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专利名称：基于转动惯量补偿策略的风电机组试验台失稳辨识方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202211002178.0

专利申请（专利权）人：南京理工大学,国网江苏省电力有限公司电力科学研究院,江苏省电力试验研究院有限公司
权利人地址：江苏省南京市玄武区孝陵卫200号

专利发明（设计）人：殷明慧,盛天情,李群,李强,徐胜元,卜京,周连俊,陈载宇,汪成根,韩华春,邹云

专利摘要：本发明公开了一种基于转动惯量补偿策略的风电机组试验台失稳辨识方法，首先测量风电机组试验台通信时延及其转动惯量大。浯位袢》绲缁槭匝樘诓考扑愕钠刂噶、电磁转矩指令及拟模拟的风电机组转动惯量，进而实时估算每一时刻风电机组试验台稳定时的补偿转矩理论极限值，在此基础上，考虑噪声和阻尼补偿不准确等影响，对极限值进一步放大得到补偿转矩失稳判定边界，最后通过实时比较风电机组试验台真实采集的补偿转矩与补偿转矩失稳判定边界大小来监测风电机组试验台失稳与否。该方法能在风电机组试验台失稳发生的初期，在转速失稳振荡/飙升现象还未明显发生时，及时检测失稳状况，确保风电机组试验台在复杂应用环境下的安全稳定性。

