基于能量流等效的风机动模实验平台转动惯量补偿方法

1.本发明属于风机动模实验平台技术领域，特别是一种基于能量流等效的风机动模实验平台转动惯量补偿方法。


背景技术：

2.风机动模实验平台是有效开展风电机组实验以深入研究风力发电技术的重要设备。其中一类主要用于风电机组转速、有功功率控制相关实验，其研究侧重点主要集中在风电机组的机械特性模拟上。风机动模实验平台的转动惯量与实际风电机组相差较大，为了复现大转动惯量风电机组的慢机械动态特性，风机动模实验平台必须进行转动惯量补偿。
3.目前最为常用的惯量补偿算法从风机动模实验平台的动态方程出发，通过修改拖动侧下达的驱动转矩，使其与实际风电机组拥有相同的机械动态过程。该方法在模拟较高转动惯量倍数时，需要在补偿转矩回路需要增加高阶滤波器来抑制偏差响应分量和保证稳定性。然而当模拟倍数接近百倍时，该滤波器会将一部分正常动态过程也一并滤除，大幅降低补偿准确性，使风机动模实验平台的转速动态轨迹偏离实际风电机组的转速轨迹，因此无法满足百倍以上的转动惯量模拟需求。
4.基于上述情况，目前迫切需要一种可以在高转动惯量模拟倍数下，兼顾风机模拟器的运行稳定性和模拟准确性的惯量补偿方法，以满足试验台转动惯量模拟倍数超过百倍的实验研究场景需求。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对上述现有转动惯量补偿方法的问题，提供一种基于能量流等效的风机动模实验平台转动惯量补偿策略，满足试验台超过百倍的转动惯量模拟倍数模拟需求。
6.实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于能量流等效的风机动模实验平台转动惯量补偿方法，所述方法包括以下步骤：
7.步骤1，对风机动模实验平台进行辨识，确定其转动惯量js；
8.步骤2，根据需要模拟的目标转动惯量，计算补偿转矩t
comp
，修正气动转矩指令ts；
9.步骤3，获取风机动模实验平台拖动侧和被试侧控制回路的通信时滞；
10.步骤4，根据时滞测量结果设计时延对齐模块，最终实现转动惯量补偿策略。
11.进一步地，步骤1中转动惯量js通过加减速平衡实验测量获得。
12.进一步地，步骤2所述根据需要模拟的目标转动惯量，计算补偿转矩t
comp
，修正气动转矩指令ts，具体为：
13.通过额外调节电网输入实验平台拖动端的能量，补偿转动惯量差异带来的旋转动能差异，使得实验平台小转动惯量对应的动能存储与释放叠加上电网的调节后，能量过程与被模拟大转动惯量对应的动能存储与释放过程一致；
14.补偿转矩t
comp
的计算公式为：
[0015][0016]
式中，ta为风机动模实验平台计算出的气动转矩，tg为风机动模实验平台控制器计算的电磁转矩，j
t
为需要模拟的目标转动惯量，js为风机动模实验平台自身的转动惯量；
[0017]
修正后的气动转矩ts的计算公式为：
[0018]
ts＝t
a-t
comp
[0019]
修正后的气动转矩ts即为风机动模实验平台拖动侧实际下发的转矩指令。
[0020]
进一步地，步骤3所述获取风机动模实验平台拖动侧和被试侧控制回路的通信时滞，具体过程包括：
[0021]
步骤3-1，采用转矩指令响应实验法，通过控制器向变频器下达转矩参考指令，在控制器中设置缓存数组，同时记录转矩指令序列以及变频器返回的转矩响应值序列，反馈值完全响应参考值的时间即为控制回路总时滞，由此获取拖动侧和被试侧控制回路时滞；
[0022]
步骤3-2，确定拖动侧控制回路时滞阶数a和被试侧控制回路时滞阶数b：
[0023][0024]
式中，τ1是拖动侧控制回路通信时滞时长，τ2是被试侧控制回路时滞时长，t是系统的控制周期时长。
[0025]
进一步地，步骤4中设计时延对齐模块的具体步骤为：
[0026]
步骤4-1，根据步骤3获得的时滞阶数a和b，确定风机动模实验平台拖动侧控制回路的时延对齐参数n1和被试侧控制回路的时延对齐参数n2；
[0027]
当a《b时，参数取值规则为：
