一种转动惯量虚拟配置装置及对拖实验平台的制作方法

本发明具体涉及一种转动惯量虚拟配置装置及对拖实验平台，属于电气领域。

背景技术：

对拖动模实验平台广泛用于发电设备、电力拖动设备、机械拖动设备的动态模拟。常规的对拖动模实验平台一经设计安装完毕，其转动惯量是固定的，用作实际设备的等比例缩小模型时不具有灵活性；或者将现有转动惯量虚拟配置技术用于发电设备或电力拖动设备的动态模拟时，该技术会对对拖动模实验平台中的主体部分产生不期望的交互影响。

现有技术中，发电设备或电力拖动设备的动模通常采用两台电机，一台作为原动力电机、另一台作为发电机或负荷模拟电机。将机械拖动设备动模中用到的电惯量模拟技术直接应用于发电设备或电力拖动设备的动模平台时，虽然可以使动模平台的加速/减速动态性能达到预期，但是存在以下不足：(1)电惯量模拟从电网取电，会影响并网点的功率，(2)电惯量模拟的控制可能与发电设备或电力拖动设备的动模中两台电机的原有控制产生交互，(3)当电机已工作在其额定工作点附近时，没有充足的容量裕度用于模拟转动惯量。上述影响是采用真实转动惯量的系统中不存在的，也是不期望的。

技术实现要素：

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种转动惯量虚拟配置装置及对拖实验平台。

本发明提供了一种转动惯量虚拟配置装置，具有这样的特征，包括：惯量模拟电机，为直流电动机；惯量模拟电机驱动器，用于驱动惯量模拟电机；以及储能元件，为电容或超级电容，其中，惯量模拟电机驱动器包括：滤波电感，与直流电动机串联；双向升/降压dc-dc变换器，与直流电动机并联；双向升/降压dc-dc控制器，用于控制直流电动机的电磁转矩。

在本发明提供的一种转动惯量虚拟配置装置中，还可以具有这样的特征，包括：惯量模拟电机，为交流电动机；惯量模拟电机驱动器，用于驱动惯量模拟电机；以及储能元件，为电容或超级电容，其中，惯量模拟电机驱动器包括：三相电压源型变换器，用于控制交流电动机的电磁转矩；直流母线电容，与三相电压源型变换器并联；双向升/降压dc-dc变换器，与直流母线电容并联；以及双向升/降压dc-dc控制器，用于控制直流母线电容的电压。

在本发明提供的一种转动惯量虚拟配置装置中，还可以具有这样的特征，其中，电磁转矩的控制指令由用于模拟虚拟转动惯量特性的转矩指令和用于补偿转动惯量虚拟配置损耗的转矩指令组成，用于模拟虚拟转动惯量特性的转矩指令的计算公式为：

式中，为通过转速编码器检测或通过观测器估算得到含有噪声的电机转速对其进行低通滤波后求取对时间微分的值，jv为期望的转动惯量模拟电机的虚拟转动惯量，用于补偿转动惯量虚拟配置损耗的转矩指令由储能元件电压usc与储能元件电压的参考值之间的偏差经过pi调节器后得到，储能元件电压的参考值的计算公式为：

式中，csc为储能元件的电容值，usc0为储能元件的初始电压值，jv为期望的转动惯量模拟电机的虚拟转动惯量，ω为检测或估算得到的转速经过低通滤波后的值。

在本发明还提供的一种对拖实验平台中，具有这样的特征，其中，上述任意一种的转动惯量虚拟配置装置，包括惯量模拟电机、惯量模拟电机驱动器以及储能元件；原动力模拟装置；发电机或负荷模拟装置；连轴机构，用于构建惯量模拟电机、原动力模拟装置以及发电机或负荷模拟装置三者机械转轴之间的连接。

在本发明还提供的一种对拖实验平台中，还可以具有这样的特征，其中，连轴机构选自下述的任意一种：两个连轴单元；一个皮带或齿轮传动装置以及一个连轴单元；一个多出轴连轴单元。

在本发明还提供的一种对拖实验平台中，还可以具有这样的特征，其中，储能元件的容量e不小于期望的转动惯量模拟电机的虚拟转动惯量jv在对拖平台最高转速ωmax时具有的转动动能。

