CN106951614A - 风力机模拟器的考虑阻尼补偿的兆瓦级风机模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力机模拟器（Wind Turbine Simulator，WTS）的考虑阻尼补偿的兆瓦级风机模拟方法。重点是设计了一种风力机模拟器模拟兆瓦级风力机的建模方法，通过缩放比将风力机模拟器所能模拟风机的转动惯量放大，从而模拟兆瓦级风力机的特性。本发明解决了风力机模拟器在模拟兆瓦级风力机时因阻尼放大而导致模拟失败或不准确的问题，有效地提高了兆瓦级风力机模拟器的准确性和实用性。

Description

风力机模拟器的考虑阻尼补偿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，特别是一种考虑阻尼补偿的兆瓦级风机模拟方法。

背景技术

风力机模拟器(Wind Turbine Simulator,WTS)作为模拟风力机的输出特性的有效可靠的工具，可以在实验室环境下预先验证风能转换系统(WECS)的控制策略。现场实验是研究风力发电技术必要的途径，风力机模拟器最大程度的还原了风力发电机现场，节约了经济和时间的成本，而且实验不受气象等外部条件的影响，极大地降低了风力发电技术研究的成本和难度。风力机模拟器可以用于风力发电技术研究的各个邻域，包括风轮机叶片气动设计、风能转换系统的控制策略验证、风储联合平台搭建、风电并网等技术研究，对整个风力发电系统的技术研究都有着重大的科研意义。

风力机模拟器实际的物理结构与真实的风力机差别还是很大，在模拟实际风轮的大转动惯量导致的慢动态特性上具有比较大的难度，传统模拟器一般采取转动惯量补偿策略来还原实际风力机的慢机械特性，从而能够模拟几倍于自身的风机，但是往往忽略了传动链的阻尼摩擦，或者简单将其建模为与转速相关的一次线性表达，这些方法使得模拟器在模拟输出特性的精度和可靠性方面都有所欠缺，比如不采用阻尼补偿导致模拟器的风能捕获效率过低，简单的采用一次线性补偿导致模拟器的某些电气参数又高于实际指标，而且目前方法无法准确的模拟更大功率风机的输出特性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种风力机模拟器的考虑阻尼补偿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：一种风力机模拟器的考虑阻尼补偿的兆瓦级风机模拟方法，包含以下步骤：

步骤1、建立风力机模拟器传动链摩擦力矩模型T_Ks(ω)，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、根据风机模拟器模拟转矩公式和缩放后的实际风力机转矩公式，得到包含将实际风机阻尼转矩缩放后的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1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风力机模拟器的考虑阻尼补偿的兆瓦级风机模拟方法，解决了模拟器无法模拟大功率风机输出特性的问题；2)本发明公开了风力机模拟器的考虑阻尼补偿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特性。

附图说明

图1为本发明的风力机模拟器的考虑阻尼补偿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为基于缩放比的传动链模拟器数学模型

图4为本发明的具体实施例的模拟器结构图。

图5为在缩放因子S＝50的条件下根据实验结果按两种方法拟合的阻尼特性。

图6为未采用和分别采用了两种阻尼补偿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)是未进行阻尼补偿的仿真实验转速对比，图(b)是线性补偿与FAST仿真对比，图(c)是非线性补偿与FAST仿真对比。

具体实施方式

本发明提供了一种适用于模拟兆瓦级风力机的考虑阻尼补偿的模拟方法。通过等比缩放的方法，能够模拟大功率风力机，同时采用非线性阻尼补偿策略使得风力机模拟器能够更加准确可靠的模拟大功率风力机输出特性。

本发明的一种风力机模拟器的考虑阻尼补偿的兆瓦级风机模拟方法，包括以下步骤：

步骤1、建立风力机模拟器传动链摩擦力矩模型T_Ks(ω)，其中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(ω)为：

式中，N表示拟合阶数，a_i表示拟合多项式的系数，i为多项式系数的下标。

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为模拟器电动机输出机械转矩、T_gs为模拟器发电机电磁转矩、是风力机模拟器轴系转速的角加速度，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、根据风机模拟器模拟转矩公式和等比例缩放后的实际风力机转矩公式，得到包含阻尼转矩并进行缩放后的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：

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；

等比例缩放后的实际风力机转矩公式为：

T_gs＝S*T_s

式中，T_gs为实际风力机转矩，T_s为风力机模拟器电动机输出的参考转矩，S为缩放比。

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忽略进行阻尼补偿，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K_s，对模拟器传动链的摩擦力矩的线性模型：

T_Ks(ω)＝K_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。本发明对非线性模型拟合进行建模，根据实验结果拟合了摩擦力矩非线性模型公式为：

式中，N表示拟合阶数，a_i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。再通过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_gs表示实际风机发电机电磁转矩，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。