[0028][0029]
当a》b时，参数取值规则为：
[0030][0031]
当a＝b时，认为两侧时滞已经对齐，参数n1和n2均取值为0；
[0032]
步骤4-2，在风机动模实验平台的实际控制器中，在拖动侧控制回路和被试侧控制回路添加延迟下发指令模块，令拖动侧指令延迟n1个控制周期再下发，令被试侧指令延迟n2个控制周期再下发。
[0033]
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
[0034]
1)本发明利用气动转矩和电磁转矩直接计算出补偿转矩，使补偿转矩回路与传动链开环，达到提高系统稳定性的目的。
[0035]
2)应用本发明的风机动模实验平台在百倍以上转动惯量补偿倍数应用场景下时，具有更好的稳定性和更加准确的动态性能模拟效果。
[0036]
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
[0037]
图1为本发明基于能量流等效的风机动模实验平台转动惯量补偿方法原理框图。
[0038]
图2为本发明的实施例中的应用基于能量流等效的风机动模实验平台转动惯量补偿方法的流程图。
[0039]
图3为应用本发明的基于能量流等效的转动惯量补偿方法的风机动模实验平台在转动惯量模拟倍数为100时的运行轨迹图。
具体实施方式
[0040]
为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
[0041]
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
[0042]
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
[0043]
在一个实施例中，针对目前基于转速差分的转动惯量补偿方法无法满足百倍以上的转动惯量模拟需求的问题，提供了一种基于能量流等效的风机动模实验平台转动惯量补偿方法，结合图1，所述方法包括以下步骤：
[0044]
步骤1，对风机动模实验平台进行辨识，确定其转动惯量js；
[0045]
步骤2，根据需要模拟的目标转动惯量，计算补偿转矩t
comp
，修正气动转矩指令ts；
[0046]
步骤3，获取风机动模实验平台拖动侧和被试侧控制回路的通信时滞；
[0047]
步骤4，根据时滞测量结果设计时延对齐模块，最终实现转动惯量补偿策略。
[0048]
进一步地，在其中一个实施例中，步骤1中转动惯量js通过加减速平衡实验测量获得。
[0049]
进一步地，在其中一个实施例中，步骤2所述根据需要模拟的目标转动惯量，计算补偿转矩t
comp
，修正气动转矩指令ts，具体为：
[0050]
通过额外调节电网输入实验平台拖动端的能量，补偿转动惯量差异带来的旋转动能差异，使得实验平台小转动惯量对应的动能存储与释放叠加上电网的调节后，能量过程与被模拟大转动惯量对应的动能存储与释放过程一致；
[0051]
补偿转矩t
comp
的计算公式为：
[0052][0053]
式中，ta为风机动模实验平台计算出的气动转矩，tg为风机动模实验平台控制器计算的电磁转矩，j
t
为需要模拟的目标转动惯量，js为风机动模实验平台自身的转动惯量；
[0054]
修正后的气动转矩ts的计算公式为：
[0055]
ts＝t
a-t
comp
[0056]
修正后的气动转矩ts即为风机动模实验平台拖动侧实际下发的转矩指令。
[0057]
进一步地，在其中一个实施例中，步骤3所述获取风机动模实验平台拖动侧和被试侧控制回路的通信时滞，具体过程包括：
[0058]
步骤3-1，采用转矩指令响应实验法，通过控制器向变频器下达转矩参考指令，在控制器中设置缓存数组，同时记录转矩指令序列以及变频器返回的转矩响应值序列，反馈值完全响应参考值的时间即为控制回路总时滞，由此获取拖动侧和被试侧控制回路时滞；
[0059]
步骤3-2，确定拖动侧控制回路时滞阶数a和被试侧控制回路时滞阶数b：
[0060][0061]
