非直驱风力机柔性传动特性的电动机模拟技术研究

Due to the influence of flexible torque torsional oscillation existing in the non-direct drive train, the transient stability of wind power system is reduced. To reproduce this dynamic process and improve the emulation accuracy, the emulation strategies and control methods of wind turbine emulator (WTE) are discussed in this project. A series of studies on scaled drive train model for megawatt wind turbine, emulation strategies of flexible drive characteristics, WTE stability and accuracy analysis, control methods of permanent magnet synchronous motor used as emulation motor are carried out. Considering the factor of the drive train shaft tensional flexibility，a two-mass wind turbine drive-train equivalent model and the motion model of the WTE are deduced using equivalent lump mass method. Based on the analysis, a flexible emulation strategy using electric motor with torque closed-loop control is proposed. Meanwhile, the applicability of the flexible emulation strategy especially the stability and accuracy affected by discrete digital control are studied. Then, the range of mechanical parameter values that can be emulated are discussed and the frequency bandwidth within which the emulation strategy operates accurately is analyzed. The proposed method can be used as the theoretical foundation for wind turbine flexible drive train emulation. Further, with the flexible behavior emulation ability of the WTE, transient experiment of wind power generation can be carried out conveniently.

针对非直驱风力机传动机构存在柔性扭矩振荡，会对风电机组暂态稳定性产生影响的特性，开展相关的模拟技术研究，以提高风力机模拟系统的动态模拟精度。重点对兆瓦级风力机传动机构缩比模型建模、柔性传动特性的模拟策略、模拟系统稳定性、模拟准确性以及采用永磁同步电机作为模拟电机时的控制方法进行研究。采用等效集中质量法，建立风力机柔性传动机构的二阶等效质量模型和模拟系统的传动模型，并以此为基础提出基于转矩闭环控制的电动机模拟风力机柔性传动特性的模拟策略。同时，对这种动态特性模拟策略的适用范围进行研究，理论分析离散化控制作用下模拟系统的稳定性和模拟准确性，对可模拟的机械参数范围以及可准确复现实际风力机动态特性的频带范围进行研究。以上研究内容为风力机柔性传动特性的模拟奠定了理论基础，构建的风力机模拟系统为风力发电暂态过程的实验研究提供了有力保障。

项目围绕非直驱风力机柔性传动特性的电动机模拟技术展开研究，针对关键问题进行了深入的理论分析、仿真和实验研究，取得的主要研究进展和重要结果如下所示：.1）首先对风速、风力机和传动机构的建模展开研究，采用适于随机信号描述的自回归模型构建了随机风速模型，并基于曲线拟合的方法得到了GE1.5MW风力机的气动功率模型。在此基础上，提出基于相似原理和标幺值方程一致准则构建大功率风力机缩比模型的建模方法，以缩比后的风力机模型作为模拟参考，可使小功率电机反映实际大功率风力机的运行特性，提高了模拟可信度。2）针对永磁同步电机直接转矩控制系统中定子磁链观测的问题，分析了逆变器死区效应对定子磁链观测准确性的影响，提出了一种考虑逆变器死区效应的定子磁链观测器。3）提出基于空间矢量调制的直接转矩控制系统中加入了谐波注入环节，进一步降低由于永磁同步电机非理想特性造成的转矩脉动。4）提出了一种基于转矩闭环控制的风力机柔性传动特性模拟方法。基于高速轴传递的转速与转矩一致的原则，推导了模拟电机的转矩计算方法，参考转矩中包括风力机高速轴的理论转矩和模拟电机转矩补偿项，模拟电机跟随参考值进行转矩闭环控制，实现了柔性传动风力机动态特性的模拟。5）对离散化控制作用下的模拟系统稳定性进行了分析，通过推导模拟系统的离散域传递函数，给出了可模拟的风力机转动惯量最大值。为拓展转动惯量的模拟范围，推导了加速度反馈回路增加低通滤波器后的系统特征根，阐述了滤波对提高系统稳定性的有益作用，并对保证系统稳定的最小滤波时间常数进行了计算。6）最后，采用实时仿真器RT-LAB作为控制器，设计了永磁同步电机风力机模拟系统的实验平台，为验证电机控制方法、风力机模拟策略和相关分析结论的正确性提供了可靠的实验条件；相关实验结果表明该模拟平台灵活度高、具有较强的拓展性，为实验室进行风力机发电技术的研究提供了有力的保障。