CN108343565A - 风电机组永磁直驱变桨距系统动态负载模拟装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风电机组永磁直驱变桨距系统动态负载模拟装置和方法，装置：转矩/转速传感器的扭力轴分别与位于其左右两侧的永磁电机和磁粉式测功机连接；永磁电机、转矩/转速传感器分别通过变频器、采集卡与上位计算机连接；磁粉式测功机通过扭矩/转速调节器与测功机控制器连接；测功机控制器与上位计算机连接，还通过电流调节器与磁粉式测功机连接。方法：计算打开、关闭浆叶过程中永磁直驱变桨系统的负载力矩；根据相似理论计算负载力矩相似系数；计算动态负载模拟装置中磁粉式测功机输出的负载力矩。该装置和方法能够准确模拟出永磁直驱变桨距系统在工况环境下的负载情况，为永磁直驱变桨距系统控制策略的可靠性和合理性提供验证基础。

Description

风电机组永磁直驱变桨距系统动态负载模拟装置和方法

技术领域

本发明涉及负载模拟装置和方法，具体是一种风电机组永磁直驱变桨距系统动态负载模拟装置和方法，属于永磁变频驱动系统控制技术领域。

背景技术

风力发电机组中的变桨距系统可以在风速变化时自动调节桨距角，实现对风能的最大限度捕获，保障风机在高风速区能保持安全稳定运行。传统的变桨距系统采用交流异步电机或直流电机配合减速器的传动方式，这种机电传动方式传动线路长，传动环节多，很容易出现诸多故障，并且变桨距传动机构一般安装在塔架上，一旦发生故障，其设备维修更换难度较大。近年来，“变频永磁直驱”成为各行业重点攻克的新课题，若在风电机组变桨距系统中，采用低速大扭矩永磁电机直接驱动风力发电机风轮的浆叶，取消减速器这一传动环节，可减少传动系统的总体能耗和运行噪声，并提高机电系统的可靠性。

采用低速大扭矩的永磁电机直接驱动风力发电机风轮的浆叶，此时永磁电机与浆叶直接相连，浆叶在风轮旋转平面内的不同位置所受的不平衡负载及其波动会直接传递到电机轴上，因而对永磁直驱变桨距系统的控制策略提出了更高的要求。目前，永磁驱动的系统的控制策略的验证通常是通过模拟的随机或者突变的载荷来说明控制策略的有效性，但是这类方法无法完整的说明所设计的控制策略在实际工况环境中的性能。此外，在实际的永磁直驱变桨距系统中的电机与实验所采用的永磁电机参数存在差别时，此时实验得到的数据无法全面的说明变桨距系统控制策略的有效性。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种风电机组永磁直驱变桨距系统动态负载模拟装置和方法，能够准确模拟出永磁直驱变桨距系统在不同工况环境下的负载情况，为永磁直驱变桨距系统控制策略的可靠性和合理性提供验证。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种风电机组永磁直驱变桨距系统动态负载模拟装置，包括基座、永磁电机、转矩/转速传感器和磁粉式测功机；

所述永磁电机、转矩/转速传感器和磁粉式测功机沿左右方向依次固定连接在基座上部，转矩/转速传感器的扭力轴的左右两端分别通过联轴器Ⅰ和联轴器Ⅱ与永磁电机的输出轴和磁粉式测功机的输入轴连接；

所述永磁电机、转矩/转速传感器分别通过变频器、采集卡与上位计算机连接；所述磁粉式测功机通过扭矩/转速调节器与测功机控制器连接；所述测功机控制器与上位计算机连接，还通过电流调节器与磁粉式测功机连接。

