专利名称：用于风力发电机动态特性测试的风轮机模拟器及控制方法
技术领域：
本发明公开了用于风力发电机动态特性测试的风轮机模拟器及控制方法，属于风力发电的技术领域。
背景技术：
真实风场实验和风洞实验对于验证风力发电系统的控制策略，考察风轮机、风力发电机等部件的性能是必不可少的。但是，由于真实环境下风速波动的随机性和风洞的昂贵造价，这些方法并不适合风力发电技术的前期研究。因此有必要设计一种可控的风轮机模拟器来驱动风力发电机运行，同时其输出的机械特性应与实际风轮机输出相同，从而为实验室条件下的风力发电技术研究提供一个可靠、准确的研究平台。风轮机模拟器通常采用转矩(功率)闭环控制的电动机(如直流电机、异步电机、永磁同步电机、无刷直流电机等)来模拟实际风轮机输出的转矩(功率)。传统的模拟方法，如中国专利《双凸极电机的风轮机模拟器及其控制方法》(授权公告日2010.12.01、专利号ZL200810155873.4)中所述的方法是将模拟器反馈转速和给定风速作为风轮机数学模型的输入，计算出此状态下风轮机应有的输出转矩，作为双凸极电机的转矩给定，通过转矩闭环完成模拟。这种方法只能模拟风轮机稳态运行时的功率特性，转速变化的动态过程中，由于模拟系统所用的双凸极电机与实际系统中的风轮机相比，具有不同的转动惯量和摩擦系数，从机械方程可知，两个系统在具有相同转矩的情况下，转速变化的动态过程将存在差异。因此在风速大范围变化；风力发电机突加、突卸负载；风力发电机发生故障等动态情况下，传统模拟方法无法反应真实风轮机传动轴的转速变化过程，不适用于风力发电机的动态特性测试。若要实现动态特性模拟，需要对用于模拟风轮机的电动机的给定转矩进行修正，以补偿两个系统机械参数的差异，如中国专利《风力发电模拟试验平台》(
公开日2009.5.13、公开号CN101430246A)中所述的，原动机的给定转矩由风轮机转矩和机械参数补偿项得到，如式(I)所示:
权利要求
1.于风力发电机动态特性测试的风轮机模拟器，包括:电动机、位置传感器、速度计算模块、风轮机转矩计算模块、转矩计算模块、转矩控制及换相控制器、三相全桥变换器；其特征在于所述用于风力发电机动态特性测试的风轮机模拟器还包括:参考转矩计算模块、发电机转矩观测器、累加器；其中: 所述电动机通过传动轴与风力发电机相连； 所述电动机输入端接所述三相全桥变换器输出端，所述位置传感器的旋转部分与电动机的转子同轴安装，静止部分固定在电动机机壳上； 所述速度计算模块输入端接所述位置传感器输出端，输出端接所述风轮机转矩计算模块输入端； 所述转矩计算模块输入端接所述三相全桥变换器输出端； 所述发电机转矩观测器第一输入端接速度计算模块输出端，第二输入端接所述转矩计算模块输出端； 所述参考矩阵计算模块第一输入端接所述风轮机转矩计算模块输出端，第二输入端接所述发电机转矩观测器输出端； 所述累加器第一输入端接所述参考转矩计算模块输出端，第二输入端接所述转矩计算丰旲块输出; 所述转矩控制及换相控制器第一输入端接所述累加器输出端，第二输入端接所述位置传感器输出端，输出端接所述三相全桥变换器中开关管控制端。
2.于风力发电机动态特性测试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，构建如权利要求1所述的用于风力发电机动态特性测试的风轮机模拟器； 步骤2，三相全桥变换器根据转矩控制及换相控制器的初始驱动信号将直流电转换为交流电为电动机供电，利用电压电流采样电路实时采集电动机的三相输入电压和定子三相电流； 步骤3，用位置传感器获取电动机转子位置信号Θ，速度计算模块根据转子位置信号计算得到电动机转子旋转的机械转速ω ; 步骤4，风轮机转矩计算模块电动机转子旋转的机械转速ω以及给定风速V，计算得到待模拟风轮机的气动转矩Twt ； 步骤5，转矩计算模块根据定子三相电流、电动机转子位置信号Θ得到电动机输出转矩Tm ； 步骤6，发电机转矩观测器根据电动机转子旋转的机械转速ω、电动机输出转矩ΤΜ，计算风力发电机电磁转矩的观测值^、风轮机模拟器的摩擦系数3 风轮机模拟器的转动惯量,SIM ； 步骤7，参考矩阵计算模块根据风力发电机电磁转矩的观测值尤、风轮机模拟器的摩擦系数為Μ、风轮机模拟器的转动惯量，待模拟风轮机的摩擦系数Bwtc、待模拟风轮机的转动惯量JWTe，计算得到电动机转矩给定值尤t 步骤8，累加器用电动机转矩给定值忒与电动机输出转矩Tm作差，得到电动机输出转矩修正值； 步骤9，转矩控制及换 相控制器以步骤8得到的电动机输出转矩修正值为输入量，得到三相全桥变换器的控制信号；三相全桥变换器在控制信号的触发下得到电动机输入量。
3.据权利要求2所述的用于风力发电机动态特性测试的风轮机模拟器的控制方法，其特征在于所述步骤6中所述的风轮机模拟器摩擦系数根据表达式
4.据权利要求3所述的用于风力发电机动态特性测试的风轮机模拟器的控制方法，其特征在于所述步骤7利用如下表达式计算得到电动机转矩给定值尤:
全文摘要
本发明公开了用于风力发电机动态特性测试的风轮机模拟器及控制方法，属于风力发电的技术领域。所述模拟器包括电动机、位置传感器、速度计算模块、风轮机转矩计算模块、转矩计算模块、转矩控制及换相控制器、三相全桥变换器、参考转矩计算模块、发电机转矩观测器、累加器。所述控制方法通过检测模拟器传动轴转速、电动机输出转矩得到用于获取参考转矩的风力发电机转矩观测量、模拟器摩擦系数和模拟器转动惯量，用参考转矩与电动机输出转矩相减得到电动机转矩闭环控制的输入量。本发明所述的风轮机模拟器精度高，其控制方法适用于动态情况下的风力发电机特性测试研究。
文档编号G01M15/00GK103091109SQ20131002026
公开日2013年5月8日 申请日期2013年1月21日 优先权日2013年1月21日
发明者郭鸿浩, 周波, 刘颖, 许恩利, 周兴伟 申请人:南京航空航天大学