本發(fā)明涉及風(fēng)電地面試驗平臺模擬，尤其是涉及一種考慮柔性薄壁筒影響的風(fēng)電地面試驗平臺模擬方法，適用于含非扭矩加載裝置及柔性薄壁筒環(huán)節(jié)的全尺寸風(fēng)電地面試驗平臺。

背景技術(shù)：

1、海上風(fēng)電是全球風(fēng)電發(fā)展的主要方向之一，但面臨機(jī)組大型化、并網(wǎng)送出方式多樣、運行工況和并網(wǎng)特性復(fù)雜等挑戰(zhàn)。為了保障海上風(fēng)電的可靠運行和友好并網(wǎng)，亟需建設(shè)具備海上風(fēng)電并網(wǎng)試驗和檢測能力的試驗臺。考慮到海上風(fēng)電的現(xiàn)場測試受環(huán)境及電網(wǎng)條件制約，測試工況不可控，導(dǎo)致測試成本高、周期長、結(jié)果不全面。全尺寸風(fēng)電地面試驗平臺可以在陸地上模擬實際風(fēng)場條件、驗證風(fēng)機(jī)性能、測試關(guān)鍵部件，大大降低了測試成本和風(fēng)險的同時也縮短了測試周期，加快了產(chǎn)品研發(fā)和上市速度。首先全尺寸風(fēng)電地面試驗平臺可以為我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)鏈提供一個協(xié)同創(chuàng)新及合作的平臺，提升整個風(fēng)電產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)水平，增強(qiáng)我國在全球海上風(fēng)電市場的競爭力。其次擁有全尺寸風(fēng)電地面試驗平臺可以為我國在國際標(biāo)準(zhǔn)制定中提供有力的數(shù)據(jù)支撐，使我國能夠積極參與并主導(dǎo)國際風(fēng)電標(biāo)準(zhǔn)的制定，提升我國在風(fēng)電領(lǐng)域的國際影響力和話語權(quán)，為我國海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)走向國際化發(fā)展創(chuàng)造有利條件。

2、采用電機(jī)模擬實際風(fēng)輪已經(jīng)有了諸多案例。當(dāng)模擬目標(biāo)為動態(tài)風(fēng)速下的風(fēng)輪時，拖動電機(jī)就不可避免要考慮風(fēng)輪與拖動電機(jī)之間轉(zhuǎn)動慣量的差異，這里有兩種慣量補償方式。第一種通過加裝飛輪、齒輪箱等機(jī)械裝置進(jìn)行轉(zhuǎn)動慣量的物理補償。第二種采用補償算法實現(xiàn)轉(zhuǎn)動慣量的電補償，這里分為轉(zhuǎn)矩控制與轉(zhuǎn)速控制下的拖動電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。物理補償?shù)淖龇ㄍ度氤杀靖咔覠o法靈活調(diào)整試驗臺轉(zhuǎn)動慣量的配置，因此目前大多數(shù)風(fēng)電試驗臺采用轉(zhuǎn)動慣量電補償?shù)姆绞健Ｃ嫦蜣D(zhuǎn)矩控制下的風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)，如何立君等在《電力工程技術(shù)》(2018,37(05)：14-19)上發(fā)表的《實現(xiàn)氣動-彈性耦合模擬的風(fēng)機(jī)模擬器》指出基于轉(zhuǎn)速微分的轉(zhuǎn)矩補償算法，其不穩(wěn)定的根本原因是由加速度觀測中產(chǎn)生的一步時間延遲引起的，因此采用一階數(shù)字濾波器來減輕時間引起的偏差響應(yīng)補償轉(zhuǎn)矩。而郭鴻浩等在《中國電機(jī)工程學(xué)報》(2013,33(27)：145-153)上發(fā)表的《基于負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測的風(fēng)力機(jī)動靜態(tài)特性模擬》對模擬轉(zhuǎn)動慣量與數(shù)字濾波器的濾波時間常數(shù)進(jìn)行深入分析后指出，隨著轉(zhuǎn)動慣量模擬倍數(shù)的增加，濾波器的濾波深度也相應(yīng)加深，但深度的低通濾波將使動態(tài)模擬的準(zhǔn)確度降低。孟巖峰等在《高電壓技術(shù)》(2019,45(12)：4021-4028)上發(fā)表的《適用于風(fēng)電機(jī)組傳動鏈地面測試的改進(jìn)型風(fēng)力機(jī)動態(tài)模擬方法》設(shè)計了加速度觀測器，以避免對速度的求導(dǎo)計算，并對轉(zhuǎn)速噪聲具有抑制作用，但觀測器的引入會使模擬系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，需要較大的計算量。綜合上述文獻(xiàn)，均是圍繞小容量風(fēng)電試驗平臺開展研究，一般由一臺拖動電機(jī)作為原動機(jī)模擬來自風(fēng)輪的氣動轉(zhuǎn)矩，經(jīng)聯(lián)軸器與機(jī)械飛輪將扭矩直接傳遞到發(fā)電機(jī)。由于容量較小所以軸系傳遞的扭矩較小，并且僅僅是單自由度拖動測試沒有安裝軸系非扭矩加載裝置，扭轉(zhuǎn)力矩由拖動電機(jī)到發(fā)電機(jī)的傳遞路徑較為簡單，可以近似將整個傳動系統(tǒng)看作是剛性的，因此拖動電機(jī)參考信號只需考慮模擬實際機(jī)組的轉(zhuǎn)動慣量及柔性傳動特性。小容量試驗平臺傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