式中，τ1是拖动侧控制回路通信时滞时长，τ2是被试侧控制回路时滞时长，t是系统的控制周期时长。
[0062]
进一步地，在其中一个实施例中，步骤4中设计时延对齐模块的具体步骤为：
[0063]
步骤4-1，根据步骤3获得的时滞阶数a和b，确定风机动模实验平台拖动侧控制回路的时延对齐参数n1和被试侧控制回路的时延对齐参数n2；
[0064]
当a《b时，参数取值规则为：
[0065][0066]
当a》b时，参数取值规则为：
[0067][0068]
当a＝b时，认为两侧时滞已经对齐，参数n1和n2均取值为0；
[0069]
步骤4-2，在风机动模实验平台的实际控制器中，在拖动侧控制回路和被试侧控制回路添加延迟下发指令模块，令拖动侧指令延迟n1个控制周期再下发，令被试侧指令延迟n2个控制周期再下发。
[0070]
在一个实施例中，提供了一种基于能量流等效的风机动模实验平台转动惯量补偿系统，所述系统包括：
[0071]
第一模块，用于对风机动模实验平台进行辨识，确定其转动惯量js；
[0072]
第二模块，用于根据需要模拟的目标转动惯量，计算补偿转矩t
comp
，修正气动转矩指令ts；
[0073]
第三模块，用于获取风机动模实验平台拖动侧和被试侧控制回路的通信时滞；
[0074]
第四模块，用于根据时滞测量结果设计时延对齐模块，最终实现转动惯量补偿策略。
[0075]
关于基于能量流等效的风机动模实验平台转动惯量补偿系统的具体限定可以参见上文中对于基于能量流等效的风机动模实验平台转动惯量补偿方法的限定，在此不再赘述。上述基于能量流等效的风机动模实验平台转动惯量补偿系统中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备
中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
[0076]
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现以下步骤：
[0077]
步骤1，对风机动模实验平台进行辨识，确定其转动惯量js；
[0078]
步骤2，根据需要模拟的目标转动惯量，计算补偿转矩t
comp
，修正气动转矩指令ts；
[0079]
步骤3，获取风机动模实验平台拖动侧和被试侧控制回路的通信时滞；
[0080]
步骤4，根据时滞测量结果设计时延对齐模块，最终实现转动惯量补偿策略。
[0081]
关于每一步的具体限定可以参见上文中对于基于能量流等效的风机动模实验平台转动惯量补偿方法的限定，在此不再赘述。
[0082]
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
[0083]
步骤1，对风机动模实验平台进行辨识，确定其转动惯量js；
[0084]
步骤2，根据需要模拟的目标转动惯量，计算补偿转矩t
comp
，修正气动转矩指令ts；
[0085]
步骤3，获取风机动模实验平台拖动侧和被试侧控制回路的通信时滞；
[0086]
步骤4，根据时滞测量结果设计时延对齐模块，最终实现转动惯量补偿策略。
[0087]
关于每一步的具体限定可以参见上文中对于基于能量流等效的风机动模实验平台转动惯量补偿方法的限定，在此不再赘述。
[0088]
作为一种具体示例，在其中一个实施例中，对本发明进行进一步详细说明。
[0089]
本实施例中，以nrel的600kw水平轴风电机组cart3(controls advanced research turbine 3-bladed)机型的基本参数为基础对本发明提出的转动惯量补偿方法进行验证。被试侧控制器采用最大功率点跟踪控制，其控制系数为最优转矩增益k
opt
。该机型的基本参数如下表1所示。
[0090]
表1 600kw风电机组的机型参数
[0091][0092]
应用本发明的基于能量流等效的风机动模实验平台转动惯量补偿策略，其数学模型如图2所示，具体实施包括以下步骤：
[0093]