在本发明还提供的一种对拖实验平台中，还可以具有这样的特征，其中，储能元件容许的充/放电功率p满足下式：

式中，ω为对拖平台的转速，可从测得或估算得到的转速经低通滤波后得到，为对拖平台转速的最大可能加速度，jv为期望的转动惯量模拟电机的虚拟转动惯量。

在本发明还提供的一种对拖实验平台中，还可以具有这样的特征，其中，当期望的转动惯量模拟电机的虚拟转动惯量jv大于0时，储能元件在对拖实验平台启动前的初始电压值usc0＝0；当期望的转动惯量模拟电机的虚拟转动惯量jv小于0时，储能元件在对拖实验平台启动前的初始电压值usc0＝un，un为储能元件的额定电压。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的对拖实验平台，因为采用一台独立的电机与电能储能元件构成转动惯量模拟装置，由电能储能元件模拟机械动能的存储与释放，所以，本发明可以更逼真的模拟物理转动惯量的性质，且有效避免常规电惯量模拟方法影响并网点的功率、及与原有控制产生交互的问题，且本发明方案在储能元件容量容许的情况下可实现对拖平台停机过程中的能量回馈式电磁制动。

附图说明

图1-3是本发明的实施例1中三种不同的对拖实验平台示意图；

图4是本发明的实施例1中转动惯量虚拟电机的电磁转矩指令生成图；

图5是本发明的实施例2中一种采用直流电动机的转动惯量虚拟配置装置；

图6是本发明的实施例3中一种采用交流电动机的转动惯量虚拟配置装置；

图7是本发明的测试例中对拖平台虚拟转动惯量的作用效果图；

图8是本发明的测试例中转动惯量模拟电机的电磁转矩随时间变化图；

图9是本发明的测试例中储能元件的电压波动图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明作具体阐述。

<实施例1>

一种对拖实验平台，包括一个转动惯量虚拟电机、一个原动力模拟电机、一个负荷电机(发电机或负荷模拟电机)惯量模拟电机驱动器、储能元件以及连轴机构。

图1-3是本发明的实施例中三种不同的对拖实验平台示意图。

如图1所示，连轴机构为2个连轴单元，具体地，连轴单元均为是具有基本功能的联轴器。

原动力模拟电机、惯量模拟电机以及负荷电机(发电机或负荷模拟电机)一次排列在一条直线上，两个连轴单元分别用于连接原动力模拟电机和惯量模拟电机之间以及惯量模拟电机和负荷电机(发电机或负荷模拟电机)之间。

惯量模拟电机驱动器与转动惯量模拟电机连接，用于驱动控制转动惯量模拟电机。

储能元件与惯量模拟电机驱动器连接，用于储能。

如图2所示，连轴机构为一个连轴单元和一个具有传动比的传动装置，具体地，传动装置可以是皮带或齿轮传动装置。

原动力模拟电机与连轴单元连接，连轴单元与传动装置连接，传动装置同时与转动惯量模拟电机和负荷电机(发电机或负荷模拟电机)连接。

惯量模拟电机驱动器与转动惯量模拟电机连接，用于驱动控制转动惯量模拟电机。

储能元件与惯量模拟电机驱动器连接，用于储能。

如图3所示，连轴机构为一个多出轴连轴单元，

原动力模拟电机、惯量模拟电机以及负荷电机(发电机或负荷模拟电机)分别与多出轴连接单元连接。

惯量模拟电机驱动器与转动惯量模拟电机连接，用于驱动控制转动惯量模拟电机。

储能元件与惯量模拟电机驱动器连接，用于储能。

图1-3仅说明了三个电机转轴之间的机械关系，三个电机具体的排布位置是不限定的，例如图1中惯量模拟电机可以位于最左端或最右端。考虑到皮带传动/齿轮传动的可能存在的传动误差，图1所示同轴传动是较为推荐的方案，但应注意图1所示方案中位于中间位置的电机需要两端均可出轴。

