一種適用于風(fēng)力機(jī)模擬器的考慮時(shí)滯的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量補(bǔ)償方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于風(fēng)力機(jī)模擬器領(lǐng)域，尤其涉及一種適用于風(fēng)力機(jī)模擬器的考慮通信時(shí) 滯與加速度時(shí)滯的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量補(bǔ)償方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于實(shí)際風(fēng)力機(jī)的場(chǎng)地實(shí)驗(yàn)開展十分困難且耗費(fèi)時(shí)間，風(fēng)力機(jī)模擬器（Wind Turbine Simulator，WTS)作為一種能夠在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行風(fēng)力機(jī)實(shí)驗(yàn)的設(shè)備，開展風(fēng)力 機(jī)試驗(yàn)的目的將助力風(fēng)輪葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)、風(fēng)力機(jī)伺服控制、電氣變流技術(shù)等的深入研究，對(duì) 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的開發(fā)、優(yōu)化和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用具有重要的意義。
[0003] 由于WTS的物理轉(zhuǎn)動(dòng)慣量遠(yuǎn)小于實(shí)際風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，WTS須采取轉(zhuǎn)動(dòng)慣量補(bǔ)償 方法以還原實(shí)際風(fēng)力機(jī)的慢機(jī)械動(dòng)態(tài)特性。目前主流的解決方案是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量方法進(jìn)行虛擬 補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量系統(tǒng)對(duì)大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量風(fēng)力機(jī)的機(jī)械動(dòng)態(tài)模擬。
[0004] 但是因?yàn)閃TS系統(tǒng)在應(yīng)用時(shí)不可避免的存在通信時(shí)滯與加速度時(shí)滯，這兩個(gè)時(shí)滯 會(huì)在轉(zhuǎn)動(dòng)慣量補(bǔ)償回路中激發(fā)一個(gè)偏差響應(yīng)分量，當(dāng)WTS模擬風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大于實(shí)驗(yàn) 平臺(tái)兩倍時(shí)該偏差響應(yīng)分量會(huì)發(fā)散而引起WTS系統(tǒng)振蕩失穩(wěn)。而現(xiàn)有的基于一階濾波器的 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量補(bǔ)償方法由于通信時(shí)滯的影響難以準(zhǔn)確消除偏差響應(yīng)分量，存在失效現(xiàn)象。
[0005] 基于上述情況，目前迫切需要一種適用于WTS的考慮時(shí)滯的改進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量補(bǔ)償方 法，準(zhǔn)確消除通信時(shí)滯與加速度時(shí)滯在轉(zhuǎn)動(dòng)慣量補(bǔ)償環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的偏差響應(yīng)分量以穩(wěn)定 WTS系統(tǒng)。但是現(xiàn)有技術(shù)中尚無(wú)相關(guān)描述。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所解決的技術(shù)問題在于提供一種適用于風(fēng)力機(jī)模擬器的考慮時(shí)滯的轉(zhuǎn)動(dòng) 慣量補(bǔ)償方法。
[0007] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:一種適用于風(fēng)力機(jī)模擬器的考慮時(shí)滯的轉(zhuǎn)動(dòng) 慣量補(bǔ)償方法，包括以下步驟：
[0008] 步驟1、對(duì)風(fēng)力機(jī)模擬器進(jìn)行測(cè)試，確定風(fēng)力機(jī)模擬器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Js;
[0009] 步驟2、確定風(fēng)力機(jī)模擬器所要模擬的風(fēng)力機(jī)模型，確定風(fēng)力機(jī)模型轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jt;
[0010] 步驟3、對(duì)風(fēng)力機(jī)模擬器進(jìn)行測(cè)試，確定通信時(shí)滯步長(zhǎng)kQ;時(shí)滯步長(zhǎng)kQ的確定公式 為：
[0011] k〇=[i/T]
[0012] 式中，τ是通信時(shí)滯時(shí)長(zhǎng)，T是系統(tǒng)采樣時(shí)長(zhǎng)。
[0013] 步驟4、判斷Jt 2 2 · ^是否成立，若成立，進(jìn)入步驟5，否則結(jié)束操作；
[0014] 步驟5、在風(fēng)力機(jī)模擬器的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償支路中添加ko+Ι階數(shù)字濾波器;ko+Ι階數(shù) 字濾波器的表達(dá)式為：
[0015]
[0016] 式中，α是ko+1階濾波器系數(shù)，其取值范圍為0<α<1，1~ko階濾波器系數(shù)則均取為 零。
[0017] 步驟6、根據(jù)模擬器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Js與風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jt對(duì)kQ+l階數(shù)字濾波器的參數(shù)α 進(jìn)行調(diào)整，使風(fēng)力機(jī)模擬器穩(wěn)定運(yùn)行。所用公式為：
