一种基于转矩闭环控制的风力机柔性传动特性的模拟方法

摘要

本发明公开了一种基于转矩闭环控制的风力机柔性传动特性的模拟方法，包括：建立两质量块等效模型，考虑高速轴的弹性系数和阻尼系数，建立发电机与风力机连接时的柔性传动模型的运动方程；建立发电机与模拟电机连接的运动方程；将发电机和模拟电机连接的刚性轴传递的机械转矩、转速，应与发电机和风力机连接时其高速轴传递的机械转矩、转速相等为条件代入所建立的运动方程并进行拉氏变换，获得三元方程组，并实时解算得到模拟电机转矩且作为转矩参考值；对模拟电机组进行转矩闭环控制，实时跟随模拟电机转矩参考值以复现该转矩，实现柔性传动风力机动态特性的模拟。本发明可更准确地使实验室模拟电机复现出实际风力机柔性传动的动静态特性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于转矩闭环控制的风力机柔性传动特性的模拟方法，属于永磁电机控制的技术领域。

背景技术

风力机模拟系统采用电动机模拟真实风场环境下风力机输出的转矩/转速特性，以驱动风力发电机运行。由于模拟系统实验相比风场实验的成本低，且不受自然环境限制，可灵活地设定实验条件，极大地提高了研究效率，为新技术的诞生和应用提供了有力的保障，因此风力机模拟系统成为实验室环境下进行风力发电技术研究的基础。现有的风力机模拟系统受到实验条件和实验安全性的限制，通常都采用小功率的电动机来模拟小功率的风力机，而由于小功率风力机本身的机械时间常数小于大功率MW级风力机，使得其对风速和负载变化的响应速度都要明显快于大功率风力机，因此在针对小功率风力机设计的模拟系统上开发主控系统时，得到的控制参数很难直接应用于大功率风电机组。

为使模拟系统实验更接近实际风场的实验情况，不仅需要模拟系统在稳态时输出实际系统应有的转矩和功率特性，更需要在风速或负载扰动时，复现实际系统的动态转矩、转速变化过程。相比而言，稳态特性的模拟较容易，但动态转速变化过程的复现则要复杂的多。目前见诸报道的动态特性模拟技术多以刚性的传动系统为模拟对象，重点解决风力机和电动机转动惯量差异带来的动态转速差异问题，忽略了传动轴的弹性形变。然而当风力机与发电机的传动系统中存在增速齿轮箱时，风力机和发电机之间传动链必然存在一定的柔性，柔性传动必将产生机组暂态过程中的扭矩振荡，这一特性对于风电机组的暂态稳定性有较大的影响，会改变机组的暂态过程持续时间以及暂态稳定裕度。

另外，风力机动态特性模拟策略方面，现在通常采用的方法有速度闭环控制的模拟策略，直接以动态转速为控制目标，不仅对模拟电机速度环带宽提出了较高要求，而且在解算运动方程时需要实时反馈发电机转矩，导致模拟电机与发电机之间缺乏独立性，这些问题都限制了速度闭环模拟策略的推广与使用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种基于转矩闭环控制的风力机柔性传动特性的模拟方法，解决现有的模拟中忽略柔性而简单的将传动轴看作刚性进行风电机组模拟，将带来较大的模拟误差的问题。本发明将柔性传动特性的风力机模拟与转矩闭环模拟策略相结合，采用参数缩比的方法，更准确地使实验室模拟电机复现出实际大功率风力机的稳态和暂态特性。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种基于转矩闭环控制的风力机柔性传动特性的模拟方法，包括以下步骤：

步骤1、建立由风力机和齿轮箱、发电机组成的质量块等效模型；将模型中连接发电机与风力机的传动轴作为高速轴并考虑其弹性系数和阻尼系数，建立发电机与风力机连接时的柔性传动模型的运动方程；

步骤2、将根据发电机转速范围选择的模拟电机与发电机通过刚性轴同轴连接，建立发电机与模拟电机连接时的运动方程；

步骤3、将所述刚性轴传递的机械转矩、转速应与质量块等效模型中高速轴传递的机械转矩、转速相等为条件，代入步骤1和步骤2建立的运动方程并进行拉氏变换，获得关于转矩与转速的三元方程组，并实时解算该三元方程组得到模拟电机转矩且作为转矩参考值；