主权利要求：
1.一种基于转动惯量补偿策略的风电机组试验台失稳辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，确定风电机组试验台所要模拟的风力机机型，确定风力机的转动惯量Jt；
步骤2，对风电机组试验台进行测试，确定风电机组试验台的转动惯量Js；
步骤3，对风电机组试验台进行测试，确定风电机组试验台的通信时滞k0：k0＝[τ/T]
式中，τ是通信时滞时长，T是风电机组试验台的PLC采样周期；
步骤4，读取并记录PLC第k?k0?1周期的气动转矩指令Ta[k?k0?1]，电磁转矩指令Tg[k?k0?1]；
步骤5，求取试验台稳定时，补偿转矩Tcomp[k]的理论最大极限值，并对其放大5％～10％得到补偿转矩失稳判定边界Tlim，其确定为：步骤6，实时读取PLC第k周期的补偿转矩Tcomp[k]采集值，将其与步骤5计算的Tlim比较大。盩comp[k]＞Tlim时，判定风电机组试验台失稳。
2.一种基于转动惯量补偿策略的风电机组试验台失稳辨识系统，其特征在于，基于权利要求1所述的方法实现，系统包括：第一模块，用于确定风电机组试验台所要模拟的风力机机型，确定风力机的转动惯量Jt；
第二模块，用于对风电机组试验台进行测试，确定风电机组试验台的转动惯量Js；
第三模块，用于对风电机组试验台进行测试，确定风电机组试验台的通信时滞k0；
第四模块，读取并记录PLC第k?k0?1周期的气动转矩指令Ta[k?k0?1]，电磁转矩指令Tg[k?k0?1]；
第五模块，求取试验台稳定时，补偿转矩Tcomp[k]的理论最大极限值，并对其放大5％～
10％得到补偿转矩失稳判定边界Tlim；
第六模块，实时读取PLC第k周期的补偿转矩Tcomp[k]采集值，将其与步骤5计算的Tlim比较大。盩comp[k]＞Tlim时，判定风电机组试验台失稳。
3.根据权利要求2所述的基于转动惯量补偿策略的风电机组试验台失稳辨识系统，其特征在于，第三模块中，风电机组试验台通讯时滞确定为：k0＝[τ/T]
式中，τ是通信时滞时长，T是风电机组试验台的PLC采样周期。
4.根据权利要求2所述的基于转动惯量补偿策略的风电机组试验台失稳辨识系统，其特征在于，第五模块中，计算的风电机组试验台稳定时补偿转矩失稳判定边界Tlim，其确定为：
5.一种计算机设备，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程序时实现权利要求1所述的方法的步骤。
6.一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，该程序被处理器执行时实现权利要求1所述的方法的步骤。
7.一种计算机程序产品，包括计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现权利要求1所述的方法的步骤。 说明书 : 基于转动惯量补偿策略的风电机组试验台失稳辨识方法技术领域[0001] 本发明属于风力机模拟器领域，具体涉及一种基于转动惯量补偿策略的风电机组试验台失稳辨识方法。背景技术[0002] 风力发电技术的健康快速发展离不开大量的试验测试和试验验证。由于在实际的风场开展实验极其困难且耗费时间，风电机组试验台(后简称试验台)使得研究人员在实验室开展风力机实验成为可能。由于试验台的转动惯量要远远小于实际风力机的转动惯量，为了能使试验台复现实际风力机的慢动态机械特性，目前主流的解决方案是采用转动惯量补偿策略对试验台的转动惯量进行虚拟补偿。[0003] 该惯量补偿策略稳定性依赖试验台通信时滞和转动惯量的准确测量。面对复杂多变的试验环境，电磁干扰抑或人为干扰等因素都可能导致试验台本身测定好的通信时滞发生改变；而另一方面，尤其对于MW级试验台而言，受限于测定方式和测量设备，其本身转动惯量也更难被准确测量。以金风开云优惠体育网页版入口6MW传动试验台为例，在主控PLC采样周期为100ms的情况下，不同时刻测定得到试验台驱动侧通信时滞在80～140ms变化，而试验台三次测量所得5 5 2的转动惯量测量值也在5.17×10～5.53×10kgm波动。[0004] 变化的时滞及被不准确测量的试验台惯量大小都可能导致原有试验台给定的镇定策略失效，致使试验台发生转速大幅度振荡失稳/飙升等现象，造成生产安全事故。[0005] 因此，基于上述情况，目前迫切需要一种试验台失稳辨识方法，以期在试验台还未发生明显转速失稳振荡/飙升的现象前，便能监测到试验台失稳状况，从而确保生产设备及实验人员安全。发明内容[0006] 本发明的目的在于针对上述现有技术存在的问题，提供一种基于转动惯量补偿策略的风电机组试验台失稳辨识方法。