本發(fā)明屬于風(fēng)力機(jī)模擬器領(lǐng)域，特別是一種考慮阻尼補(bǔ)償?shù)恼淄呒?jí)風(fēng)機(jī)模擬方法。
背景技術(shù)：
：風(fēng)力機(jī)模擬器(windturbinesimulator,wts)作為模擬風(fēng)力機(jī)的輸出特性的有效可靠的工具，可以在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下預(yù)先驗(yàn)證風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(wecs)的控制策略?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)是研究風(fēng)力發(fā)電技術(shù)必要的途徑，風(fēng)力機(jī)模擬器最大程度的還原了風(fēng)力發(fā)電機(jī)現(xiàn)場(chǎng)，節(jié)約了經(jīng)濟(jì)和時(shí)間的成本，而且實(shí)驗(yàn)不受氣象等外部條件的影響，極大地降低了風(fēng)力發(fā)電技術(shù)研究的成本和難度。風(fēng)力機(jī)模擬器可以用于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)研究的各個(gè)鄰域，包括風(fēng)輪機(jī)葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)、風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的控制策略驗(yàn)證、風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合平臺(tái)搭建、風(fēng)電并網(wǎng)等技術(shù)研究，對(duì)整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)研究都有著重大的科研意義。風(fēng)力機(jī)模擬器實(shí)際的物理結(jié)構(gòu)與真實(shí)的風(fēng)力機(jī)差別還是很大，在模擬實(shí)際風(fēng)輪的大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量導(dǎo)致的慢動(dòng)態(tài)特性上具有比較大的難度，傳統(tǒng)模擬器一般采取轉(zhuǎn)動(dòng)慣量補(bǔ)償策略來(lái)還原實(shí)際風(fēng)力機(jī)的慢機(jī)械特性，從而能夠模擬幾倍于自身的風(fēng)機(jī)，但是往往忽略了傳動(dòng)鏈的阻尼摩擦，或者簡(jiǎn)單將其建模為與轉(zhuǎn)速相關(guān)的一次線(xiàn)性表達(dá)，這些方法使得模擬器在模擬輸出特性的精度和可靠性方面都有所欠缺，比如不采用阻尼補(bǔ)償導(dǎo)致模擬器的風(fēng)能捕獲效率過(guò)低，簡(jiǎn)單的采用一次線(xiàn)性補(bǔ)償導(dǎo)致模擬器的某些電氣參數(shù)又高于實(shí)際指標(biāo)，而且目前方法無(wú)法準(zhǔn)確的模擬更大功率風(fēng)機(jī)的輸出特性。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)模擬器的考慮阻尼補(bǔ)償?shù)恼淄呒?jí)風(fēng)機(jī)模擬方法。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)模擬器的考慮阻尼補(bǔ)償?shù)恼淄呒?jí)風(fēng)機(jī)模擬方法，包含以下步驟：步驟1、建立風(fēng)力機(jī)模擬器傳動(dòng)鏈摩擦力矩模型tks(ω)，ω為風(fēng)力機(jī)模擬器軸系轉(zhuǎn)速；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；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)機(jī)模擬器模擬轉(zhuǎn)矩公式和縮放后的實(shí)際風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩公式，得到包含將實(shí)際風(fēng)機(jī)阻尼轉(zhuǎn)矩縮放后的ts，將其作為風(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。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)模擬器的考慮阻尼補(bǔ)償?shù)恼淄呒?jí)風(fēng)機(jī)模擬方法，解決了模擬器無(wú)法模擬大功率風(fēng)機(jī)輸出特性的問(wèn)題；2)本發(fā)明公開(kāi)了風(fēng)力機(jī)模擬器的考慮阻尼補(bǔ)償?shù)恼淄呒?jí)風(fēng)機(jī)模擬方法的詳細(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)特性。附圖說(shuō)明圖1為本發(fā)明的風(fēng)力機(jī)模擬器的考慮阻尼補(bǔ)償?shù)恼淄呒?jí)風(fēng)機(jī)模擬方法的流程圖。圖2為實(shí)際風(fēng)力機(jī)傳動(dòng)鏈單質(zhì)量模型。圖3為基于縮放比的傳動(dòng)鏈模擬器數(shù)學(xué)模型圖4為本發(fā)明的具體實(shí)施例的模擬器結(jié)構(gòu)圖。