本發(fā)明屬于風(fēng)力機(jī)模擬器領(lǐng)域，特別是一種風(fēng)力機(jī)模擬器摩擦阻尼補(bǔ)償修正方法。
背景技術(shù)：
：風(fēng)力機(jī)模擬器(WindTurbineSimulator，WTS)可以在不依賴(lài)于環(huán)境和具體型號(hào)的風(fēng)力機(jī)的情況下模擬風(fēng)力機(jī)輸出特性，通過(guò)任意設(shè)定的風(fēng)速變化曲線，方便了實(shí)驗(yàn)室對(duì)不同風(fēng)況下的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行研究。風(fēng)力機(jī)模擬器可以用于風(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)等領(lǐng)域的功能測(cè)試，對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、優(yōu)化和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用具有重要的意義。風(fēng)力機(jī)模擬器模擬實(shí)際風(fēng)力機(jī)輸出特性，但是在實(shí)際物理結(jié)構(gòu)上和真實(shí)風(fēng)力機(jī)還是有很大區(qū)別的，在傳動(dòng)鏈主要體現(xiàn)的是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和摩擦阻尼的不同。風(fēng)力機(jī)模擬器的物理轉(zhuǎn)動(dòng)慣量遠(yuǎn)小于實(shí)際風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，傳統(tǒng)模擬器一般采取轉(zhuǎn)動(dòng)慣量補(bǔ)償策略以還原實(shí)際風(fēng)力機(jī)的慢機(jī)械動(dòng)態(tài)特性。但是傳統(tǒng)風(fēng)力機(jī)模擬器往往忽略了傳動(dòng)鏈的阻尼補(bǔ)償，或者將模擬器的摩擦阻尼轉(zhuǎn)矩簡(jiǎn)單建模為與轉(zhuǎn)速相關(guān)的一次線性表達(dá)式，最終會(huì)導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)模擬器模擬不準(zhǔn)確的情況，比如說(shuō)模擬結(jié)果風(fēng)力機(jī)的發(fā)電效率(發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能與風(fēng)的動(dòng)能之比)出現(xiàn)大于風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)效率(風(fēng)輪捕獲的動(dòng)能之風(fēng)的動(dòng)能比)的情況?；谏鲜銮闆r，目前迫切需要一種風(fēng)力機(jī)模擬器的摩擦阻尼補(bǔ)償修正方法，使得風(fēng)力機(jī)模擬器能夠更加準(zhǔn)確可靠地模擬風(fēng)力機(jī)的機(jī)械動(dòng)態(tài)。但是現(xiàn)有技術(shù)中尚無(wú)相關(guān)描述。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于提供一種風(fēng)力機(jī)模擬器的摩擦阻尼補(bǔ)償修正方法。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種風(fēng)力機(jī)模擬器的摩擦阻尼補(bǔ)償修正方法，包含以下步驟：步驟1、建立風(fēng)力機(jī)模擬器傳動(dòng)鏈摩擦力矩修正模型TKs(T,ω)，其中T為風(fēng)力機(jī)模擬器軸系溫度，ω為風(fēng)力機(jī)模擬器軸系轉(zhuǎn)速；所述風(fēng)力機(jī)模擬器傳動(dòng)鏈摩擦力矩模型TKs(T,ω)為：式中，N表示擬合階數(shù)，ai(T)表示在溫度T條件下擬合多項(xiàng)式的系數(shù)。步驟2、確定風(fēng)力機(jī)模擬器傳動(dòng)鏈模型的常量參數(shù)，該常量參數(shù)為風(fēng)力機(jī)模擬器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Js；所述風(fēng)力機(jī)模擬器傳動(dòng)鏈模型為:式中Ts為電動(dòng)機(jī)輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩、Tg為發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩、是角加速度，所述電動(dòng)機(jī)輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩、發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和角加速度是變量參數(shù)。步驟3、確定被模擬風(fēng)力機(jī)的基本參數(shù)，包括風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jt、風(fēng)力機(jī)傳動(dòng)鏈摩擦力矩TKt(ω)和齒輪箱變比ng；步驟4、根據(jù)風(fēng)力機(jī)模擬器轉(zhuǎn)矩模擬公式，將Ts作為風(fēng)力機(jī)模擬器電動(dòng)機(jī)的參考轉(zhuǎn)矩，從而完成對(duì)實(shí)際風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出模擬，其中風(fēng)力機(jī)模擬器轉(zhuǎn)矩模擬公式中引入了步驟1中的風(fēng)力機(jī)模擬器傳動(dòng)鏈摩擦力矩模型。所述風(fēng)力機(jī)模擬器轉(zhuǎn)矩模擬公式為：式中，Ta為被模擬風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩，Ts為風(fēng)力機(jī)模擬器電動(dòng)機(jī)輸出的參考轉(zhuǎn)矩，為風(fēng)力機(jī)模擬器軸系轉(zhuǎn)速的角加速度。