步骤4、对模拟电机进行转矩闭环控制，实时跟随模拟电机转矩参考值以复现该转矩，实现柔性传动风力机动态特性的模拟。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤1建立的发电机与风力机连接时的柔性传动模型的运动方程为：

其中，Ω′_wt为风力机转速的高速轴折算值；Ω_g为发电机转速，即高速轴转速；θ′_wt为风力机机械角度往高速轴折算后的值；θ_g为发电机转子的机械角度，且两个角度与机械转速满足关系：dθ′_wt/dt＝Ω′_wt，dθ_g/dt＝Ω_g；J′_wt、B′_wt为风力机转动惯量与摩擦系数折算到高速轴的值；J_g、B_g为发电机转动惯量和摩擦系数；T′_wt为风力机气动转矩折算到高速轴的值；T_g为发电机转矩；K_tg、B_tg表示高速轴的弹性系数和阻尼系数；T_{hs_wt}为高速轴传递的机械转矩。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤2建立的发电机与模拟电机连接时的运动方程为：

其中，T_{hs_m}、Ω_m为发电机与模拟电机连接时刚性轴传递的机械转矩与转速；T_em为模拟电机电磁转矩；B_m、J_m为模拟电机摩擦系数与转动惯量；J_g、B_g为发电机转动惯量和摩擦系数；T_g为发电机转矩。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤3中所述刚性轴传递的机械转矩、转速应与质量块等效模型中高速轴传递的机械转矩、转速相等，具体为：

T_{hs_m}＝T_{hs_wt}＝T_hs

Ω_m＝Ω_g＝Ω

其中，T_{hs_m}和Ω_m分别表示刚性轴传递的机械转矩、转速，T_{hs_wt}和Ω_g分别表示发电机

和风力机连接时其高速轴传递的机械转矩、转速；T_hs和Ω泛指机械转矩、转速。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤3获得关于转矩与转速的三元方程组，具体为：

其中，Ω′_wt为风力机转速的高速轴折算值；T′_wt为风力机气动转矩折算到高速轴的值；J′_wt、B′_wt为风力机转动惯量与摩擦系数折算到高速轴的值；K_tg、B_tg表示高速轴的弹性系数和阻尼系数；T_em为模拟电机电磁转矩；B_m、J_m为模拟电机摩擦系数与转动惯量；T_hs和Ω为上一步中的值，s为拉普拉斯算子。

本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：

本发明所述的转矩闭环模拟方法，主要针对风力机与电动机的转动惯量差异展开研究，通过一定的算法直接计算出产生期望速度所需的电机转矩，则可省略速度环，从而简化模拟电机的控制，但现有研究多是基于刚性传动轴的情况，本发明将柔性传动特性的风力机模拟与转矩闭环模拟策略相结合，更准确地使实验室模拟电机复现出实际风力机的动静态特性。

本模拟方法考虑实际机组中传动轴的柔性特性，使模拟机组的传动轴表现出与实际机组一致的扭转振荡特性，解决现有的模拟中忽略柔性而简单的将传动轴看作刚性进行风电机组模拟，将带来较大的模拟误差的问题。

附图说明

图1是本发明基于转矩闭环控制的风力机柔性传动特性模拟系统框图。

图2(a)是本发明2质量块等效模型图；图2(b)是本发明两质量块间靠高速轴连接的示意图。

图3是本发明中模拟电机和发电机连接图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。

本发明提出一种基于转矩闭环控制的风力机柔性传动特性的模拟方法，该方法所采用的风力机柔性传动特性模拟系统如图1所示，其中包括模型及模拟策略部分，机电随动部分和发电机及发电机控制三个部分，其中模型及模拟策略部分包括风速模型建模，风力机转矩模型建模以及参考转矩计算三个部分；机电随动部分包括转矩闭环控制模块，驱动模块，三相全桥变换器和模拟电机等。

本发明的模拟方法原理图1所示，具体包括以下步骤：

步骤1、结合实际机组特性，如图2(a)将风力机和齿轮箱等效为一质量块，发电机等效为另一质量块，建立实际机组的2质量块等效模型，两质量块间靠传动轴连接，并将该传动轴作为高速轴，其结构如图2(b)所示，考虑实际机组高速轴的弹性系数K_tg和阻尼系数B_tg,建立建立发电机与风力机连接时的柔性传动模型的运动方程，传动柔性则等效至高速轴，与刚性轴相比，加入高速轴弹性系数K_tg和传动轴摩擦系数B_tg。