[0018]
[0019]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)為:現(xiàn)有使用一階濾波器的WTS未考慮通信時(shí) 滯，存在失效現(xiàn)象，故僅能夠模擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量倍數(shù)十分有限的風(fēng)力機(jī)，本發(fā)明提出一種考慮通 信時(shí)滯與加速度時(shí)滯的改進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量補(bǔ)償方法，通過引入高階濾波器來消除時(shí)滯所激發(fā)的 偏差響應(yīng)分量，解決了補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩的振蕩問題。本發(fā)明突破了現(xiàn)有WTS對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量補(bǔ)償倍數(shù)的 限制，使WTS能模擬更大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的風(fēng)力機(jī)模型，并且能更加有效地復(fù)現(xiàn)實(shí)際風(fēng)力機(jī)的機(jī)械 動(dòng)態(tài)過程。本發(fā)明的方法簡(jiǎn)單易行，改進(jìn)效果明顯。
[0020]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
【附圖說明】
[0021 ]圖1為本發(fā)明的含有高階數(shù)字濾波器的WTS系統(tǒng)離散域模型。
[0022] 圖2為本發(fā)明實(shí)施方式的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)及高階濾波器使用示意圖。
[0023] 圖3為傳統(tǒng)WTS在Jt = 5Js條件下的實(shí)驗(yàn)失穩(wěn)圖。其中，（a)為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速結(jié)果圖，（b) 為補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩結(jié)果圖。
[0024]圖4為應(yīng)用一階濾波器的WTS在Jt = 5Js條件下的實(shí)驗(yàn)失穩(wěn)圖。其中，（a)為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn) 速結(jié)果圖，（b)為補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩結(jié)果圖。
[0025] 圖5為本發(fā)明的改進(jìn)WTS在Jt = 5Js條件下的階躍風(fēng)速實(shí)驗(yàn)圖。其中，（a)為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn) 速結(jié)果圖，（b)為補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩結(jié)果圖。
[0026] 圖6為本發(fā)明的改進(jìn)WTS在不同模擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量下發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)湍流風(fēng)響應(yīng)差異結(jié) 果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 結(jié)合附圖，本發(fā)明的一種適用于風(fēng)力機(jī)模擬器的考慮時(shí)滯的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量補(bǔ)償方法， 包括以下步驟：
[0028]步驟1、對(duì)風(fēng)力機(jī)模擬器進(jìn)行測(cè)試，確定風(fēng)力機(jī)模擬器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Js;
[0029]步驟2、確定風(fēng)力機(jī)模擬器所要模擬的風(fēng)力機(jī)模型，確定風(fēng)力機(jī)模型轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jt; [0030] 步驟3、對(duì)風(fēng)力機(jī)模擬器進(jìn)行測(cè)試，確定通信時(shí)滯步長(zhǎng)ko;時(shí)滯步長(zhǎng)ko的確定公式 為：
[0031] ko=[i/T]
[0032] 式中，τ是通信時(shí)滯時(shí)長(zhǎng)，T是系統(tǒng)采樣時(shí)長(zhǎng)。
[0033] 步驟4、判斷2 ·心是否成立，若成立，進(jìn)入步驟5,否則結(jié)束操作；
[0034]步驟5、在風(fēng)力機(jī)模擬器的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償支路中添加ko+l階數(shù)字濾波器;ko+l階數(shù) 字濾波器的表達(dá)式為：
[0035]
[0036] 式中，α是ko+1階濾波器系數(shù)，其取值范圍為0<α<1，1~ko階濾波器系數(shù)則均取為 零。
[0037] 步驟6、根據(jù)模擬器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Js與風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jt對(duì)ko+l階數(shù)字濾波器的參數(shù)α 進(jìn)行調(diào)整，使風(fēng)力機(jī)模擬器穩(wěn)定運(yùn)行。所用公式為：
[0038]
[0039]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述：