在该装置中，测功机控制器的信号传递给电流调节器，由电流调节器控制磁粉式测功机输出加载力矩，磁粉式测功机的加载力矩经联轴器作用在永磁电机的电机轴上。在磁粉式测功机和测功机控制器中间安装扭矩/转速调节器，扭矩/转速调节器采集磁粉式测功机的实际加载值和转速值，反馈给测功机控制器，由测功机控制器根据反馈值与设定加载值之差进行PI控制运算，实现了对所需加载力矩的跟踪，通过该装置能准确模拟出大功率永磁驱动系统处于各种工况环境下的负载情况，从而便于对大功率永磁驱动系统控制策略进行验证。

本发明还提供了一种风电机组永磁直驱变桨距系统动态负载模拟装置的动态负载模拟方法，步骤如下：

一种风电机组永磁直驱变桨距系统动态负载模拟装置的动态负载模拟方法，步骤如下：

步骤1，分别根据公式(1)、(2)计算出打开、关闭浆叶过程中永磁直驱变桨系统的负载力矩M_on、M_off；

M_on＝M_f+M_m-M_c (1)；

M_off＝M_c+M_f+M_m (2)；

式中：M_c为变桨过程中浆叶的离心力负载力矩；

M_m为浆叶绕纵轴转动的惯性力矩；

M_f为浆叶连接部分运动副摩擦力产生的摩擦力矩；

步骤2，计算负载力矩相似系数Z_T，具体步骤如下：

a.永磁直驱变桨距系统的运动方程为

式中：J_m ^*为永磁直驱变桨距系统的转动惯量；

ω_m ^*为永磁直驱变桨距系统的转速；

T_e ^*为永磁直驱变桨距系统的电磁转矩；

T_L ^*为永磁直驱变桨距系统的负载转矩；

b.动态负载模拟装置对应的标幺值系统的运动方程为

式中：J_m、ω_m、T_e、T_L分别为J_m ^*、ω_m ^*、T_e ^*、T_L ^*的标幺值；

c.根据相似理论确定永磁直驱变桨距系统中永磁电机参数与动态负载模拟装置中永磁电机(2)参数的等效缩放比例，得到转动惯量、转速、电磁转矩和负载转矩所对应的相似系数分别为Z_J＝J_m ^*/J_m，Z_ω＝ω_m ^*/ω_m，Z_Te＝T_e ^*/T_e，Z_TL＝T_L ^*/T_L，再联立公式(3)和(4)得到：

Z_T＝Z_J·Z_ω (5)；

步骤3，计算动态负载模拟装置中磁粉式测功机(6)输出的负载力矩T_P，具体依据公式(6)计算；

式中：T_sm为转矩/转速传感器(4)测得联轴器Ⅰ(3)输出端的转矩；

J_c2为联轴器Ⅱ(5)的转动惯量；

J_p为磁粉式测功机(6)对应的转动惯量；

B_p为磁粉式测功机(6)对应的摩擦系数。

该模拟方法根据相似理论确定实际的风电机组永磁直驱变桨距系统与其负载模拟实验平台中转子运动方程的物理量缩放比例，从而得到实际永磁变桨距系统负载力矩与模拟平台加载力矩的比例关系，并得到加载力矩的缩放系数，然后通过测量动态负载模拟系统中永磁电机输出端的扭矩，并补偿磁粉式测功机、联轴器本身额外转动惯量带来的负载，最终得到的数据为磁粉式测功机的加载力矩，实现了对风电机组永磁直驱变桨距系统动态负载的模拟，从而能在实验室环境下能够有效验证永磁直驱变桨距系统的控制策略。

附图说明

图1是本发明负载模拟装置结构示意图；

图2是本动态负载模拟方法流程示意图。

图中：1、基座，2、永磁电机，3、联轴器I，4、转矩/转速传感器，5、联轴器II，6、磁粉式测功机，7、扭矩/转速调节器，8、电流调节器，9、测功机控制器，10、采集卡，11、上位计算机，12、变频器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明中的永磁直驱变桨距系统动态负载模拟装置，包括基座1、永磁电机2、转矩/转速传感器4和磁粉式测功机6；