3、而隨著機(jī)組大型化的快速發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組各關(guān)鍵部件承受巨大且異常復(fù)雜的機(jī)械載荷，除主軸扭轉(zhuǎn)方向的扭矩模擬之外，必要對非扭轉(zhuǎn)方向承受載荷的影響進(jìn)行模擬，這就需要在拖動電機(jī)與被測機(jī)組主軸之間增加一個多自由度非扭矩加載裝置。又由于實際風(fēng)電機(jī)組的葉輪為懸掛狀態(tài)的自由端，而全尺風(fēng)電地面試驗平臺中用于模擬風(fēng)力機(jī)的拖動電機(jī)由軸承和支撐裝置固定，為一個非自由端。因此，在五自由度加載的同時，必要在拖動電機(jī)與非扭矩加載裝置之間加裝一個柔性薄壁筒，如圖2所示。

4、但是現(xiàn)有研究和地面試驗平臺的建設(shè)中均沒有考慮柔性薄壁筒對被測機(jī)組的影響。而全尺寸風(fēng)電地面試驗平臺采用低速大扭矩電機(jī)拖動被測風(fēng)電機(jī)組，受其柔性薄壁筒軸系的彈性特性影響，軸系會出現(xiàn)較大的扭轉(zhuǎn)變形即扭轉(zhuǎn)角度增大。這種變形在一定程度上會導(dǎo)致系統(tǒng)的響應(yīng)滯后，即輸入和輸出之間存在相位差，將降低試驗臺模擬精度。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是為了提供一種考慮柔性薄壁筒影響的風(fēng)電地面試驗平臺模擬方法。

2、本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

3、一種考慮柔性薄壁筒影響的風(fēng)電地面試驗平臺模擬方法，該方法基于全尺寸風(fēng)電地面試驗平臺的被測風(fēng)電機(jī)組與實際風(fēng)電機(jī)組的軸系及發(fā)電機(jī)完全一致的前提，依據(jù)被測風(fēng)電機(jī)組與實際風(fēng)電機(jī)組輸入大小相同的風(fēng)速信號后產(chǎn)生的能量相同的結(jié)論，基于能量守恒定律，在保持被測風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩與實際風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩一致后，通過控制拖動電機(jī)轉(zhuǎn)速使被測風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與實際風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速相等，來還原實際風(fēng)輪的動態(tài)特性，實現(xiàn)風(fēng)電地面試驗平臺模擬。

4、所述實際風(fēng)電機(jī)組與被測風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)及風(fēng)力機(jī)主軸參數(shù)一致，實際風(fēng)電機(jī)組與全尺寸風(fēng)電地面試驗平臺的機(jī)械參數(shù)差別為實際風(fēng)輪與拖動電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量的差異、實際風(fēng)電機(jī)組軸系與全尺寸風(fēng)電地面試驗平臺整體軸系的等效剛度與阻尼系數(shù)的差異。