[0007] 实现本发明目的的技术解决方案为：第一方面，本发明提供一种基于转动惯量补偿策略的风电机组试验台失稳辨识方法，包括以下步骤：[0008] 步骤1，确定风电机组试验台所要模拟的风力机机型，确定风力机的转动惯量Jt；[0009] 步骤2，对风电机组试验台进行测试，确定风电机组试验台的转动惯量Js；[0010] 步骤3，对风电机组试验台进行测试，确定风电机组试验台的通信时滞k0；[0011] 步骤4，读取并记录PLC第k?k0?1周期的气动转矩指令Ta[k?k0?1]，电磁转矩指令Tg[k?k0?1]；[0012] 步骤5，求取试验台稳定时，补偿转矩Tcomp[k]的理论最大极限值，并对其放大5％～10％得到补偿转矩失稳判定边界Tlim；[0013] 步骤6，实时读取PLC第k周期的补偿转矩采集值Tcomp[k]，将其与步骤5计算的Tlim比较大。盩comp[k]＞Tlim时，判定风电机组试验台失稳。[0014] 进一步地，步骤3中试验台通信时滞k0公式为：[0015] k0＝[τ/T][0016] 式中，τ是通信时滞时长，T是风电机组试验台的主控PLC采样周期。[0017] 进一步地，步骤5中试验台稳定时，Tlim计算公式为：[0018][0019] 第二方面，本发明提供一种基于转动惯量补偿策略的风电机组试验台失稳辨识系统，包括：[0020] 第一模块，用于确定风电机组试验台所要模拟的风力机机型，确定风力机的转动惯量Jt；[0021] 第二模块，用于对风电机组试验台进行测试，确定风电机组试验台的转动惯量Js；[0022] 第三模块，用于对风电机组试验台进行测试，确定风电机组试验台的通信时滞k0；[0023] 第四模块，读取并记录PLC第k?k0?1周期的气动转矩指令Ta[k?k0?1]，电磁转矩指令Tg[k?k0?1]；[0024] 第五模块，求取试验台稳定时，补偿转矩Tcomp[k]的理论最大极限值，并对其放大5％～10％得到补偿转矩失稳判定边界Tlim；[0025] 第六模块，实时读取PLC第k周期的补偿转矩采集值Tcomp[k]，将其与步骤5计算的Tlim比较大。盩comp[k]＞Tlim时，判定风电机组试验台失稳。[0026] 第三方面，本发明提供一种计算机设备，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，所述处理器执行所述程序时实现第一方面所述的方法的步骤。[0027] 第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现第一方面所述的方法的步骤。[0028] 第五方面，本发明提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现第一方面所述的方法的步骤。[0029] 本发明与现有技术相比，其显著优点为：现有试验台普遍通过准确测取试验台通信时滞和转动惯量大小来给定滤波器进行试验台镇定，但未进一步考虑到复杂多变的应用环境导致测定参数发生变化，致使试验台失稳的情况；本发明提出了一种基于惯量补偿策略的试验台失稳辨识方法，通过在试验台主控PLC中获取当前时刻气动转矩指令、电磁转矩指令以及试验台转动惯量和模拟风机转动惯量，估算未来时刻稳定时，采集的补偿转矩极限值，并考虑噪声和阻尼补偿误差等因素对估算的极限值进一步放大5％～10％得到补偿转矩失稳判定边界，在此基础上，通过实时比较最终采集的补偿转矩数值和失稳判定边界大。磁卸ㄊ匝樘ㄊ欠袷。本发明在运用惯量补偿策略模拟大型风电机组机械动态的风电机组试验台上，进一步完善了其安全监测系统，确保了试验台在复杂工况下的安全稳定性。本发明简单易行，监测效果明显。[0030] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。附图说明[0031] 图1为本发明的基于转动惯量补偿策略的风电机组试验台失稳辨识方法流程图。[0032] 图2为15kW风电机组试验台结构拓扑图。[0033] 图3为本发明的考虑时延特性及采用高阶滤波器镇定时延影响的风电机组试验台离散化模型。[0034] 图4为15kW试验台因通信时滞变化导致失稳时，试验台转速轨迹对比及辨识方法辨识结果图。[0035] 图5为15kW试验台因试验台测定惯量不准导致失稳时，试验台转速轨迹对比及辨识方法辨识结果图。[0036] 图6为6MW试验台因通信时滞变化导致失稳时，试验台转速轨迹对比及辨识方法辨识结果图。具体实施方式[0037] 针对风电机组试验台因操作人员操作不当或外界环境改变等因素致其失稳从而危及实验室安全问题，本发明提出一种基于转动惯量补偿策略的风电机组试验台失稳辨识方法，如图1所示，该方法在现有考虑时延特性及采用高阶滤波器镇定时延影响的风电机组试验台离散化模型的基础上，首先通过测量风电机组试验台通信时延及其转动惯量大。浯位袢》绲缁槭匝樘诓考扑愕钠刂噶、电磁转矩指令及拟模拟的风电机组转动惯量，进而实时估算每一时刻风电机组试验台稳定时的补偿转矩理论极限值，在此基础上，考虑噪声和阻尼补偿不准确等影响，对该极限值进一步放大得到补偿转矩失稳判定边界，最后通过实时比较风电机组试验台真实采集的补偿转矩与补偿转矩失稳判定边界大小来监测风电机组试验台失稳与否。本发明所提的失稳辨识方法能在风电机组试验台失稳发生的初期，在转速失稳振荡/飙升现象还未明显发生时，便能及时检测失稳状况，确保风电机组试验台在复杂应用环境下的安全稳定性。