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)為：1)本發(fā)明首次提出了一個(gè)風(fēng)力機(jī)模擬器的摩擦阻尼補(bǔ)償修正方法，解決了因模擬器摩擦阻尼補(bǔ)償修正不當(dāng)而造成的模擬器不準(zhǔn)確的問(wèn)題；2)本發(fā)明公開(kāi)了風(fēng)力機(jī)模擬器的摩擦阻尼補(bǔ)償修正方法的詳細(xì)步驟，簡(jiǎn)單易行，且能夠保證風(fēng)力機(jī)模擬器模擬更大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的風(fēng)力機(jī)的同時(shí)，更加準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)實(shí)際風(fēng)力機(jī)的慢動(dòng)態(tài)。附圖說(shuō)明圖1為本發(fā)明的風(fēng)力機(jī)模擬器的摩擦阻尼補(bǔ)償修正方法的流程圖。圖2為實(shí)際風(fēng)力機(jī)傳動(dòng)鏈單質(zhì)量模型圖。圖3為本發(fā)明的具體實(shí)施例的模擬器結(jié)構(gòu)圖。圖4為采用摩擦阻尼補(bǔ)償修正方法后在湍流風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)模擬器WTS和仿真軟件FAST的轉(zhuǎn)速軌跡圖，其中圖(a)是長(zhǎng)時(shí)間轉(zhuǎn)速軌跡對(duì)比圖，圖(b)是短時(shí)間轉(zhuǎn)速軌跡對(duì)比圖。圖5為應(yīng)用本發(fā)明采用摩擦阻尼補(bǔ)償修正方法后在湍流風(fēng)速下WTS氣動(dòng)效率和發(fā)電效率對(duì)比圖。具體實(shí)施方式結(jié)合圖1，本發(fā)明的一種風(fēng)力機(jī)模擬器的摩擦阻尼補(bǔ)償修正方法，包含以下步驟：步驟1、建立風(fēng)力機(jī)模擬器傳動(dòng)鏈摩擦力矩修正模型TKs(T,ω)，其中T為風(fēng)力機(jī)模擬器軸系溫度，ω為風(fēng)力機(jī)模擬器軸系轉(zhuǎn)速；所述風(fēng)力機(jī)模擬器傳動(dòng)鏈摩擦力矩模型TKs(T,ω)為：式中，N表示擬合階數(shù)，ai(T)表示在溫度T條件下擬合多項(xiàng)式的系數(shù)。步驟2、確定風(fēng)力機(jī)模擬器傳動(dòng)鏈模型的常量參數(shù)，該常量參數(shù)為風(fēng)力機(jī)模擬器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Js；所述風(fēng)力機(jī)模擬器傳動(dòng)鏈模型為:式中Ts為電動(dòng)機(jī)輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩、Tg為發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩、是角加速度，所述電動(dòng)機(jī)輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩、發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和角加速度是變量參數(shù)。步驟3、確定被模擬風(fēng)力機(jī)的基本參數(shù)，包括風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jt、風(fēng)力機(jī)傳動(dòng)鏈摩擦力矩TKt(ω)和齒輪箱變比ng；步驟4、根據(jù)風(fēng)力機(jī)模擬器轉(zhuǎn)矩模擬公式，將Ts作為風(fēng)力機(jī)模擬器電動(dòng)機(jī)的參考轉(zhuǎn)矩，從而完成對(duì)實(shí)際風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出模擬，其中風(fēng)力機(jī)模擬器轉(zhuǎn)矩模擬公式中引入了步驟1中的風(fēng)力機(jī)模擬器傳動(dòng)鏈摩擦力矩模型。所述風(fēng)力機(jī)模擬器轉(zhuǎn)矩模擬公式為：式中，Ta為被模擬風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩，Ts為風(fēng)力機(jī)模擬器電動(dòng)機(jī)輸出的參考轉(zhuǎn)矩，為風(fēng)力機(jī)模擬器軸系轉(zhuǎn)速的角加速度。本發(fā)明解決了風(fēng)力機(jī)模擬器因未考慮阻尼摩擦補(bǔ)償修正或者阻尼摩擦補(bǔ)償修正不當(dāng)導(dǎo)致的風(fēng)力機(jī)模擬器模擬不準(zhǔn)確的問(wèn)題，有效地提高了風(fēng)力機(jī)模擬器的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。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：實(shí)施例參照?qǐng)D1的具體流程圖，首先對(duì)模擬器傳動(dòng)鏈的摩擦阻尼轉(zhuǎn)矩進(jìn)行建模。常規(guī)的風(fēng)力機(jī)模擬器一般不考慮進(jìn)行阻尼摩擦的補(bǔ)償修正，或者只是通過(guò)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)方式及材料查表求取阻尼系數(shù)Bs，對(duì)模擬器傳動(dòng)鏈的摩擦力矩的線性模型：TKs(ω)＝Bs·ω(1)但是該方法表示的摩擦力矩誤差比較大，導(dǎo)致模擬器的準(zhǔn)確性降低，甚至出現(xiàn)模擬結(jié)果風(fēng)力機(jī)的發(fā)電效率(發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能與風(fēng)的動(dòng)能之比)出現(xiàn)大于風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)效率(風(fēng)輪捕獲的動(dòng)能之風(fēng)的動(dòng)能比)的情況。因此，本發(fā)明提供考慮溫度的多項(xiàng)式非線性擬合建模方法，通過(guò)對(duì)風(fēng)力機(jī)模擬器在不同轉(zhuǎn)速，不同溫度下的摩擦力矩進(jìn)行測(cè)量，獲取摩擦力矩的數(shù)據(jù)后，進(jìn)行非線性模型擬合進(jìn)行建模；摩擦力矩非線性模型公式為：式中，N表示擬合階數(shù)，ai(T)表示在溫度T條件下擬合多項(xiàng)式的系數(shù)。