[0040] WTS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建立在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，其主要的構(gòu)成部分如圖2有：1)一臺(tái)三相異步電動(dòng) 機(jī)與一臺(tái)永磁同步發(fā)電機(jī)構(gòu)建的對(duì)拖系統(tǒng)，2)1024脈沖/轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)編碼器用于轉(zhuǎn)速測(cè)量，3) 基于VACON變頻器的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，4)基于Beckhoff PLC的實(shí)時(shí)數(shù)字控制系統(tǒng)(real-time digital control system，RTDCS)，高階數(shù)字濾波器處于該系統(tǒng)中，5)Profibus_DP現(xiàn)場(chǎng)總 線的通訊網(wǎng)絡(luò)。
[0041] RTDCS根據(jù)包括模擬的湍流風(fēng)速，氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩和補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩計(jì)算電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩參考值， 一階低通濾波器在補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩的計(jì)算回路中。然后將濾波后的轉(zhuǎn)矩參考值通過Profibus-DP 總線傳輸?shù)诫妱?dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。通過工業(yè)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)矩得以精確控制去跟隨變 化的轉(zhuǎn)矩參考值。
[0042] 風(fēng)力機(jī)樟擬器平臺(tái)參數(shù)如表1所示。電磁轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為：
[0043]
[0044] 込定…刀僅電機(jī)一種廣泛應(yīng)用的最大功率點(diǎn)跟蹤（maximum power point tracking，MPPT)控制方法，被稱為最優(yōu)轉(zhuǎn)矩控制，其中k〇Pt是最優(yōu)轉(zhuǎn)矩增益（（Nm/(rad/s )2)。
[0045] 表1WTS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)參數(shù)
[0046]
[0047；
[0048] 對(duì)比例I:采用階躍風(fēng)作為輸入量，Jt取為0.4225kgm2 (即5JS)，未使用高階濾波器， 其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，可以看出轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償支路發(fā)生振蕩導(dǎo)致WTS運(yùn)行失穩(wěn)。
[0049] 對(duì)比例II:使用現(xiàn)有未考慮時(shí)滯的基于一階數(shù)字濾波器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量補(bǔ)償方法，其 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，由于通信時(shí)滯，WTS難以穩(wěn)定運(yùn)行且依舊存在補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩振蕩的失穩(wěn)現(xiàn) 象。
[0050] 實(shí)施例1II:應(yīng)用本發(fā)明的考慮時(shí)滯的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量補(bǔ)償方法，如圖1中所示，具體實(shí)施 為以下步驟：
[0051 ] 1、確定風(fēng)力機(jī)模擬器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jt = O .0845;
[0052] 2、確定要模擬的風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jt，此時(shí)為0.4225kgm2(即5JS);
[0053] 3、測(cè)定風(fēng)力機(jī)模擬器中的通信時(shí)滯τ，選取模擬器的控制周期T = 20ms，計(jì)算此時(shí) 通信時(shí)滯的階數(shù)ko=[VT]=4;
[0054] 4、在風(fēng)力機(jī)模擬器的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償支路中添加5階數(shù)字濾波器；
[0055] 5、根據(jù)模擬器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Js與風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jt對(duì)5階數(shù)字濾波器的參數(shù)α進(jìn)行調(diào) 整，根據(jù)權(quán)利要求3中的公式，此時(shí)α取為0.8。
[0056] 應(yīng)用本發(fā)明的考慮時(shí)滯的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量補(bǔ)償方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，從圖中可見， WTS能夠穩(wěn)定地模擬更大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量補(bǔ)償倍數(shù)的風(fēng)力機(jī)機(jī)械動(dòng)態(tài)。
[0057] 實(shí)施例1V:應(yīng)用本發(fā)明的考慮時(shí)滯的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量補(bǔ)償方法，具體步驟與實(shí)施例1II中 一致，對(duì)輸入湍流風(fēng)的WTS在不同模擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量下比較研究。如圖6所示，實(shí)驗(yàn)過程未出現(xiàn)不 穩(wěn)定現(xiàn)象。本發(fā)明的基于高階濾波器的改進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量補(bǔ)償方法能夠克服時(shí)滯的影響，使得 風(fēng)力機(jī)模擬器能夠穩(wěn)定地模擬大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量倍數(shù)風(fēng)力機(jī)的慢機(jī)械動(dòng)態(tài)過程。
