专利名称：一种无需对转速微分运算的风轮机模拟器及其控制方法
技术领域：
本发明公开了 一种无需对转速微分运算的风轮机模拟器及其控制方法，属于电动机控制的技术领域。
背景技术：
为缓解能源危机和环境危机，越来越多的学者致力于对风能、太阳能、潮汐能等新能源的研究和利用，其中将风能转化为电能的风力发电技术，随着电力电子、电机及其控制技术的发展而越发成熟，成为最具大规模开发条件和商业化发展前景的技术之一。为进一步提高风电系统的效率和可靠性，降低系统成本，实验室先期的探索研究对风电技术发展起着重要的引导作用。在实际风场进行实验最直接，是最真实可信的情况。然而由于条件的限制，多数实验室不具备风轮机或风场环境，并且进行风洞实验的成本昂贵。在实验室建立可用于替代风洞和风轮机的模拟系统，将其用于控制算法的开发、风力发电机性能测试等实验，成为风电研究首先需要关注的问题。已有的风轮机模拟器在计算补偿转矩时，引入了微分环节，而微分环节易引入噪声，从而引起系统振荡甚至不稳定。为了减小微分运算带来的系统振荡问题，在微分计算后加入低通滤波环节，但是低通滤波器的参数取值根据风轮机组转动惯量的不同而设计，不具有普适性。另一方面，低通滤波器的引入会带来转速频域特性的相移问题，对风轮机模拟系统的性能产生直接影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了一种无需对转速微分运算的风轮机模拟器及其控制方法。本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案:一种无需对转速微分运算的风轮机模拟器，包括直流电源、三相逆变器、电动机以及控制电路，所述控制电路包括:隔离驱动电路、电压电流采样电路、位置检测器、速度计算电路、转矩观测器、风轮机转矩计算模块、第一加法器、积分器、第二加法器、乘法器、机械摩擦补偿模块、转动惯量补偿模块；其中:所述三相逆变器输入端接直流电源，输出端接所述电动机的输入端；所述电压电流采样电路输入端接所述三相逆变器输出端，输出端接所述转矩观测器第一输入端；所述位置检测器安装在所述电动机上，所述速度计算电路输入端接位置检测器输出端；所述转矩观测器第二输入端接所述速度计算电路输出端；所述风轮机转矩计算模块第一输入端接所述速度计算电路输出端，第二输入端接风速测量仪器输出端；所述机械摩擦补偿模块输入端、转动惯量补偿模块输入端分别与所述速度计算电路输出端连接；
所述第一加法器的第一输入端接所述转矩观测器输出端、第二输入端接风轮机转矩计算模块输出端，第三输入端接所述机械摩擦补偿模块输出端，输出端接所述积分器输入端;所述乘法器输入端接所述转矩观测器输出端；所述第二加法器的第一输入端接所述乘法器输出端，第二输入端接所述积分器输出端，第三输入端接所述转动惯量补偿模块输出端，输出端接所述隔离驱动电路输入端；所述隔离驱动电路输出端接所述三相逆变桥中功率开关管的控制端。所述一种无需对转速微分运算的风轮机模拟器中，机械摩擦补偿模块是放大倍数为风轮机固有机械摩擦系数与电动机机械摩擦系数之差的乘法器；所述转动惯量补偿模块是放大倍数为风轮机固有转动惯量与电动机转动惯量之差的乘法器。所述一种无需对转速微分运算的风轮机模拟器的控制方法，包括如下步骤:步骤1，三相逆变器根据隔离驱动电路的初始驱动信号将直流电转换为交流电为用于模拟风轮机的电动机供电，电压电流米样电路实时米集电动机的三相输入电压和三相输入电流；步骤2，用位置检测器获取电动机的转子位置信息，速度计算电路根据位置检测器获取的转子位置信息计算得到电动机的转子转速；步骤3，用风速测量仪器测得风轮机所处环境的风速；步骤4，转矩观测器根据电动机三相输入电压和三相输入电流、电动机的转子转速计算得到电动机的实际输出转矩；步骤5，风轮机转矩计算电路根据电动机的转子转速、风轮机所处环境的风速计算得到风轮机的输出转矩；步骤6，步骤5计算得到的风轮机输出转矩与电动机的实际输出转矩、机械摩擦补偿模块输出量做差得到第一次修正的转矩差值；步骤7，第一次修正的转矩差值经过积分器得到第二次转矩修正的初始值，第二次转矩修正的初始值与经过乘法器处理的电动机实际输出转矩、转动惯量补偿模块输出值做差得到隔离驱动模块的输入信号。本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果:减小了微分运算对系统稳定性的影响，减小了转速在频域上的相移，提高了模拟器的适应性以及精确性。