5、所述方法包括以下步驟：

6、建立全尺寸風(fēng)電地面試驗平臺扭轉(zhuǎn)方向的軸系模型和實際風(fēng)電機(jī)組的軸系模型；

7、以被測風(fēng)電機(jī)組與實際風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩一致為前提，利用實際風(fēng)電機(jī)組與全尺寸風(fēng)電地面試驗平臺柔性薄壁筒環(huán)節(jié)各自軸系等效剛度及阻尼參數(shù)，得到全尺寸風(fēng)電地面試驗平臺拖動電機(jī)的參考轉(zhuǎn)速信號；

8、基于參考轉(zhuǎn)速信號控制全尺寸風(fēng)電地面試驗平臺進(jìn)行模擬。

9、所述方法的控制過程為：

10、獲取輸入的風(fēng)速；

11、基于風(fēng)速，利用風(fēng)力機(jī)氣動模型計算風(fēng)力機(jī)氣動轉(zhuǎn)矩；

12、基于風(fēng)力機(jī)氣動轉(zhuǎn)矩，利用實際風(fēng)電機(jī)組的軸系模型與軸系參數(shù)計算出實際風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速；

13、利用全尺寸風(fēng)電地面試驗平臺軸系與實際風(fēng)電機(jī)組主軸軸系各自的等效剛度與阻尼系數(shù)計算得到拖動電機(jī)的參考轉(zhuǎn)速信號；

14、拖動電機(jī)根據(jù)參考轉(zhuǎn)速信號執(zhí)行控制，帶動被測風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，被測風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)經(jīng)過最優(yōu)轉(zhuǎn)矩控制后，將其轉(zhuǎn)速輸入至風(fēng)力氣動模型完成整個模擬過程的閉環(huán)控制。

15、所述全尺寸風(fēng)電地面試驗平臺扭轉(zhuǎn)方向的軸系模型的建立具體為：

16、基于兩質(zhì)量塊模型，針對扭轉(zhuǎn)方向上的影響因素，忽略五自由度非扭矩加載裝置對扭轉(zhuǎn)力矩的影響，運用平行軸原理將薄壁筒和風(fēng)力機(jī)主軸兩段不同剛度的柔性傳動軸系等價成一段柔性傳動軸，并忽略拖動電機(jī)摩擦系數(shù)和發(fā)電機(jī)摩擦系數(shù)，構(gòu)建得到全尺寸風(fēng)電地面試驗平臺扭轉(zhuǎn)方向的軸系模型。

17、所述全尺寸風(fēng)電地面試驗平臺扭轉(zhuǎn)方向的軸系模型的數(shù)學(xué)方程表示為：

18、

19、式中：ωm為拖動電機(jī)轉(zhuǎn)速，ωg'為被測風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速；tm為拖動電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，tsm為全尺寸風(fēng)電地面試驗平臺軸系傳遞扭矩，tg'為被測風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩；jm為拖動電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量，jg為被測風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量；dmtg為全尺寸風(fēng)電地面試驗平臺整體柔性軸系的等效阻尼系數(shù)，kmtg為全尺寸風(fēng)電地面試驗平臺整體柔性軸系的等效剛度系數(shù)。

20、所述全尺寸風(fēng)電地面試驗平臺整體柔性軸系的等效阻尼系數(shù)dmtg由下式計算得到：

21、dmtg＝dmt+dwtg

22、式中：dwtg為被測風(fēng)電機(jī)組柔性主軸的等效阻尼系數(shù)，dmt為全尺寸風(fēng)電地面試驗平臺柔性薄壁筒的等效阻尼系數(shù)。

23、所述全尺寸風(fēng)電地面試驗平臺整體柔性軸系的等效剛度系數(shù)kmtg根據(jù)平行軸原理確定：

24、

25、式中：kwtg為被測風(fēng)電機(jī)組柔性主軸的等效剛度系數(shù)，kmt為全尺寸風(fēng)電地面試驗平臺柔性薄壁筒的等效剛度系數(shù)。

26、所述實際風(fēng)電機(jī)組的軸系模型的建立具體為：

27、對實際風(fēng)電機(jī)組的傳動結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，基于兩質(zhì)量塊模型，忽略風(fēng)力機(jī)摩擦系數(shù)和發(fā)電機(jī)摩擦系數(shù)，構(gòu)建實際風(fēng)電機(jī)組的軸系模型，其數(shù)學(xué)方程表示為：