在本实施例中，采用图1所示的对拖实验平台。

对于图1-3所示系统，考虑到组合的不确定性，仅考虑所有传动比均为1的情况(若某个联轴单元存在传动比不等于1的情况，按照传动比将联轴单元某一侧的转动惯量、转矩、转速折算至另一侧进行计算，可参考已有文献中的方法)。若原动力模拟电机的转动惯量是j1，转动惯量模拟电机的转动惯量是j2，发电机或负荷模拟电机的转动惯量是j3。假定整个对拖实验平台期望的转动惯量是jsum，则期望的转动惯量模拟电机模拟的虚拟转动惯量jv为jv＝jsum-(j1+j2+j3)

图4是本发明的实施例1中转动惯量虚拟电机的电磁转矩指令生成图。

如图4所示，若jv>0，在实验平台启动之前储能元件中无需储存初始电能；若jv<0，在实验平台启动之前储能元件中需储存的初始电能应不小于ωmax为实验平台的最高转速。转动惯量模拟电机采用转矩控制，其电磁转矩指令由两部分构成一部分是虚拟转动惯量动态特性模拟支路，提供用于模拟虚拟转动惯量动态特性的转矩指令该部分指令通过转速编码器检测或通过观测器估算得到含有噪声的电机转速ωm，对其进行低通滤波后求取微分并与jv相乘得到，具体计算公式为：

另一部分损耗补偿支路，提供用于补偿转动惯量虚拟配置装置损耗的转矩指令该部分通过储能元件电压的闭环控制使其维持在与当前电机转速ω相关的某一水平，目的是抵消转动惯量虚拟配置装置的损耗造成的储能元件电压不断下降。通过储能元件电压usc与储能元件电压的参考值之间的偏差经过pi调节器后得到，pi参数在足够补偿转动惯量虚拟配置装置损耗的前提下尽量小。

其中，储能元件电压的参考值的计算公式为：

其中，csc为储能元件的电容值，usc0为储能元件的初始电压值，jv为期望的转动惯量模拟电机的虚拟转动惯量，ω为检测或估算得到的转速经过低通滤波后的值。此部分pi控制的控制参数较小，且建议以积分控制主导，pi参数在足够补偿转动惯量虚拟配置装置损耗的前提下尽量小。

此外，本实施例的对拖实验平台所使用的的储能元件应符合下述要求：

1、储能元件的容量e或电容值csc的选择。储能元件的容量应不小于转动惯量虚拟配置装置所虚拟配置的转动惯量jv在对拖平台最高转速ωmax时具有的转动动能，

式中，un为储能元件额定电压。据此可以确定储能元件的电容值的下限，选择时还应当留有裕量。

2、储能元件的充/放电功率要求。储能元件的充电功率及放电功率p均应始终满足下述要求，

式中，ω为对拖平台的转速，可从测得或估算得到的转速经低通滤波后得到，为对拖平台转速的最大可能加速度，jv为期望的转动惯量模拟电机的虚拟转动惯量。该功率可以在仿真中以极端条件作为输入进行测算得到。

3、储能元件在对拖实验平台启动之前的初始电压值usc0。若jv>0，即期望通过转动惯量虚拟配置装置增加对拖实验平台的转动惯量时，usc0＝0。若jv<0，即期望通过转动惯量虚拟配置装置减小对拖实验平台的转动惯量时，usc0＝un。