[0058]由上可知，本發(fā)明的一種考慮通信時(shí)滯與加速度時(shí)滯的改進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量補(bǔ)償方法， 通過引入高階濾波器來消除時(shí)滯所激發(fā)的偏差響應(yīng)分量，解決了補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩的振蕩問題。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種適用于風(fēng)力機(jī)模擬器的考慮時(shí)滯的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量補(bǔ)償方法，其特征在于，包括以下 步驟： 步驟1、對(duì)風(fēng)力機(jī)模擬器進(jìn)行測(cè)試，確定風(fēng)力機(jī)模擬器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Js ; 步驟2、確定風(fēng)力機(jī)模擬器所要模擬的風(fēng)力機(jī)模型，確定風(fēng)力機(jī)模型轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jt; 步驟3、對(duì)風(fēng)力機(jī)模擬器進(jìn)行測(cè)試，確定通信時(shí)滯步長(zhǎng)k〇; 步驟4、判斷2 ·心是否成立，若成立，進(jìn)入步驟5,否則結(jié)束操作； 步驟5、在風(fēng)力機(jī)模擬器的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償支路中添加 ko+Ι階數(shù)字濾波器； 步驟6、根據(jù)模擬器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Js與風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jt對(duì)ko+l階數(shù)字濾波器的參數(shù)α進(jìn)行 調(diào)整，使風(fēng)力機(jī)模擬器穩(wěn)定運(yùn)行。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于風(fēng)力機(jī)模擬器的考慮時(shí)滯的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量補(bǔ)償方法，其特 征在于，步驟3中時(shí)滯步長(zhǎng)ko的確定公式為： ko= [τ/Τ] 式中，τ是通信時(shí)滯時(shí)長(zhǎng)，Τ是系統(tǒng)采樣時(shí)長(zhǎng)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于風(fēng)力機(jī)模擬器的考慮時(shí)滯的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量補(bǔ)償方法，其特 征在于，步驟5中ko+l階數(shù)字濾波器的表達(dá)式為：式中，α是ko+l階濾波器系數(shù)，其取值范圍為0<α<1，1~ko階濾波器系數(shù)則均取為零。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于風(fēng)力機(jī)模擬器的考慮時(shí)滯的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量補(bǔ)償方法，其特 征在于，步驟6中對(duì)濾波器系數(shù)α進(jìn)行調(diào)整所用公式為：
【專利摘要】本發(fā)明針對(duì)當(dāng)前風(fēng)力機(jī)模擬器模擬大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量風(fēng)力機(jī)時(shí)會(huì)發(fā)生失穩(wěn)振蕩的問題，公開了一種考慮通信時(shí)滯與加速度時(shí)滯的改進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量補(bǔ)償方法，首先對(duì)風(fēng)力機(jī)模擬器進(jìn)行測(cè)試，確定風(fēng)力機(jī)模擬器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；之后確定風(fēng)力機(jī)模擬器所要模擬的風(fēng)力機(jī)模型，確定風(fēng)力機(jī)模型轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；并對(duì)風(fēng)力機(jī)模擬器進(jìn)行測(cè)試，確定通信時(shí)滯步長(zhǎng)；并根據(jù)情況在風(fēng)力機(jī)模擬器的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償支路中添加濾波器；最后對(duì)數(shù)字濾波器的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使風(fēng)力機(jī)模擬器穩(wěn)定運(yùn)行。本發(fā)明解決了WTS因通信時(shí)滯與加速度時(shí)滯而引發(fā)的失穩(wěn)現(xiàn)象，通過消除時(shí)滯影響使WTS能穩(wěn)定地模擬大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量風(fēng)力機(jī)，幫助在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境內(nèi)進(jìn)行風(fēng)力機(jī)控制實(shí)驗(yàn)。
【IPC分類】G06F17/50, F03D17/00
【公開號(hào)】CN105673357
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610230753
【發(fā)明人】殷明慧, 劉尚孟, 李偉杰, 路英偉, 何立君, 沈春, 卜京, 謝云云, 姚娟, 蔡晨曉, 鄒云
【申請(qǐng)人】南京理工大學(xué)
【公開日】2016年6月15日
【申請(qǐng)日】2016年4月14日