步骤1，对风机动模实验平台进行辨识，通过加减速平衡实验测量获得其转动惯量js＝0.72kgm2；
[0094]
步骤2，根据需要模拟的目标转动惯量j
t
＝100js＝72kgm2，通过额外调节电网输入
实验平台拖动端的能量，补偿转动惯量差异带来的旋转动能差异，使得实验平台小转动惯量对应的动能存储与释放叠加上电网的调节后，能量过程与被模拟大转动惯量对应的动能存储与释放过程一致。补偿转矩t
comp
计算结果为：
[0095][0096]
式中，ta为风机动模实验平台计算出的气动转矩，tg为风机动模实验平台控制器计算的电磁转矩，j
t
为需要模拟的目标转动惯量，js为风机动模实验平台自身的转动惯量。修正后的气动转矩ts的计算结果为：
[0097]
ts＝t
a-t
comp
＝0.01ta+0.99tg[0098]
修正后的气动转矩ts即为风机动模实验平台拖动侧实际下发的转矩指令。
[0099]
步骤3，获取风机动模实验平台拖动侧和被试侧控制回路的通信时滞，具体步骤如下：
[0100]
步骤3-1，采用转矩指令响应实验法，通过控制器向变频器下达转矩参考指令，在控制器中设置缓存数组，同时记录转矩指令序列以及变频器返回的转矩响应值序列，反馈值完全响应参考值的时间即为控制回路总时滞，获取拖动侧和被试侧控制回路时滞。计算得到的时滞结果为τ1＝108ms，τ2＝120ms：
[0101]
步骤3-2，确定拖动侧控制回路时滞阶数a和被试侧控制回路时滞阶数b：
[0102][0103]
式中，τ1是拖动侧控制回路通信时滞时长，τ2是被试侧控制回路时滞时长，t是系统的控制周期时长,此处t＝40ms，计算得到a＝3，b＝3。
[0104]
步骤4，根据时滞测量结果设计时延对齐模块，最终实现转动惯量补偿策略。设计时延对齐模块的具体步骤为：
[0105]
步骤4-1，根据步骤3获得的时滞阶数a和b，确认风机动模实验平台拖动侧控制回路的时延对齐参数n1和被试侧控制回路的时延对齐参数n2。
[0106]
当a《b时，参数取值规则为：
[0107][0108]
当a》b时，参数取值规则为：
[0109][0110]
当a＝b时，认为两侧时滞已经对齐，参数n1和n2均取值为0。此时由于a＝b＝3，取参数n1＝0，n2＝0
[0111]
步骤4-2，在风机动模实验平台的实际控制器中，在拖动侧控制回路和被试侧控制回路添加延迟下发指令模块，令拖动侧指令延迟n1个控制周期再下发，令被试侧指令延迟n2个控制周期再下发。
[0112]
考虑到参数n1＝0，n2＝0，本例无需额外在实际控制器中添模块对齐时延。以湍流风速作为输入，应用本发明的基于能量流等效的转动惯量补偿方法的风机动模实验平台在
转动惯量模拟倍数为100时的运行轨迹如图3所示。统计结果显示，当模拟倍数为100倍时，实验平台可以稳定运行，转速能够追踪风速的变化，运行转速与实际转速十分吻合。本发明方法在模拟大倍数转动惯量风机时具有较好的稳定性与准确性，满足试验台超过百倍的转动惯量模拟倍数模拟需求。
[0113]
与传统基于转速差分的转动惯量补偿策略相比，本发明提出的转动惯量补偿方法无需采集传动链信息，从根本上消除了加速度时滞，在模拟百倍数转动惯量风机时具有较好的稳定性与准确性。
[0114]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于能量流等效的风机动模实验平台转动惯量补偿方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1，对风机动模实验平台进行辨识，确定其转动惯量j
s
；步骤2，根据需要模拟的目标转动惯量，计算补偿转矩t
comp
，修正气动转矩指令t
s
；步骤3，获取风机动模实验平台拖动侧和被试侧控制回路的通信时滞；步骤4，根据时滞测量结果设计时延对齐模块，最终实现转动惯量补偿策略。2.根据权利要求1所述的基于能量流等效的风机动模实验平台转动惯量补偿方法，其特征在于，步骤1中转动惯量j
s