[0038] 下面结合实施例和附图对本发明做进一步详细的描述。[0039] 实施例1[0040] 利用南京理工大学15kW风电机组试验台对本发明提出的失稳辨识方法进行验证。15kW试验台采用功率硬件在环的形式构建，其主要由驱动变频器、额定功率为15kW的拖动电机、发电机、并网变流器、主控PLC等组成。[0041] 15kW试验台通过主控PLC下发控制指令实现驱动变频器和被试变流器的功率控制。其工作原理为：大电网经变压器给驱动变频器供电，驱动变频器受主控PLC的控制驱动15kW拖动电机运转；15kW拖动电机和被试机组之间通过联轴器连接，15kW动电机带动被试机组转动，被试变流器受主控PLC的控制将被试机组发出的电能回馈至拖动端，为驱动变频器和15kW拖动电机的运行提供能量，以此构成电能回馈结构。15kW试验台的结构拓扑图如图2所示。[0042] 被试机组的额定功率一般小于等于15kW。本次动模实验的模拟对象为0.6MW的风电机组，其参数如下。[0043] 表10.6MW风电机组的机型参数[0044][0045] 应用本发明的基于转动惯量补偿策略的风电机组试验台失稳辨识方法，如图3中所示，具体实施为以下步骤：[0046] 步骤1，确定试验台所要模拟的风力机机型为NREL提供的CART3机型，确定该风力机低速侧转动惯量折算至高速侧，并进行等电气容量缩放后的风力机集总惯量Jt＝26.6kgm；[0047] 步骤2，对试验台进行测试，确定试验台的转动惯量Js＝0.72kgm2；[0048] 步骤3，对试验台进行测试，测量得到通信时滞约为120ms，主控PLC采样周期为40ms，确定k0＝3；[0049] 步骤4，实时读取PLC第k?4周期的气动转矩指令Ta[k?4]，电磁转矩指令Tg[k?4]；[0050] 步骤5，求取试验台稳定时，补偿转矩Tcomp[k]的理论最大极限值，并放大5％得到补偿转矩失稳判定边界Tlim:[0051][0052] 步骤6，读取PLC第k周期的补偿转矩采集值Tcomp[k]，将其与步骤5计算的Tlim比较大。盩comp[k]＞Tlim时，则判定试验台失稳。[0053] 应用本发明的基于转动惯量补偿策略的风电机组试验台失稳辨识方法的实验结果如图4、图5所示。实验首先在实验前15s对试验台采用恒转矩控制使得试验台启动转速稳定：1)在15s后通过延迟一控制周期下发转矩指令模拟试验台时滞改变导致试验台失稳的现象，振荡辨识结果如图4所示，图中红色实线为失稳时的转速轨迹，黑色点划线为试验台正常运行时的转速轨迹，图中可见在开始失稳第4.8s，该辨识方法便检测出试验台失稳；2)通过只改变给定的试验台测定转动惯量Js为原来的0.8倍，即Js'＝0.8Js，模拟试验台因测定惯量不准而导致失稳的情形，得到的辨识方法结果如图5所示，图中红色实线为失稳时的转速轨迹，黑色点划线为试验台正常运行时的转速轨迹，从图中可以看出，该辨识方法在失稳第1.32s时便能检测出试验台失稳状况。从以上两次失稳实验的转速轨迹中可以看出，本发明所提出的基于惯量补偿策略的试验台失稳辨识方法能在转速失稳振荡/飙升初期，便能监测到试验台失稳状况。[0054] 实施例2[0055] 通过金风开云优惠体育网页版入口6MW风电机组试验台对本发明所提的试验台失稳辨识方法进行实验。试验台的结构拓扑与实施例1类似，不同点在于拖动电机与被试电机的额定功率为6MW。本次动模实验模拟对象为1.5MW风电机组，其参数见表2。[0056] 表21.5MW风电机组的机型参数[0057][0058] 应用本发明的无速度传感器的大型风电试验台机械动态模拟方法，具体实施为以下步骤：[0059] 步骤1，确定该风力机的集总惯量Jt＝5.16×106kgm2；[0060] 步骤2，对试验台进行测试，确定试验台的平均转动惯量Js＝5.32×105kgm2；[0061] 步骤3，对试验台进行测试，测量得到通信时滞约为100ms，主控PLC采样周期为100ms，确定k0＝1；[0062] 步骤4，实时读取PLC第k?2周期的气动转矩指令Ta[k?2]，电磁转矩指令Tg[k?2]；[0063] 步骤5，求取试验台稳定时补偿转矩Tcomp[k]的理论最大极限值，并放大5％得到补偿转矩失稳判定边界Tlim:[0064][0065] 步骤6，读取PLC第k周期的补偿转矩采集值Tcomp[k]，将其与步骤5计算的Tlim比较大。盩comp[k]＞Tlim时，则判定试验台失稳。[0066] 应用本发明的基于转动惯量补偿策略的风电机组试验台失稳辨识方法的实验结果如图6所示。首先试验台通过恒转矩控制使得试验台启动并稳定在一恒转速状态，在第0s后进行惯量补偿，并延迟一个控制周期下发指令，用以模拟通信时滞变化的情形，得到其失稳时的转速/转矩轨迹如图6所示。从图中可以看出，补偿转矩幅值呈发散趋势，试验台转速开始小幅度振荡失稳，在3.8s时，失稳辨识方法便能检测出试验台失稳状态，并开始进入失稳保护阶段。

专利地区：江苏

专利申请日期：2022-08-21

专利公开日期：2024-11-29

专利公告号：CN115405474B