将式(3)两边同时除以缩放因子S作为模拟器所模拟的模型：

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。

因为将式(4)和式(5)相减，便得到了进行了阻尼补偿的缩放S倍后的风力机模拟器电动机输出转矩公式：

所模拟风机的机械转矩输出为：

基于缩放比的传动链模拟器数学模型如图3所示。一旦S足够大，阻尼转矩T_n＝T_Kt(ω)-S·T_Ks(ω)在忽略K_t后就变成T_n＝-ST_Ks(ω)，对系统的影响就好比DTG方法和OT方法的差别。

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(8)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_gt＝k_opt·ω_g ² (8)

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

实验验证在缩放因子S＝50条件下进行实验，采用两种阻尼补偿的方法，首先测量出模拟器本身的阻尼特性，采用线性拟合和非线性拟合两种方法，如图5所示。

在恒定风条件下，S＝50，实验结果的C_P如表2所示，从表中可以发现，未进行阻尼补偿的稳态C_P与理论值相差较大，而采用非线性阻尼补偿后的稳态C_P明显更接近理论值。验证了本发明模拟兆瓦级风机的静态特性的有效性。

表1恒定风条件下稳态C_P对比(C_Pmax＝0.4603)

风速/m/s	4.0	5.5	7.0	8.5	10.0
						不补偿	0.4532	0.4585	0.4590	0.4590	0.4594
非线性补偿	0.4602	0.4603	0.4603	0.4603	0.4603
						线性补偿	0.4593	0.4599	0.4603	0.4603	0.4603

湍流风实验结果如图6所示从图(c)可以发现，采用进行非线性阻尼补偿的兆瓦级风机模拟方法后，转速轨迹和FAST仿真的结果基本重合在一起，而且两者误差的极值也在50以内，而图(a)中未采用考虑阻尼补偿的兆瓦级风机模拟方法后的误差甚至达到200。如表3所示，实验结果与FAST转速误差的标准差也比不进行阻尼补偿的小很多。验证了本方法在模拟兆瓦级风机的机械动态特性时的有效性。

表2实验结果与FAST转速误差的标准差

	与FAST转速误差的标准差
		不补偿	33.3981
非线性补偿	12.5044

通过以上数据，我们可以发现在S＝50时，采用阻尼补偿后可以调高模拟器的机械动态的准确性。

对比两种补偿方法对电气参数的影响，采用阻尼补偿后，实验结果更接近FAST仿真，同时，非线性补偿方法明显优于线性补偿。而线性补偿的效率偏大是因为在图5中在转速750～1250rpm中阻尼较大导致，阻尼模型是否准确对发电机电气参数的影响是很明显的。采用非线性阻尼补偿时Pfavg和ηelec/ηaero与FAST仿真结果非常接近，能够有效地模拟实际兆瓦级风机的电气动态特性。所以本发明采用非线性补偿是有效的。

表3电气参数对比

	气动效率	Pfavg	ηaero	ηelec	ηelec/ηaero
						不补偿	0.4064	0.3432	0.8829	0.7456	84.4％
线性补偿	0.4396	0.4204	0.9550	0.9133	95.6％
						非线性补偿	0.4377	0.4120	0.9509	0.8951	94.1％
FAST	0.4423	0.4158			94.0％
						平均风速	5.3565

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 (4)

1.一种风力机模拟器的考虑阻尼补偿的兆瓦级风机模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、建立风力机模拟器传动链摩擦力矩模型T_Ks(ω)，其中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、根据风机模拟器模拟转矩公式和等比例缩放后的实际风力机转矩公式，得到包含阻尼转矩并进行缩放后的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所述的风力机模拟器的考虑阻尼补偿的兆瓦级风机模拟方法，其特征在于，步骤1中风力机模拟器传动链摩擦力矩模型T_Ks(ω)为：

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

式中，N表示拟合阶数，a_i表示拟合多项式的系数，i为多项式系数的下标。

3.根据权利要求1所述的风力机模拟器的考虑阻尼补偿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:

$J_s\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}=T_s-T_{gs}-T_{Ks}\left(\mathrm{\ω}\right)$

式中T_s为模拟器电动机输出机械转矩、T_gs为模拟器发电机电磁转矩、是风力机模拟器轴系转速的角加速度，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考虑阻尼补偿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=\frac{T_a/n_g}{S}-(\frac{J_t}{S}-J_s)\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}-\[\frac{T_{Kt}\left(\mathrm{\ω}\right)}{S}-T_{Ks}\left(\mathrm{\ω}\right)\]$

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；

等比例缩放后的实际风力机转矩公式为：

T_gs＝S*T_s

式中，T_gs为实际风力机转矩，T_s为风力机模拟器电动机输出的参考转矩，S为缩放比。