一种适用于风力机模拟器的考虑时滞的转动惯量补偿方法

摘要

本发明针对当前风力机模拟器模拟大转动惯量风力机时会发生失稳振荡的问题，公开了一种考虑通信时滞与加速度时滞的改进转动惯量补偿方法，首先对风力机模拟器进行测试，确定风力机模拟器的转动惯量；之后确定风力机模拟器所要模拟的风力机模型，确定风力机模型转动惯量；并对风力机模拟器进行测试，确定通信时滞步长；并根据情况在风力机模拟器的动态转矩补偿支路中添加滤波器；最后对数字滤波器的参数进行调整，使风力机模拟器稳定运行。本发明解决了WTS因通信时滞与加速度时滞而引发的失稳现象，通过消除时滞影响使WTS能稳定地模拟大转动惯量风力机，帮助在实验室环境内进行风力机控制实验。

说明书

技术领域

本发明属于风力机模拟器领域，尤其涉及一种适用于风力机模拟器的考虑通信时 滞与加速度时滞的转动惯量补偿方法。

背景技术

由于实际风力机的场地实验开展十分困难且耗费时间，风力机模拟器(Wind TurbineSimulator,WTS)作为一种能够在实验室环境下进行风力机实验的设备，开展风力 机试验的目的将助力风轮叶片气动设计、风力机伺服控制、电气变流技术等的深入研究，对 风力发电系统的开发、优化和现场应用具有重要的意义。

由于WTS的物理转动惯量远小于实际风力机的转动惯量，WTS须采取转动惯量补偿 方法以还原实际风力机的慢机械动态特性。目前主流的解决方案是转动惯量方法进行虚拟 补偿，从而实现小转动惯量系统对大转动惯量风力机的机械动态模拟。

但是因为WTS系统在应用时不可避免的存在通信时滞与加速度时滞，这两个时滞 会在转动惯量补偿回路中激发一个偏差响应分量，当WTS模拟风力机的转动惯量大于实验 平台两倍时该偏差响应分量会发散而引起WTS系统振荡失稳。而现有的基于一阶滤波器的 转动惯量补偿方法由于通信时滞的影响难以准确消除偏差响应分量，存在失效现象。

基于上述情况，目前迫切需要一种适用于WTS的考虑时滞的改进转动惯量补偿方 法，准确消除通信时滞与加速度时滞在转动惯量补偿环节所产生的偏差响应分量以稳定 WTS系统。但是现有技术中尚无相关描述。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种适用于风力机模拟器的考虑时滞的转动 惯量补偿方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种适用于风力机模拟器的考虑时滞的转动 惯量补偿方法，包括以下步骤：

步骤1、对风力机模拟器进行测试，确定风力机模拟器的转动惯量J_s；

步骤2、确定风力机模拟器所要模拟的风力机模型，确定风力机模型转动惯量J_t；

步骤3、对风力机模拟器进行测试，确定通信时滞步长k₀；时滞步长k₀的确定公式 为：

k₀＝[τ/T]

式中，τ是通信时滞时长，T是系统采样时长。

步骤4、判断J_t≥2·J_s是否成立，若成立，进入步骤5，否则结束操作；

步骤5、在风力机模拟器的动态转矩补偿支路中添加k₀+1阶数字滤波器；k₀+1阶数 字滤波器的表达式为：

$H\left(z\right)=\frac{(1-\alpha )z^{k_0+1}}{z^{k_0+1}-\alpha }$

式中，α是k₀+1阶滤波器系数，其取值范围为0＜α＜1，1～k₀阶滤波器系数则均取为 零。

步骤6、根据模拟器转动惯量J_s与风力机转动惯量J_t对k₀+1阶数字滤波器的参数α 进行调整，使风力机模拟器稳定运行。所用公式为：

$\alpha =1-\frac{J_s}{J_t}$

本发明与现有技术相比，其显著优点为：现有使用一阶滤波器的WTS未考虑通信时 滞，存在失效现象，故仅能够模拟转动惯量倍数十分有限的风力机，本发明提出一种考虑通 信时滞与加速度时滞的改进转动惯量补偿方法，通过引入高阶滤波器来消除时滞所激发的 偏差响应分量，解决了补偿转矩的振荡问题。本发明突破了现有WTS对转动惯量补偿倍数的 限制，使WTS能模拟更大转动惯量的风力机模型，并且能更加有效地复现实际风力机的机械 动态过程。本发明的方法简单易行，改进效果明显。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明的含有高阶数字滤波器的WTS系统离散域模型。