圖5為在縮放因子s＝50的條件下根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果按兩種方法擬合的阻尼特性。圖6為未采用和分別采用了兩種阻尼補(bǔ)償方法后在湍流風(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)是未進(jìn)行阻尼補(bǔ)償?shù)姆抡鎸?shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速對(duì)比，圖(b)是線(xiàn)性補(bǔ)償與fast仿真對(duì)比，圖(c)是非線(xiàn)性補(bǔ)償與fast仿真對(duì)比。具體實(shí)施方式本發(fā)明提供了一種適用于模擬兆瓦級(jí)風(fēng)力機(jī)的考慮阻尼補(bǔ)償?shù)哪M方法。通過(guò)等比縮放的方法，能夠模擬大功率風(fēng)力機(jī)，同時(shí)采用非線(xiàn)性阻尼補(bǔ)償策略使得風(fēng)力機(jī)模擬器能夠更加準(zhǔn)確可靠的模擬大功率風(fēng)力機(jī)輸出特性。本發(fā)明的一種風(fēng)力機(jī)模擬器的考慮阻尼補(bǔ)償?shù)恼淄呒?jí)風(fēng)機(jī)模擬方法，包括以下步驟：步驟1、建立風(fēng)力機(jī)模擬器傳動(dòng)鏈摩擦力矩模型tks(ω)，其中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(ω)為：式中，n表示擬合階數(shù)，ai表示擬合多項(xiàng)式的系數(shù)，i為多項(xiàng)式系數(shù)的下標(biāo)。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為模擬器電動(dòng)機(jī)輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩、tgs為模擬器發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩、是風(fēng)力機(jī)模擬器軸系轉(zhuǎn)速的角加速度，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)機(jī)模擬器模擬轉(zhuǎn)矩公式和等比例縮放后的實(shí)際風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩公式，得到包含阻尼轉(zhuǎn)矩并進(jìn)行縮放后的ts，將其作為風(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。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；等比例縮放后的實(shí)際風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩公式為：tgs＝s*ts式中，tgs為實(shí)際風(fēng)力機(jī)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，s為縮放比。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：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)模擬器一般忽略進(jìn)行阻尼補(bǔ)償，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)ks，對(duì)模擬器傳動(dòng)鏈的摩擦力矩的線(xiàn)性模型：tks(ω)＝ks·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。本發(fā)明對(duì)非線(xiàn)性模型擬合進(jìn)行建模，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合了摩擦力矩非線(xiàn)性模型公式為：式中，n表示擬合階數(shù)，ai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。再通過(guò)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，tgs表示實(shí)際風(fēng)機(jī)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。將式(3)兩邊同時(shí)除以縮放因子s作為模擬器所模擬的模型：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，tgs表示模擬器發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，ω表示轉(zhuǎn)速，表示角加速度，tks(ω)表示本發(fā)明中采用的摩擦力矩模型。因?yàn)閷⑹?4)和式(5)相減，便得到了進(jìn)行了阻尼補(bǔ)償?shù)目s放s倍后的風(fēng)力機(jī)模擬器電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩公式：所模擬風(fēng)機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩輸出為：基于縮放比的傳動(dòng)鏈模擬器數(shù)學(xué)模型如圖3所示。一旦s足夠大，阻尼轉(zhuǎn)矩tn＝tkt(ω)-s·tks(ω)在忽略kt后就變成tn＝-stks(ω)，對(duì)系統(tǒng)的影響就好比dtg方法和ot方法的差別。