然后，確定風(fēng)力機(jī)模擬器傳動(dòng)鏈模型的其他參數(shù)，風(fēng)力機(jī)模擬器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Js，查詢(xún)技術(shù)手冊(cè)或產(chǎn)品說(shuō)明，確定被模擬風(fēng)力機(jī)的基本參數(shù)，包括風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jt、風(fēng)力機(jī)傳動(dòng)鏈摩擦力矩TKt(ω)和齒輪箱變比ng等，其中部分參數(shù)數(shù)值在表格1中給出。實(shí)際風(fēng)力機(jī)的折算到高速側(cè)的單質(zhì)量模型如圖2所示，傳動(dòng)鏈模型為：式中，Jt表示風(fēng)力機(jī)折算到高速側(cè)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Ta表示風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩，ng表示齒輪箱變比，Tg表示發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，ω表示轉(zhuǎn)速，表示角加速度，TKs(T,ω)表示風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)算到高速側(cè)的摩擦力矩。而風(fēng)力機(jī)模擬器的傳動(dòng)鏈模型為：式中，Js表示風(fēng)力機(jī)模擬器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Ts表示電動(dòng)機(jī)輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩，Tg表示發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，ω表示轉(zhuǎn)速，表示角加速度，TKs(T,ω)表示本發(fā)明建立的摩擦力矩模型。將式(3)和式(4)相減，便得到了考慮轉(zhuǎn)動(dòng)慣量補(bǔ)償和阻尼摩擦補(bǔ)償修正的風(fēng)力機(jī)模擬器電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩公式：最后通過(guò)風(fēng)力機(jī)模擬器實(shí)驗(yàn)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。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3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/rpm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BeckhoffPLC的實(shí)時(shí)數(shù)字控制系統(tǒng)(real-timedigitalcontrolsystem，RTDCS)；5)EtherCat現(xiàn)場(chǎng)總線的通訊網(wǎng)絡(luò)；6)溫度傳感器，在電機(jī)內(nèi)部未標(biāo)示。RTDCS根據(jù)包括模擬的湍流風(fēng)速，氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩、慣量補(bǔ)償和摩擦阻尼補(bǔ)償修正計(jì)算電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩參考值，然后根據(jù)式(5)將計(jì)算的轉(zhuǎn)矩參考值通過(guò)EtherCat總線傳輸?shù)诫妱?dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。通過(guò)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。風(fēng)力機(jī)模擬器平臺(tái)參數(shù)如表1所示。電磁轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為:Tg＝kopt·ωg2(6)這是風(fēng)力發(fā)電機(jī)一種廣泛應(yīng)用的最大功率點(diǎn)跟蹤(maximumpowerpointtracking，MPPT)控制方法，被稱(chēng)為最優(yōu)轉(zhuǎn)矩控制，其中kopt是最優(yōu)轉(zhuǎn)矩增益。表1WTS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要參數(shù)參數(shù)數(shù)值模擬風(fēng)力機(jī)額定功率10(kW)模擬風(fēng)輪半徑R20(m)最大功率因素Cpmax0.467最優(yōu)葉尖速比λ5.81風(fēng)力機(jī)(高速側(cè))轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jt330(kgm2)齒輪箱變比ng43.165實(shí)驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Js0.72(kgm2)異步電動(dòng)機(jī)額定功率15(kW),1500(RPM)永磁同步發(fā)電機(jī)額定功率15(kW),1500(RPM)異步電動(dòng)機(jī)額定電流30(A)永磁電機(jī)額定電流15(A)PLC更新周期40(ms)湍流風(fēng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，從圖(a)和圖(b)中可以看出，相同型號(hào)的風(fēng)力機(jī)，F(xiàn)AST仿真軟件和風(fēng)力機(jī)模擬器的轉(zhuǎn)速軌跡在相同風(fēng)況下基本重合，驗(yàn)證了本方法的有效性。根據(jù)如圖5的實(shí)驗(yàn)結(jié)果所示，在湍流風(fēng)條件下，采用最優(yōu)轉(zhuǎn)矩控制方式時(shí)，風(fēng)力機(jī)模擬器并沒(méi)有出現(xiàn)發(fā)電效率高于氣動(dòng)效率的情況，進(jìn)一步驗(yàn)證了本發(fā)明的有效性和實(shí)用性。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3