[发明专利]一种基于转矩闭环控制的风力机柔性传动特性的模拟方法

说明书

本发明公开了一种基于转矩闭环控制的风力机柔性传动特性的模拟方法，包括：建立两质量块等效模型，考虑高速轴的弹性系数和阻尼系数，建立发电机与风力机连接时的柔性传动模型的运动方程；建立发电机与模拟电机连接的运动方程；将发电机和模拟电机连接的刚性轴传递的机械转矩、转速，应与发电机和风力机连接时其高速轴传递的机械转矩、转速相等为条件代入所建立的运动方程并进行拉氏变换，获得三元方程组，并实时解算得到模拟电机转矩且作为转矩参考值；对模拟电机组进行转矩闭环控制，实时跟随模拟电机转矩参考值以复现该转矩，实现柔性传动风力机动态特性的模拟。本发明可更准确地使实验室模拟电机复现出实际风力机柔性传动的动静态特性。

技术领域

本发明涉及一种基于转矩闭环控制的风力机柔性传动特性的模拟方法，属于永磁电机控制的技术领域。

背景技术

风力机模拟系统采用电动机模拟真实风场环境下风力机输出的转矩/转速特性，以驱动风力发电机运行。由于模拟系统实验相比风场实验的成本低，且不受自然环境限制，可灵活地设定实验条件，极大地提高了研究效率，为新技术的诞生和应用提供了有力的保障，因此风力机模拟系统成为实验室环境下进行风力发电技术研究的基础。现有的风力机模拟系统受到实验条件和实验安全性的限制，通常都采用小功率的电动机来模拟小功率的风力机，而由于小功率风力机本身的机械时间常数小于大功率MW级风力机，使得其对风速和负载变化的响应速度都要明显快于大功率风力机，因此在针对小功率风力机设计的模拟系统上开发主控系统时，得到的控制参数很难直接应用于大功率风电机组。

为使模拟系统实验更接近实际风场的实验情况，不仅需要模拟系统在稳态时输出实际系统应有的转矩和功率特性，更需要在风速或负载扰动时，复现实际系统的动态转矩、转速变化过程。相比而言，稳态特性的模拟较容易，但动态转速变化过程的复现则要复杂的多。目前见诸报道的动态特性模拟技术多以刚性的传动系统为模拟对象，重点解决风力机和电动机转动惯量差异带来的动态转速差异问题，忽略了传动轴的弹性形变。然而当风力机与发电机的传动系统中存在增速齿轮箱时，风力机和发电机之间传动链必然存在一定的柔性，柔性传动必将产生机组暂态过程中的扭矩振荡，这一特性对于风电机组的暂态稳定性有较大的影响，会改变机组的暂态过程持续时间以及暂态稳定裕度。

另外，风力机动态特性模拟策略方面，现在通常采用的方法有速度闭环控制的模拟策略，直接以动态转速为控制目标，不仅对模拟电机速度环带宽提出了较高要求，而且在解算运动方程时需要实时反馈发电机转矩，导致模拟电机与发电机之间缺乏独立性，这些问题都限制了速度闭环模拟策略的推广与使用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种基于转矩闭环控制的风力机柔性传动特性的模拟方法，解决现有的模拟中忽略柔性而简单的将传动轴看作刚性进行风电机组模拟，将带来较大的模拟误差的问题。本发明将柔性传动特性的风力机模拟与转矩闭环模拟策略相结合，采用参数缩比的方法，更准确地使实验室模拟电机复现出实际大功率风力机的稳态和暂态特性。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种基于转矩闭环控制的风力机柔性传动特性的模拟方法，包括以下步骤：

步骤1、建立由风力机和齿轮箱、发电机组成的质量块等效模型；将模型中连接发电机与风力机的传动轴作为高速轴并考虑其弹性系数和阻尼系数，建立发电机与风力机连接时的柔性传动模型的运动方程；

步骤2、将根据发电机转速范围选择的模拟电机与发电机通过刚性轴同轴连接，建立发电机与模拟电机连接时的运动方程；

步骤3、将所述刚性轴传递的机械转矩、转速应与质量块等效模型中高速轴传递的机械转矩、转速相等为条件，代入步骤1和步骤2建立的运动方程并进行拉氏变换，获得关于转矩与转速的三元方程组，并实时解算该三元方程组得到模拟电机转矩且作为转矩参考值；