<实施例2>

图5是本发明的实施例2中一种采用直流电动机的转动惯量虚拟配置装置。

如图5所示，一种转动惯量虚拟配置装置，用于安装在对拖实验平台中，可以安装在实施例1中的对拖实验平台中，包括转动惯量模拟电机、惯量模拟电机驱动器以及储能元件。

惯量模拟电机为直流电动机。

惯量模拟电机驱动器，用于驱动惯量模拟电机。

储能元件，可以为电容或超级电容，其电容值csc参考实际应用的对拖实验平台的虚拟转动惯量jv设计，|jv|越大需要的csc越大，在本实施例中为超级电容。

其中，惯量模拟电机驱动器包括：

滤波电感，与直流电动机串联。

双向升/降压dc-dc变换器，与直流电动机并联。

双向升/降压dc-dc控制器，用于控制直流电动机的电磁转矩。

双向升/降压dc-dc变换器控制器的电磁转矩指令采用实施例1中图4所示方法获得。

电磁转矩控制的具体方式可以参照现有的成熟方案，也可以使用图5中的方法。

双向升/降压dc-dc控制器包括：转矩检测或计算模块、转矩环pi调节器、电流环pi调节器以及比较器。

转矩检测或计算模块用于得到电动机转矩te；

转矩环pi调节器用于接收转矩指令和电动机转矩te；

电流环pi调节器用于接收转矩环pi调节器输出信号以及电流检测值；

比较器用于接收电流环pi调节器的输出信号以及三角载波，向双向升/降压dc-dc变换器输出电磁转矩指令。

<实施例3>

图6是本发明的实施例3中一种采用交流电动机的转动惯量虚拟配置装置。

如图6所示，一种转动惯量虚拟配置装置，用于安装在对拖实验平台中，可以安装在实施例1中的对拖实验平台中，包括转动惯量模拟电机、惯量模拟电机驱动器以及储能元件。

惯量模拟电机为交流电动机。

惯量模拟电机驱动器用于驱动惯量模拟电机。

储能元件可以为电容或超级电容，其电容值csc参考实际应用的对拖实验平台的虚拟转动惯量jv设计，|jv|越大需要的csc越大，在本实施例中为超级电容。

其中，惯量模拟电机驱动器包括：三相电压源型变换器、直流母线电容、双向升/降压dc-dc变换器以及双向升/降压dc-dc控制器(图中未示出)。

三相电压源型变换器用于控制交流电动机的电磁转矩。

直流母线电容，具有较小的电容值，与三相电压源型变换器并联。

双向升/降压dc-dc变换器与直流母线电容并联。

双向升/降压dc-dc控制器用于控制直流母线电容的电压。

三相电压源型变换器的电磁转矩指令采用实施例1中图4所示方法获得。电磁转矩控制的具体方式参照现有技术中的成熟方案。双向升/降压dc-dc变换器控制器的母线电容电压参考值根据三相电压源型变换器的工作需求设计。

<测试例>

对实施例1中的对拖实验平台在matlab仿真环境中测试，其中，转动惯量模拟电机、惯量模拟电机驱动器以及储能元件均采用实施例2中的技术方案。

采用三组仿真进行对比，其中，“实际系统惯量”采用较大的实际转动惯量，惯性时间常数为12s；“小转动惯量”采用较小的实际转动惯量，惯性时间常数为6s；“小转动惯量+虚拟转动惯量”采用惯性时间常数为6s的实际转动惯量，并由转动惯量模拟电机提供惯性时间常数为6s的虚拟转动惯量。三组仿真中所有其他参数均相同。

图7是本发明的测试例中对拖平台虚拟转动惯量的作用效果图。图8是本发明的测试例中转动惯量模拟电机的电磁转矩随时间变化图。图9是本发明的测试例中储能元件的电压波动图。

如图7所示，可见“小转动惯量+虚拟转动惯量”转速响应与“实际系统惯量”基本吻合，表明本发明方案可行。

如图8所示，为转动惯量模拟电机的电磁转矩随时间的变化示意图。

如图9所示，储能元件的电压波动，仿真中转动惯量模拟电机为电动机惯例，当转动惯量模拟电机的电磁转矩为负时处于发电状态，储能元件充电；当转动惯量模拟电机的电磁转矩为正时处于电动状态，储能元件放电，与预期效果吻合。

从整个仿真过程看，对拖平台转速增加，虚拟惯量jv(本例仿真jv>0)储存转动动能，体现为储能元件电压升高。由于虚拟转动惯量所对应的转动动能全部体现在相对独立的储能元件的充放电中，因此不会对对拖平台的其它部分产生影响。

实施例的作用与效果

根据实施例1所涉及的对拖实验平台，因为采用三台电机，一台作为原动力电机、一台作为发电机或负荷电机，另一台电机与电能储能元件构成转动惯量模拟装置，所以，实施例1可以更逼真的模拟物理转动惯量的性质，除了实验平台的加速/减速动态性能达到预期，可以避免电惯量模拟影响并网点的功率、及与原有控制产生交互的问题，且本发明方案在储能元件容量容许的情况下可实现对拖平台停机过程中的能量回馈式电磁制动。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。