所述永磁电机2、转矩/转速传感器4和磁粉式测功机6沿左右方向依次固定连接在基座1上部，转矩/转速传感器4的扭力轴的左右两端分别通过联轴器Ⅰ3和联轴器Ⅱ5与永磁电机2的输出轴和磁粉式测功机6的输入轴连接；

所述永磁电机2、转矩/转速传感器4分别通过变频器12、采集卡10与上位计算机11连接；所述磁粉式测功机6通过扭矩/转速调节器7与测功机控制器9连接；所述测功机控制器9与上位计算机11连接，还通过电流调节器8与磁粉式测功机6连接。

转矩/转速传感器4通过数据线与采集卡10连接，同时采集卡10将采集到的数据传递到上位计算机11中；变频器12接收上位计算机11的指令，永磁电机2由变频器12进行控制；磁粉式测功机6的转矩/转速信号经扭矩/转速调节器7传递到测功机控制器9中作为反馈值，由测功机控制器9根据反馈值与设定加载值之差进行PI控制运算，实现对所需加载力矩的跟踪；测功机控制器9的信号传递给电流调节器8，由电流调节器8控制磁粉式测功机6输出加载力矩，测功机控制器9与上位计算机11通过数据线连接，接收上位计算机11指令的模拟负载。

本发明中的永磁直驱变桨距系统动态负载模拟装置的动态负载模拟方法，步骤如下：

步骤1，计算变桨过程中浆叶的离心力负载力矩M_c，浆叶绕纵轴转动的惯性力矩M_m，浆叶连接部分运动副摩擦力产生的摩擦力矩M_f，据此分别根据公式(1)、(2)计算出打开浆叶过程中永磁直驱变桨系统的负载力矩M_on＝M_f+M_m-M_c (1)，关闭浆叶过程中永磁直驱变桨距系统的负载力矩M_off＝M_c+M_f+M_m (2)，将永磁直驱变桨距系统两个工况下的负载统一命名为T_L ^*。

步骤2，根据相似理论确定转子运动方程的物理量缩放比例，计算负载力矩相似系数：

永磁直驱变桨距系统中电机的转动惯量为J_m ^*，转速为ω_m ^*，电磁转矩为T_e ^*，负载转矩为T_L ^*，忽略电机系统中摩擦因数的影响，其运动方程为

动态负载模拟装置中永磁电机2的转动惯量为J_m，转速为ω_m，电磁转矩为T_e，负载转矩为T_L，那么负载模拟装置对应的标幺值系统的运动方程为

其中，J_m、ω_m、T_e、T_L分别为J_m ^*、ω_m ^*、T_e ^*、T_L ^*的标幺值。公式(2)中的t未标记为t^*是因为时间相似系数Z_t＝1的缘故，即公式(3)和(4)是Z_t＝1条件下的相似系统，公式(4)中系统某一时刻的现象与公式(3)中系统同一时刻的现象相对应。转动惯量、转速、电磁转矩、负载转矩所对应的相似系数分别为Z_J＝J_m ^*/J_m、Z_ω＝ω_m ^*/ω_m、Z_Te＝T_e ^*/T_e、Z_TL＝T_L ^*/T_L。当电机拖动系统启动后，永磁电机输出的电磁转矩T_e与承受的负载力矩T_L近似相等，那么可以假设Z_Te≈Z_TL＝Z_T，因此，永磁直驱变桨距系统中永磁电机的运动方程可以改写为

当永磁直驱变桨距系统中永磁电机和动态负载模拟装置中永磁电机2具有相似特性时，可以得到负载力矩的相似系数Z_T＝Z_J·Z_ω (5)。

步骤3，计算动态负载模拟装置中磁粉式测功机6输出的负载力矩：

如图2所示，永磁电机2对应的转动惯量、摩擦系数、电磁转矩分别为J_m、B_m、T_e，磁粉式测功机6对应的转动惯量、摩擦系数、加载力矩分别为J_p、B_p、T_p，联轴器Ⅰ3、联轴器Ⅱ5的转动惯量分别为J_c1、J_c2，流程图中的椭圆形虚线框表示模拟装置中机械结构的传递函数，方形虚线框表示联轴器Ⅰ3输出端的转矩，通过转矩/转速传感器4测得其转矩为T_sm，转速为w_m，当永磁直驱变桨距系统的负载为T_L*时，减去磁粉式测功机6、联轴器Ⅱ5本身转动惯量和摩擦带来的额外负载，即得到实验中磁粉式测功机6输出的负载力矩为