图2为本发明实施方式的实验平台结构及高阶滤波器使用示意图。

图3为传统WTS在J_t＝5J_s条件下的实验失稳图。其中，(a)为发电机转速结果图，(b) 为补偿转矩结果图。

图4为应用一阶滤波器的WTS在J_t＝5J_s条件下的实验失稳图。其中，(a)为发电机转 速结果图，(b)为补偿转矩结果图。

图5为本发明的改进WTS在J_t＝5J_s条件下的阶跃风速实验图。其中，(a)为发电机转 速结果图，(b)为补偿转矩结果图。

图6为本发明的改进WTS在不同模拟转动惯量下发电机转速对湍流风响应差异结 果图。

具体实施方式

结合附图，本发明的一种适用于风力机模拟器的考虑时滞的转动惯量补偿方法， 包括以下步骤：

步骤1、对风力机模拟器进行测试，确定风力机模拟器的转动惯量J_s；

步骤2、确定风力机模拟器所要模拟的风力机模型，确定风力机模型转动惯量J_t；

步骤3、对风力机模拟器进行测试，确定通信时滞步长k₀；时滞步长k₀的确定公式 为：

k₀＝[τ/T]

式中，τ是通信时滞时长，T是系统采样时长。

步骤4、判断J_t≥2·J_s是否成立，若成立，进入步骤5，否则结束操作；

步骤5、在风力机模拟器的动态转矩补偿支路中添加k₀+1阶数字滤波器；k₀+1阶数 字滤波器的表达式为：

$H\left(z\right)=\frac{(1-\alpha )z^{k_0+1}}{z^{k_0+1}-\alpha }$

式中，α是k₀+1阶滤波器系数，其取值范围为0＜α＜1，1～k₀阶滤波器系数则均取为 零。

步骤6、根据模拟器转动惯量J_s与风力机转动惯量J_t对k₀+1阶数字滤波器的参数α 进行调整，使风力机模拟器稳定运行。所用公式为：

$\alpha =1-\frac{J_s}{J_t}.$

下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述：

WTS实验平台建立在实验室内，其主要的构成部分如图2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/转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BeckhoffPLC的实时数字控制系统(real-time digitalcontrolsystem，RTDCS)，高阶数字滤波器处于该系统中，5)Profibus-DP现场总 线的通讯网络。

RTDCS根据包括模拟的湍流风速，气动转矩和补偿转矩计算电动机的转矩参考值， 一阶低通滤波器在补偿转矩的计算回路中。然后将滤波后的转矩参考值通过Profibus-DP 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_g²

这是风力发电机一种广泛应用的最大功率点跟踪(maximumpowerpoint tracking，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((Nm/(rad/s )²)。

表1WTS实验平台参数

对比例I：采用阶跃风作为输入量，J_t取为0.4225kgm²(即5J_s)，未使用高阶滤波器， 其实验结果如图3所示，可以看出转矩补偿支路发生振荡导致WTS运行失稳。

对比例II：使用现有未考虑时滞的基于一阶数字滤波器的转动惯量补偿方法，其 实验结果如图4所示，由于通信时滞，WTS难以稳定运行且依旧存在补偿转矩振荡的失稳现 象。

实施例III：应用本发明的考虑时滞的转动惯量补偿方法，如图1中所示，具体实施 为以下步骤：

1、确定风力机模拟器的转动惯量J_t＝0.0845；

2、确定要模拟的风力机的转动惯量J_t，此时为0.4225kgm²(即5J_s)；

3、测定风力机模拟器中的通信时滞τ，选取模拟器的控制周期T＝20ms，计算此时 通信时滞的阶数k₀＝[τ/T]＝4；

4、在风力机模拟器的动态转矩补偿支路中添加5阶数字滤波器；

5、根据模拟器转动惯量J_s与风力机转动惯量J_t对5阶数字滤波器的参数α进行调 整，根据权利要求3中的公式，此时α取为0.8。

应用本发明的考虑时滞的转动惯量补偿方法的实验结果如图5所示，从图中可见， WTS能够稳定地模拟更大转动惯量补偿倍数的风力机机械动态。

实施例IV：应用本发明的考虑时滞的转动惯量补偿方法，具体步骤与实施例III中 一致，对输入湍流风的WTS在不同模拟转动惯量下比较研究。如图6所示，实验过程未出现不 稳定现象。本发明的基于高阶滤波器的改进转动惯量补偿方法能够克服时滞的影响，使得 风力机模拟器能够稳定地模拟大转动惯量倍数风力机的慢机械动态过程。

由上可知，本发明的一种考虑通信时滞与加速度时滞的改进转动惯量补偿方法， 通过引入高阶滤波器来消除时滞所激发的偏差响应分量，解决了补偿转矩的振荡问题。