图1为风轮机模拟器的理论控制框图。图2为实际运用的风轮机模拟器的控制框图。图3为本发明所述的风轮机模拟器及其控制方法框图。图4为实际应用本发明控制方法时运用的风轮机模拟器及其控制方法框图。图5为以永磁无刷直流电机为例时，对应的本发明控制系统的控制框图。图6为以永磁无刷直流电机为例时，对应的本发明控制系统的结构图。图7为实际风轮机系统、现有风轮机模拟器系统以及本发明风轮机模拟器系统中输出转矩与实际风轮机输出转矩关系的幅频特性对比曲线。
图8为实际风轮机系统、现有风轮机模拟器系统以及本发明风轮机模拟器系统中输出转矩与机械转速关系相频特性对比曲线。
具体实施例方式下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明:实际风轮机系统机械运动方程:
权利要求
1.一种无需对转速微分运算的风轮机模拟器，包括直流电源、三相逆变器、电动机以及控制电路，其特征在于所述控制电路包括:隔离驱动电路、电压电流采样电路、位置检测器、速度计算电路、转矩观测器、风轮机转矩计算模块、第一加法器、积分器、第二加法器、乘法器、机械摩擦补偿模块、转动惯量补偿模块；其中: 所述三相逆变器输入端接直流电源，输出端接所述电动机的输入端； 所述电压电流采样电路输入端接所述三相逆变器输出端，输出端接所述转矩观测器第一输入端； 所述位置检测器安装在所述电动机上，所述速度计算电路输入端接位置检测器输出端; 所述转矩观测器第二输入端接所述速度计算电路输出端； 所述风轮机转矩计算模块第一输入端接所述速度计算电路输出端，第二输入端接风速测量仪器输出端； 所述机械摩擦补偿模块输入端、转动惯量补偿模块输入端分别与所述速度计算电路输出端连接； 所述第一加法器的第一输入端接所述转矩观测器输出端、第二输入端接风轮机转矩计算模块输出端，第三输入端接所述机械摩擦补偿模块输出端，输出端接所述积分器输入端; 所述乘法器输入端接所述转矩观测器输出端； 所述第二加法器的第一输入端接所述乘法器输出端，第二输入端接所述积分器输出端，第三输入端接所述转动惯量补偿模块输出端，输出端接所述隔离驱动电路输入端；所述隔离驱动电路输出端接所述三相逆变桥中功率开关管的控制端。
2.如权利要求1所述的一种无需对转速微分运算的风轮机模拟器，其特征在于: 所述机械摩擦补偿模块是放大倍数为风轮机固有机械摩擦系数与电动机机械摩擦系数之差的乘法器； 所述转动惯量补偿模块是放大倍数为风轮机固有转动惯量与电动机转动惯量之差的乘法器。
3.根据权利要求1或2所述的一种无需对转速微分运算的风轮机模拟器的控制方法，其特征在于包括如下步骤: 步骤1，三相逆变器根据隔离驱动电路的初始驱动信号将直流电转换为交流电为用于模拟风轮机的电动机供电，电压电流米样电路实时米集电动机的三相输入电压和三相输入电流； 步骤2，用位置检测器获取电动机的转子位置信息，速度计算电路根据位置检测器获取的转子位置信息计算得到电动机的转子转速； 步骤3，用风速测量仪器测得风轮机所处环境的风速； 步骤4，转矩观测器根据电动机三相输入电压和三相输入电流、电动机的转子转速计算得到电动机的实际输出转矩； 步骤5，风轮机转矩计算电路根据电动机的转子转速、风轮机所处环境的风速计算得到风轮机的输出转矩； 步骤6，步骤5计算得到的风轮机输出转矩与电动机的实际输出转矩、机械摩擦补偿模块输出量做差得到第一次修正的转矩差值； 步骤7，第一次修正的转矩差值经过积分器得到第二次转矩修正的初始值，第二次转矩修正的初始值与经过乘法器处理的电动机实际输出转矩、转动惯量补偿模块输出值做差得到隔离驱动模块的输入信 号。
全文摘要
本发明公开了一种无需对转速微分运算的风轮机模拟器及其控制方法，属于电动机控制的技术领域。所述风轮机模拟器包括直流电源、三相逆变器、电动机以及控制电路。控制电路包括隔离驱动电路、电压电流采样电路、位置检测器、速度计算电路、转矩观测器、风轮机转矩计算模块、第一加法器、积分器、第二加法器、乘法器、机械摩擦补偿模块、转动惯量补偿模块。所示控制方法根据电动机转速、电动机三相输入电压以及三相输入电流计算转矩，考虑机械摩擦系数、转动惯量的影响，得到隔离驱动电路的驱动信号。本发明减小了微分运算对系统稳定性的影响，减小了转速在频域上的相移，提高了模拟器的适应性以及精确性。
文档编号H02P6/08GK103117693SQ201310011350
公开日2013年5月22日 申请日期2013年1月11日 优先权日2013年1月11日
发明者刘颖, 周波, 郭鸿浩, 许恩利, 杨溢炜 申请人:南京航空航天大学