所述结合风力机和发电机机组中高速轴的弹性系数K_tg和阻尼系数B_tg,，建立的发电机与实际风力机连接时的柔性传动模型的运动方程为：

该方程组经过拉氏变换并交换方程顺序后得：

其中，Ω′_wt为风力机转速的高速轴折算值；Ω_g为发电机转速，即高速轴转速；θ′_wt为风力机机械角度往高速轴折算后的值；θ_g为发电机转子的机械角度，且两个角度与机械转速满足关系：dθ′_wt/dt＝Ω′_wt，dθ_g/dt＝Ω_g；J′_wt、B′_wt为风力机转动惯量与摩擦系数折算到高速轴的值；J_g、B_g为发电机转动惯量和摩擦系数；T′_wt为风力机气动转矩折算到高速轴的值；T_g为发电机转矩；K_tg、B_tg表示高速轴的弹性系数和阻尼系数；T_{hs_wt}为高速轴传递的机械转矩，s为拉普拉斯算子。

步骤2、将根据发电机转速范围选择的模拟电机与发电机通过刚性轴同轴连接，发电机与模拟电机连接如图3所示，建立发电机与模拟电机连接时模拟电机和发电机的运动方程。具体为：

其中，T_{hs_m}、Ω_m为发电机与模拟电机连接时刚性轴传递的机械转矩与转速；T_em为模拟电机电磁转矩；B_m、J_m为模拟电机摩擦系数与转动惯量；J_g、B_g为发电机转动惯量和摩擦系数；T_g为发电机转矩。

步骤3、为确保实际系统和模拟系统传动轴传递的机械转矩相等，使模拟机组的传动轴表现出与实际机组一致的扭转振荡，即进行模拟时，设定发电机和模拟电机连接时，其刚性轴传递的机械转矩T_{hs_m}、转速Ω_m，应与发电机和风力机连接时高速轴传递的机械转矩T_{hs_wt}、转速Ω_g相等，其值分别为：

T_{hs_m}＝T_{hs_wt}＝T_hs

Ω_m＝Ω_g＝Ω(4)

其中，T_hs和Ω泛指机械转矩、转速。

然后，将所述设定条件的公式(4)代入发电机和风力机连接时柔性传动模型运动方程(1)和发电机和模拟电机连接时的运动方程(3)并进行拉氏变换，获得关于Ω′_wt、T_hs、T_em的三元方程组如下：

并且，实时解算该三元方程组(5)，可得到模拟电机转矩T_em且作为转矩参考值以及，根据三元方程组(5)中所述公式：

T_em＝T_{hs_m}+(J_ms+B_m)Ω_m(6)

且模拟电机和发电机满足方程：

T_em-T_g＝[(J_m+J_g)s+(B_m+B_g)]Ω_m(7)

联立以上两个等式(6)和(7)，得到模拟机组传动轴上的转矩T_{hs_m}满足：

T_{hs_m}-T_g＝(J_gs+B_g)Ω_m(8)

且根据三元方程组(5)可知：

T_{hs_m}＝(B_tg+K_tg/s)(Ω'_wt-Ω_m)

Ω'_wt＝(T'_wt-T_{hs_m})/(J'_wts+B'_wt)(9)

所述方程组(8)、(9)为所提模拟策略下，模拟机组转速和转矩表现出的数学关系。

步骤4、所述模拟电机进行转矩闭环控制，实时跟随模拟电机转矩参考值以复现该转矩，实现柔性传动风力机动态特性的模拟。

所述步骤1的公式(2)为发电机和风力机连接时的柔性传动模型的运动方程与方程组(7)、(8)联立的发电机和模拟电机连接时的转速和转矩数学关系式形式一致。则在相同的输入下，能得到相同的输出值，模拟机组可以复现实际风力机的动静态特性，说明本发明所提模拟方法是可行的、正确的。

综上，本发明所述的转矩闭环模拟方法，主要针对风力机与电动机的转动惯量差异展开研究，通过一定的算法直接计算出产生期望速度所需的电机转矩，则可省略速度环，从而简化模拟电机的控制，将柔性传动特性的风力机模拟与转矩闭环模拟策略相结合，更准确地使实验室模拟电机复现出实际风力机的动静态特性，实现柔性传动风力机特性的模拟。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。