模拟器的准确性和实用性。

下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述：

实施例

参照图1的具体流程图，首先对模拟器传动链的摩擦阻尼转矩进行建模。常规的风力机模拟器一般不考虑进行阻尼摩擦的补偿修正，或者只是通过传动结构、传动方式及材料查表求取阻尼系数B_s，对模拟器传动链的摩擦力矩的线性模型：

T_Ks(ω)＝B_s·ω (1)

但是该方法表示的摩擦力矩误差比较大，导致模拟器的准确性降低，甚至出现模拟结果风力机的发电效率(发电机发出的电能与风的动能之比)出现大于风力机气动效率(风轮捕获的动能之风的动能比)的情况。

因此，本发明提供考虑温度的多项式非线性拟合建模方法，通过对风力机模拟器在不同转速，不同温度下的摩擦力矩进行测量，获取摩擦力矩的数据后，进行非线性模型拟合进行建模；摩擦力矩非线性模型公式为：

式中，N表示拟合阶数，a_i(T)表示在温度T条件下拟合多项式的系数。

然后，确定风力机模拟器传动链模型的其他参数，风力机模拟器转动惯量J_s，查询技术手册或产品说明，确定被模拟风力机的基本参数，包括风力机转动惯量J_t、风力机传动链摩擦力矩T_Kt(ω)和齿轮箱变比n_g等，其中部分参数数值在表格1中给出。

实际风力机的折算到高速侧的单质量模型如图2所示，传动链模型为：

式中，J_t表示风力机折算到高速侧的转动惯量，T_a表示风力机的气动转矩，n_g表示齿轮箱变比，T_g表示发电机电磁转矩，ω表示转速，表示角加速度，T_Ks(T,ω)表示风力机转算到高速侧的摩擦力矩。

而风力机模拟器的传动链模型为：

式中，J_s表示风力机模拟器的转动惯量，T_s表示电动机输出机械转矩，T_g表示发电机电磁转矩，ω表示转速，表示角加速度，T_Ks(T,ω)表示本发明建立的摩擦力矩模型。

将式(3)和式(4)相减，便得到了考虑转动惯量补偿和阻尼摩擦补偿修正的风力机模拟器电动机输出转矩公式：

最后通过风力机模拟器实验对本发明进行实验验证。

WTS实验平台建立在实验室内，其主要的构成部分如图3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/rpm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-time digital controlsystem，RTDCS)；

5)EtherCat现场总线的通讯网络；

6)温度传感器，在电机内部未标示。

RTDCS根据包括模拟的湍流风速，气动转矩、惯量补偿和摩擦阻尼补偿修正计算电动机的转矩参考值，然后根据式(5)将计算的转矩参考值通过EtherCat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:

T_g＝k_opt·ω_g ² (6)

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k_opt是最优转矩增益。

表1 WTS实验平台主要参数

参数	数值
		模拟风力机额定功率	10(kW)
模拟风轮半径R	20(m)
		最大功率因素Cpmax	0.467
最优叶尖速比λ	5.81
		风力机(高速侧)转动惯量Jt	330(kgm2)
齿轮箱变比ng	43.165
		实验台转动惯量Js	0.72(kgm2)
异步电动机额定功率	15(kW),1500(RPM)
		永磁同步发电机额定功率	15(kW),1500(RPM)
异步电动机额定电流	30(A)
		永磁电机额定电流	15(A)
PLC更新周期	40(ms)

湍流风实验结果如图4所示，从图(a)和图(b)中可以看出，相同型号的风力机，FAST仿真软件和风力机模拟器的转速轨迹在相同风况下基本重合，验证了本方法的有效性。

根据如图5的实验结果所示，在湍流风条件下，采用最优转矩控制方式时，风力机模拟器并没有出现发电效率高于气动效率的情况，进一步验证了本发明的有效性和实用性。

Claims (4)

1.一种风力机模拟器的摩擦阻尼补偿修正方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1、建立风力机模拟器传动链摩擦力矩修正模型T_Ks(T,ω)，其中T为风力机模拟器轴系温度，ω为风力机模拟器轴系转速；

步骤2、确定风力机模拟器传动链模型的常量参数，该常量参数为风力机模拟器的转动惯量J_s；

步骤3、确定被模拟风力机的基本参数，包括风力机转动惯量J_t、风力机传动链摩擦力矩T_Kt(ω)和齿轮箱变比n_g；

步骤4、根据风力机模拟器转矩模拟公式，将T_s作为风力机模拟器电动机的参考转矩，从而完成对实际风力机的转矩输出模拟，其中风力机模拟器转矩模拟公式中引入步骤1中的风力机模拟器传动链摩擦力矩模型。

2.根据权利要求1所述的风力机模拟器的摩擦阻尼补偿修正方法，其特征在于，步骤1中风力机模拟器传动链摩擦力矩模型T_Ks(T,ω)为：

$T_{Ks}(T,\mathrm{\ω})=\underset{i=0}{\overset{N}{\Σ}}{a}_i\left(T\right){\mathrm{\ω}}^i$

式中，N表示拟合阶数，a_i(T)表示在温度T条件下拟合多项式的系数。

3.根据权利要求1所述的风力机模拟器的摩擦阻尼补偿修正方法，其特征在于，步骤2中风力机模拟器传动链模型为:

$J_s\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}=T_s-T_g-T_{Ks}(T,\mathrm{\ω})$

式中T_s为电动机输出机械转矩、T_g为发电机电磁转矩、是角加速度，所述电动机输出机械转矩、发电机电磁转矩和角加速度是变量参数。

4.根据权利要求1所述的风力机模拟器的摩擦阻尼补偿修正方法，其特征在于，步骤4中所述风力机模拟器转矩模拟公式为：

$T_s=T_a/n_g-(J_t-J_s)\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}-\left(T_{Kt}\right(\mathrm{\ω})-T_{Ks}(T,\mathrm{\ω}\left)\right)$

式中，T_a为被模拟风力机的气动转矩，T_s为风力机模拟器电动机输出的参考转矩，为风力机模拟器轴系转速的角加速度。