CN106940959A - 基于加速度观测的兆瓦级风机模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于加速度观测的用于模拟风机机械动态的模拟方法，通过Luenberger观测器求解加速度，可以利用本发明提供的方法根据发电机实际转速，获得精确的加速度估算值，再根据该估算值进行转矩的转动惯量补偿，从而实现对兆瓦级风力机的大转动惯量慢机械动态的精确模拟。本发明解决了因微分求解的加速度不准及延时造成风力机模拟实验不准确甚至失稳的问题，有效地提高了风力机模拟器的准确性和模拟的可行性。

Description

基于加速度观测的兆瓦级风机模拟方法

技术领域

本发明属于风力机模拟器领域，特别是一种基于加速度观测的兆瓦级风机模拟方法基于加速度观测的兆瓦级风机模拟方法。

背景技术

风力机模拟器(Wind Turbine Simulator，WTS)是一种进行风力发电技术研究的实验工具，人为给定不同风速环境下的风速变化曲线，它可以模拟不同型号的风力机，很好地跟踪风速，在实验室环境下就可以对实际风力机进行模拟。风力机模拟器可以用来进行风力发电领域的气动设计、变流技术以及伺服控制等方面的研究，极大降低了风力发电研究的成本，提高了研究的可信性，对风力发电普及以及环境保护有重要意义。

风力机模拟器模拟实际风力机时，使用电动机模拟风轮输出转矩，整个传动轴系转动惯量远小于实际风力机，直接模拟无法还原实际风力机的慢机械特性。通常，一般采用转动惯量补偿的方法进行转矩补偿，该方法需要实时的发电机角加速度。传统方法采用速度微分求解角加速度，但是这样不仅放大了转速噪声，同时还会导致角加速度求解的延时。结果就是角加速度求解不准确导致模拟器模拟不准确甚至失稳。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于加速度观测的兆瓦级风机模拟方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于加速度观测的兆瓦级风机模拟方法，包含以下步骤：

步骤1、建立基于Luenberger观测器的风力机模拟器加速度观测器模型，其传递函数Φ(s)，输入发电机转速ω_g，输出加速度观测值β；

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，确定被模拟风力机的基本参数，包括风力机转动惯量J_t、齿轮箱变比n_g；

步骤3、建立转动惯量补偿转矩模型，求解惯量补偿转矩T_comp；

步骤4、根据风机模拟器模拟转矩公式，得到包含转动惯量补偿转矩的T_s，将其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3中的风力机模拟器传动链摩 擦力矩模型。

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基于加速度观测的兆瓦级风机模拟方法，解决了模拟器模拟大转动惯量风机时失稳的问题；2)本发明公开了基于加速度观测的兆瓦级风机模拟方法的详细步骤，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为本发明的基于加速度观测的兆瓦级风机模拟方法的流程图。

图2为实际风力机传动链单质量模型。

图3为含Luenberger加速度观测器的风力机模拟器模型。

图4为Luenberger加速度观测器的基本结构。

图5为本发明的具体实施例的模拟器结构图。

图6为观测器的有效性测试的实验结果。

图7为采用Luenberger加速度观测器后进行模拟有效性测试的实验结果，其中图(a)是模拟器与FAST仿真的转速对比图，图(b)为一组有效模拟实验的风机转速、叶尖速比λ和风能利用系数C_p的曲线。

具体实施方式

本发明提供了一种基于加速度观测的兆瓦级风机模拟方法，该方法利用Luenberger观测器根据输入的发电机实时转速求解角加速度估计值，用于惯量补偿转矩的计算，很好地解决了风力机模拟器模拟实际风力机时失稳的问题，极大地提高模拟器的性能，可以用于通过风力机模拟器进行实际风机的研究。

本发明的一种基于加速度观测的兆瓦级风机模拟方法，包含以下步骤：

步骤1、建立基于Luenberger观测器的风力机模拟器加速度观测器模型，其传递函数为Φ(s)，输入发电机转速ω_g，输出加速度观测值β；

所述风力机模拟器加速度观测器传递函数Φ(s)为：

式中，反馈增益系数K_P和积分系数K_i是常量参数。

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；确定被模拟风力机的基本参数，包括风力机转动惯量J_t、齿轮箱变比n_g；

所述风力机模拟器传动链模型为:

式中T_s为模拟器拖动电机输出机械转矩、T_g为模拟器发电机电磁转矩、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、建立转动惯量补偿转矩模型，求解惯量补偿转矩T_comp；所述转动惯量补偿转矩模型公式为：