通过加减速平衡实验测量获得。3.根据权利要求1所述的基于能量流等效的风机动模实验平台转动惯量补偿方法，其特征在于，步骤2所述根据需要模拟的目标转动惯量，计算补偿转矩t
comp
，修正气动转矩指令t
s
，具体为：通过额外调节电网输入实验平台拖动端的能量，补偿转动惯量差异带来的旋转动能差异，使得实验平台小转动惯量对应的动能存储与释放叠加上电网的调节后，能量过程与被模拟大转动惯量对应的动能存储与释放过程一致；补偿转矩t
comp
的计算公式为：式中，t
a
为风机动模实验平台计算出的气动转矩，t
g
为风机动模实验平台控制器计算的电磁转矩，j
t
为需要模拟的目标转动惯量，j
s
为风机动模实验平台自身的转动惯量；修正后的气动转矩t
s
的计算公式为：t
s
＝t
a-t
comp
修正后的气动转矩t
s
即为风机动模实验平台拖动侧实际下发的转矩指令。4.根据权利要求3所述的基于能量流等效的风机动模实验平台转动惯量补偿方法，其特征在于，步骤3所述获取风机动模实验平台拖动侧和被试侧控制回路的通信时滞，具体过程包括：步骤3-1，采用转矩指令响应实验法，通过控制器向变频器下达转矩参考指令，在控制器中设置缓存数组，同时记录转矩指令序列以及变频器返回的转矩响应值序列，反馈值完全响应参考值的时间即为控制回路总时滞，由此获取拖动侧和被试侧控制回路时滞；步骤3-2，确定拖动侧控制回路时滞阶数a和被试侧控制回路时滞阶数b：式中，τ1是拖动侧控制回路通信时滞时长，τ2是被试侧控制回路时滞时长，t是系统的控制周期时长。5.根据权利要求4所述的基于能量流等效的风机动模实验平台转动惯量补偿方法，其特征在于，步骤4中设计时延对齐模块的具体步骤为：步骤4-1，根据步骤3获得的时滞阶数a和b，确定风机动模实验平台拖动侧控制回路的时延对齐参数n1和被试侧控制回路的时延对齐参数n2；当a<b时，参数取值规则为：
当a>b时，参数取值规则为：当a＝b时，认为两侧时滞已经对齐，参数n1和n2均取值为0；步骤4-2，在风机动模实验平台的实际控制器中，在拖动侧控制回路和被试侧控制回路添加延迟下发指令模块，令拖动侧指令延迟n1个控制周期再下发，令被试侧指令延迟n2个控制周期再下发。6.基于权利要求1至5任意一项所述方法的基于能量流等效的风机动模实验平台转动惯量补偿系统，其特征在于，所述系统包括：第一模块，用于对风机动模实验平台进行辨识，确定其转动惯量j
s
；第二模块，用于根据需要模拟的目标转动惯量，计算补偿转矩t
comp
，修正气动转矩指令t
s
；第三模块，用于获取风机动模实验平台拖动侧和被试侧控制回路的通信时滞；第四模块，用于根据时滞测量结果设计时延对齐模块，最终实现转动惯量补偿策略。7.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至5中任一项所述方法的步骤。8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至5中任一项所述方法的步骤。

技术总结
本发明公开了一种基于能量流等效的风机动模实验平台转动惯量补偿方法。本发明从能量角度出发，通过在风机动模实验平台上复现实际风电机组的能量流向，提出一种基于能量流等效的转动惯量补偿策略，获取风机动模实验平台的转动惯量，直接利用气动转矩和电磁转矩的理论值计算出补偿转矩，对实际下发的气动转矩指令进行计算修正，其次分别获取风机动模实验平台拖动侧和被试侧控制回路的通信时滞，最后根据测量结果确定时延对齐模块的参数。与传统基于转速差分的转动惯量补偿策略相比，本发明提出的转动惯量补偿方法无需采集传动链信息，从根本上消除了加速度时滞，在模拟百倍数转动惯量风机时具有较好的稳定性与准确性。风机时具有较好的稳定性与准确性。风机时具有较好的稳定性与准确性。


技术研发人员：殷明慧 丁逸凡 周连俊 杨炯明 陈载宇 霍雨翀 杨飞 赵大伟 卜京 邹云
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：2023.03.13
技术公布日：2023/6/7