28、

29、式中：ωwt為實際風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，ωg為實際風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速；twt為實際風(fēng)力機(jī)氣動轉(zhuǎn)矩，ts為實際風(fēng)電機(jī)組軸系傳遞扭矩，tg為實際風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩；jwt為風(fēng)輪轉(zhuǎn)動慣量，jg為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量；kwtg為實際風(fēng)電機(jī)組柔性主軸的等效剛度系數(shù)，dwtg為實際風(fēng)電機(jī)組柔性主軸的等效阻尼系數(shù)。

30、所述參考轉(zhuǎn)速信號的計算過程為：

31、全尺寸風(fēng)電地面試驗平臺輸入風(fēng)速信號v后，根據(jù)風(fēng)力機(jī)氣動模型與實際風(fēng)電機(jī)組的軸系模型，求解出實際風(fēng)電機(jī)組的實際風(fēng)輪轉(zhuǎn)速ωwt、軸系傳遞扭矩ts和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速ωg；

32、全尺寸風(fēng)電地面試驗平臺采用無齒輪箱的傳動系統(tǒng)，不存在速比轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，則全尺寸風(fēng)電地面試驗平臺軸系傳遞扭矩tsm與實際風(fēng)電機(jī)組軸系傳遞扭矩ts相同，全尺寸風(fēng)電地面試驗平臺軸系傳遞扭矩tsm與實際風(fēng)電機(jī)組軸系傳遞扭矩ts的拉普拉斯表達(dá)式為：

33、

34、根據(jù)tsm＝ts聯(lián)立上述兩個拉普拉斯表達(dá)式，以拖動電機(jī)轉(zhuǎn)速ωm作為待求解參數(shù)，并根據(jù)被測風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速ωg'與實際風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速ωg相等，帶入實際風(fēng)電機(jī)組與全尺寸風(fēng)電地面試驗平臺的軸系參數(shù)、實際風(fēng)電機(jī)組中計算得出的實際風(fēng)輪轉(zhuǎn)速ωwt及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速ωg，將求得的拖動電機(jī)轉(zhuǎn)速ωm作為拖動電機(jī)的參考轉(zhuǎn)速信號ωmref，其表達(dá)式如下：

35、

36、式中：s為拉普拉斯算子，dmtg為全尺寸風(fēng)電地面試驗平臺整體柔性軸系的等效阻尼系數(shù)，kmtg為全尺寸風(fēng)電地面試驗平臺整體柔性軸系的等效剛度系數(shù)，kwtg為實際風(fēng)電機(jī)組柔性主軸的等效剛度系數(shù)，dwtg為實際風(fēng)電機(jī)組柔性主軸的等效阻尼系數(shù)。

37、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

38、針對全尺寸風(fēng)電地面試驗平臺采用低速大扭矩電機(jī)拖動被測風(fēng)電機(jī)組，受其柔性薄壁筒軸系的彈性特性影響，而導(dǎo)致的系統(tǒng)的響應(yīng)滯后，試驗平臺模擬精度降低問題，本發(fā)明提供一種考慮柔性薄壁筒環(huán)節(jié)的全尺寸風(fēng)電地面試驗平臺模擬方法，通過構(gòu)建全尺寸風(fēng)電地面試驗平臺扭轉(zhuǎn)方向的軸系模型和實際風(fēng)電機(jī)組的軸系模型，并以被測風(fēng)電機(jī)組與實際風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩一致為前提，利用實際風(fēng)電機(jī)組與全尺寸風(fēng)電地面試驗平臺柔性薄壁筒各自軸系等效剛度及阻尼參數(shù)，推導(dǎo)出全尺寸風(fēng)電地面試驗平臺拖動電機(jī)的轉(zhuǎn)速參考信號，從而實現(xiàn)全尺寸風(fēng)電地面試驗平臺拖動電機(jī)的控制，確保了被測風(fēng)電機(jī)組與實際風(fēng)電機(jī)組的運行工況基本一致，提升了全尺寸風(fēng)電地面試驗平臺扭轉(zhuǎn)方向上模擬程度的準(zhǔn)確性。