T_comp＝(J_t-J_s)·β

式中，补偿转矩T_comp、加速度观测值β是变量参数，风力机转动惯量J_t、风力机模拟器的转动惯量J_s是常量参数。

步骤4、根据风机模拟器模拟转矩公式，得到包含转动惯量补偿转矩的T_s，将其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。所述风力机模拟器转矩模拟公式为：

T_s＝T_a/n_g-T_comp

式中，T_a为被模拟风力机的气动转矩，T_s为模拟器拖动电机输出机械转矩,所述被模拟风力机的气动转矩是变量参数。

下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述：

参照图1的具体流程图，首先建立基于Luenberger观测器的风力机模拟器加速度观测器模型，其基本结构图如图4，其传递函数Φ(s)为：

把发电机转速ω_g作为输入，可以输出加速度观测值β，根据所求加速度的精度、带宽等确定系统的阻尼比和截止频率，从而确定合适的反馈增益系数K_P和积分系数K_i。适当增大反馈增益系数K_P可以提高响应速度，但是过大会对噪声敏感。

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_gt表示实际风机发电机电磁转矩，ω表示转速，表示角加速度。

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_gs表示模拟器发电机电磁转矩，ω表示转速，表示角加速度，T_Ks(ω)表示本发明中采用的摩擦力矩模型。

建立转动惯量补偿转矩模型，求解惯量补偿转矩T_comp，公式如下：

T_comp＝(J_t-J_s)·β (4)

因为T_gt＝T_gs＝k_opt·ω²，将式(2)和式(3)相减，便得到了风力机模拟器电动机输出转矩公式：

T_s＝T_a/n_g-T_comp (5)

包含Luenberger加速度观测器的风力机模拟器模型基本结构图如图3，其传递函数为：

其中ΔT＝T_a/n_g-T_g。

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5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(7)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:

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)

通过湍流风速实验对含Luenberger加速度观测器的风力机模拟方法进行有效性验证的实验结果图5、6，图5中OperSpd表示实际的转速信号，AccSpd表示观测转速(加速度积分)，从图中可以看出两者曲线几乎重合，同时观测加速度几乎没有高频噪声。图7(a)中看出模拟器转速与FAST仿真转速几乎重合，图7(b)中看出该模拟方法模拟结果较为理想。

以上结果说明采用采用本发明提供的方法能够成功地模拟兆瓦级风力机的输出特性，进步验证了本发明的有效性和实用性。

Claims (5)

1.一种基于加速度观测的兆瓦级风机模拟方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1、建立基于Luenberger观测器的风力机模拟器加速度观测器模型，其传递函数为Φ(s)，输入发电机转速ω_g，输出加速度观测值β；

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；确定被模拟风力机的基本参数，包括风力机转动惯量J_t、齿轮箱变比n_g；

步骤3、建立转动惯量补偿转矩模型，求解惯量补偿转矩T_comp；

步骤4、根据风机模拟器模拟转矩公式，得到包含转动惯量补偿转矩的T_s，将其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。

2.根据权利要求1所述的基于加速度观测的兆瓦级风机模拟方法，其特征在于，步骤1中风力机模拟器加速度观测器传递函数Φ(s)为：

$\mathrm{\Φ}\left(s\right)=\frac{G\left(s\right)}{1+G\left(s\right)H\left(s\right)}=\frac{K_p{s}^2+K_{i}s}{s^2+K_{p}s+K_i}$

式中，反馈增益系数K_P和积分系数K_i是常量参数。

3.根据权利要求1所述的基于加速度观测的兆瓦级风机模拟方法，其特征在于，步骤2中风力机模拟器传动链模型为:

$J_s\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}=T_s-T_g$

式中T_s为模拟器拖动电机输出机械转矩、T_g为模拟器发电机电磁转矩、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所述的基于加速度观测的兆瓦级风机模拟方法，其特征在于，步骤3中转动惯量补偿转矩模型公式为：

T_comp＝(J_t-J_s)·β

式中，补偿转矩T_comp、加速度观测值β是变量参数，风力机转动惯量J_t、风力机模拟器的转动惯量J_s是常量参数。

5.根据权利要求1所述的基于加速度观测的兆瓦级风机模拟方法，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-T_comp

式中，T_a为被模拟风力机的气动转矩，T_s为模拟器拖动电机输出机械转矩,所述被模拟风力机的气动转矩是变量参数。