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5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(xiàn)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(8)將計(jì)算的轉(zhuǎn)矩參考值通過(guò)ethercat總線(xiàn)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:tgt＝kopt·ωg2(8)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)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證在縮放因子s＝50條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采用兩種阻尼補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ紫葴y(cè)量出模擬器本身的阻尼特性，采用線(xiàn)性擬合和非線(xiàn)性擬合兩種方法，如圖5所示。在恒定風(fēng)條件下，s＝50，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的cp如表2所示，從表中可以發(fā)現(xiàn)，未進(jìn)行阻尼補(bǔ)償?shù)姆€(wěn)態(tài)cp與理論值相差較大，而采用非線(xiàn)性阻尼補(bǔ)償后的穩(wěn)態(tài)cp明顯更接近理論值。驗(yàn)證了本發(fā)明模擬兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)的靜態(tài)特性的有效性。表1恒定風(fēng)條件下穩(wěn)態(tài)cp對(duì)比(cpmax＝0.4603)風(fēng)速/m/s4.05.57.08.510.0不補(bǔ)償0.45320.45850.45900.45900.4594非線(xiàn)性補(bǔ)償0.46020.46030.46030.46030.4603線(xiàn)性補(bǔ)償0.45930.45990.46030.46030.4603湍流風(fēng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示從圖(c)可以發(fā)現(xiàn)，采用進(jìn)行非線(xiàn)性阻尼補(bǔ)償?shù)恼淄呒?jí)風(fēng)機(jī)模擬方法后，轉(zhuǎn)速軌跡和fast仿真的結(jié)果基本重合在一起，而且兩者誤差的極值也在50以?xún)?nèi)，而圖(a)中未采用考慮阻尼補(bǔ)償?shù)恼淄呒?jí)風(fēng)機(jī)模擬方法后的誤差甚至達(dá)到200。如表3所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與fast轉(zhuǎn)速誤差的標(biāo)準(zhǔn)差也比不進(jìn)行阻尼補(bǔ)償?shù)男『芏?。?yàn)證了本方法在模擬兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)的機(jī)械動(dòng)態(tài)特性時(shí)的有效性。表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與fast轉(zhuǎn)速誤差的標(biāo)準(zhǔn)差與fast轉(zhuǎn)速誤差的標(biāo)準(zhǔn)差不補(bǔ)償33.3981非線(xiàn)性補(bǔ)償12.5044通過(guò)以上數(shù)據(jù)，我們可以發(fā)現(xiàn)在s＝50時(shí)，采用阻尼補(bǔ)償后可以調(diào)高模擬器的機(jī)械動(dòng)態(tài)的準(zhǔn)確性。對(duì)比兩種補(bǔ)償方法對(duì)電氣參數(shù)的影響，采用阻尼補(bǔ)償后，實(shí)驗(yàn)結(jié)果更接近fast仿真，同時(shí)，非線(xiàn)性補(bǔ)償方法明顯優(yōu)于線(xiàn)性補(bǔ)償。而線(xiàn)性補(bǔ)償?shù)男势笫且驗(yàn)樵趫D5中在轉(zhuǎn)速750～1250rpm中阻尼較大導(dǎo)致，阻尼模型是否準(zhǔn)確對(duì)發(fā)電機(jī)電氣參數(shù)的影響是很明顯的。采用非線(xiàn)性阻尼補(bǔ)償時(shí)pfavg和ηelec/ηaero與fast仿真結(jié)果非常接近，能夠有效地模擬實(shí)際兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)的電氣動(dòng)態(tài)特性。所以本發(fā)明采用非線(xiàn)性補(bǔ)償是有效的。表3電氣參數(shù)對(duì)比氣動(dòng)效率pfavgηaeroηelecηelec/ηaero不補(bǔ)償0.40640.34320.88290.745684.4％線(xiàn)性補(bǔ)償0.43960.42040.95500.913395.6％非線(xiàn)性補(bǔ)償0.43770.41200.95090.895194.1％fast0.44230.415894.0％平均風(fēng)速5.3565以上結(jié)果說(shuō)明采用采用本發(fā)明提供的方法能夠成功地模擬兆瓦級(jí)風(fēng)力機(jī)的輸出特性，進(jìn)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)12