由测功机控制器9控制磁粉式测功机6实现动态负载的模拟，另外，在动态负载模拟实验系统中加入低通滤波环节(LPF)，以对上述磁粉式测功机6输出的加载力矩公式中的速度微分项所带来的噪声和干扰进行滤波。

Claims (2)

1.一种风电机组永磁直驱变桨距系统动态负载模拟装置，其特征在于，包括基座(1)、永磁电机(2)、转矩/转速传感器(4)和磁粉式测功机(6)；

所述永磁电机(2)、转矩/转速传感器(4)和磁粉式测功机(6)沿左右方向依次固定连接在基座(1)上部，转矩/转速传感器(4)的扭力轴的左右两端分别通过联轴器Ⅰ(3)和联轴器Ⅱ(5)与永磁电机(2)的输出轴和磁粉式测功机(6)的输入轴连接；

所述永磁电机(2)、转矩/转速传感器(4)分别通过变频器(12)、采集卡(10)与上位计算机(11)连接；所述磁粉式测功机(6)通过扭矩/转速调节器(7)与测功机控制器(9)连接；所述测功机控制器(9)与上位计算机(11)连接，还通过电流调节器(8)与磁粉式测功机(6)连接。

2.如权利要求1所述的一种风电机组永磁直驱变桨距系统动态负载模拟装置的动态负载模拟方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1，分别根据公式(1)、(2)计算出打开、关闭浆叶过程中永磁直驱变桨系统的负载力矩M_on、M_off；

M_on＝M_f+M_m-M_c (1)；

M_off＝M_c+M_f+M_m (2)；

式中：M_c为变桨过程中浆叶的离心力负载力矩；

M_m为浆叶绕纵轴转动的惯性力矩；

M_f为浆叶连接部分运动副摩擦力产生的摩擦力矩；

步骤2，计算负载力矩相似系数Z_T，具体步骤如下：

a.永磁直驱变桨距系统的运动方程为

式中：J_m ^*为永磁直驱变桨距系统的转动惯量；

ω_m ^*为永磁直驱变桨距系统的转速；

T_e ^*为永磁直驱变桨距系统的电磁转矩；

T_L ^*为永磁直驱变桨距系统的负载转矩；

b.动态负载模拟装置对应的标幺值系统的运动方程为

式中：J_m、ω_m、T_e、T_L分别为J_m ^*、ω_m ^*、T_e ^*、T_L ^*的标幺值；

c.根据相似理论确定永磁直驱变桨距系统中永磁电机参数与动态负载模拟装置中永磁电机(2)参数的等效缩放比例，得到转动惯量、转速、电磁转矩和负载转矩所对应的相似系数分别为Z_J＝J_m ^*/J_m，Z_ω＝ω_m ^*/ω_m，Z_Te＝T_e ^*/T_e，Z_TL＝T_L ^*/T_L，再联立公式(3)和(4)得到：

Z_T＝Z_J·Z_ω (5)；

步骤3，计算动态负载模拟装置中磁粉式测功机(6)输出的负载力矩T_P，具体依据公式(6)计算；

式中：T_sm为转矩/转速传感器(4)测得联轴器Ⅰ(3)输出端的转矩；

J_c2为联轴器Ⅱ(5)的转动惯量；

J_p为磁粉式测功机(6)对应的转动惯量；

B_p为磁粉式测功机(6)对应的摩擦系数。