1、風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)采用電動(dòng)機(jī)模擬真實(shí)風(fēng)場(chǎng)環(huán)境下風(fēng)力機(jī)的輸出特性，以驅(qū)動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行，其不受自然環(huán)境限制，可靈活地設(shè)定實(shí)驗(yàn)條件，有效地提高了研究效率，是實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電技術(shù)研究的基礎(chǔ)。無(wú)刷直流電機(jī)具有功率密度高、控制簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，基于無(wú)刷直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)特性模擬時(shí)，有利于簡(jiǎn)化系統(tǒng)的控制復(fù)雜性；同時(shí)對(duì)于優(yōu)化無(wú)刷直流電機(jī)的控制性能、拓展其應(yīng)用范圍也具有重要的理論和應(yīng)用價(jià)值。
　　本文的研究?jī)?nèi)容緊密?chē)@基于無(wú)刷直流電機(jī)的風(fēng)力機(jī)模擬系

2、統(tǒng)的控制技術(shù)展開(kāi)，結(jié)合理論推導(dǎo)、仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等方法，重點(diǎn)對(duì)風(fēng)力機(jī)建模、動(dòng)靜態(tài)特性的模擬策略、模擬系統(tǒng)穩(wěn)定性、模擬準(zhǔn)確性以及采用無(wú)刷直流電機(jī)作為模擬電機(jī)時(shí)的控制方法進(jìn)行了研究。
　　風(fēng)力機(jī)特性模擬需要建立實(shí)際風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，以提供模擬參考。為此首先對(duì)風(fēng)速、風(fēng)力機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的建模展開(kāi)研究，采用適于隨機(jī)信號(hào)描述的自回歸模型構(gòu)建了隨機(jī)風(fēng)速模型，并基于曲線(xiàn)擬合的方法得到了GE1.5MW風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)功率模型。在此基礎(chǔ)上，提出基于相似

3、原理和標(biāo)幺值方程一致準(zhǔn)則構(gòu)建大功率風(fēng)力機(jī)縮比模型的建模方法，以縮比后的風(fēng)力機(jī)模型作為模擬參考，可使小功率電機(jī)反映實(shí)際大功率風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行特性，提高了模擬可信度。
　　在構(gòu)建了實(shí)際機(jī)組的數(shù)學(xué)模型后，考慮摩擦系數(shù)差異對(duì)穩(wěn)態(tài)時(shí)機(jī)械功率輸出的影響，采用機(jī)電類(lèi)比的方法，推導(dǎo)了基于轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制的風(fēng)力機(jī)穩(wěn)態(tài)特性模擬策略，并對(duì)采用無(wú)刷直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)該模擬策略時(shí)的轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制方法進(jìn)行了研究。為解決無(wú)刷直流電機(jī)非理想梯形波反電動(dòng)勢(shì)對(duì)其轉(zhuǎn)矩控制的影響，設(shè)計(jì)

4、了滑模觀(guān)測(cè)器對(duì)反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)；定量分析了電阻、電感參數(shù)偏差對(duì)觀(guān)測(cè)結(jié)果和轉(zhuǎn)矩計(jì)算結(jié)果的影響；并基于李雅普諾夫穩(wěn)定性理論，提出了電機(jī)定子參數(shù)的在線(xiàn)辨識(shí)方法，從而有效地增強(qiáng)了滑模觀(guān)測(cè)器的參數(shù)抗擾性與觀(guān)測(cè)精度。在此基礎(chǔ)上，對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩閉環(huán)調(diào)制策略進(jìn)行研究，推導(dǎo)了每個(gè)開(kāi)關(guān)周期所需的占空比值，并將反電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩觀(guān)測(cè)值用于占空比計(jì)算，提高了非理想反電動(dòng)勢(shì)情況下，無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制的穩(wěn)態(tài)精度與動(dòng)態(tài)跟蹤性能。
　　風(fēng)力機(jī)動(dòng)態(tài)

5、特性的模擬需要補(bǔ)償模擬電機(jī)與實(shí)際風(fēng)機(jī)之間轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的差異，且補(bǔ)償量正比于系統(tǒng)加速度。為準(zhǔn)確獲取無(wú)刷直流電機(jī)的加速度值，提出以反電動(dòng)勢(shì)歸一化值作為位置信號(hào)源，利用擴(kuò)展卡爾曼濾波器從中估計(jì)電機(jī)加速度的方法。估計(jì)算法中所需的反電動(dòng)勢(shì)來(lái)自于滑模觀(guān)測(cè)結(jié)果，而歸一化處理可減小信號(hào)中的高次諧波含量并消除轉(zhuǎn)速和磁鏈系數(shù)的影響，從而有利于位置信號(hào)的提取以實(shí)現(xiàn)加速度估計(jì)；同時(shí)估計(jì)算法考慮了電磁轉(zhuǎn)矩對(duì)加速度的影響，使得估計(jì)結(jié)果具有較快的響應(yīng)速度。
　　在

6、實(shí)現(xiàn)加速度的準(zhǔn)確獲取后，對(duì)這種動(dòng)態(tài)特性模擬策略的適用范圍進(jìn)行研究。首次對(duì)離散化控制作用下的模擬系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，通過(guò)推導(dǎo)模擬系統(tǒng)的離散域傳遞函數(shù)，給出了可模擬的風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最大值。為拓展轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的模擬范圍，推導(dǎo)了加速度反饋回路增加低通濾波器后的系統(tǒng)特征根，闡述了濾波對(duì)提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的有益作用，并對(duì)保證系統(tǒng)穩(wěn)定的最小濾波時(shí)間常數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。在此基礎(chǔ)上，采用頻域特性曲線(xiàn)對(duì)比的方法，分析模擬系統(tǒng)在離散化控制和濾波器作用下的模擬準(zhǔn)確性，得

7、到了可準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)實(shí)際風(fēng)力機(jī)動(dòng)態(tài)特性的頻帶范圍。
　　加速度反饋的模擬策略在實(shí)現(xiàn)大慣量風(fēng)力機(jī)模擬時(shí)，必須增加低通濾波器以保證系統(tǒng)穩(wěn)定但會(huì)降低模擬準(zhǔn)確性。為解決穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性之間的矛盾，提出了基于負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀(guān)測(cè)的風(fēng)力機(jī)模擬策略，并對(duì)采用該模擬策略后的模擬系統(tǒng)穩(wěn)定性與模擬準(zhǔn)確性進(jìn)行了詳細(xì)分析。設(shè)計(jì)了滑模狀態(tài)觀(guān)測(cè)器對(duì)模擬策略中所需的負(fù)載轉(zhuǎn)矩值進(jìn)行實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)，并分析了機(jī)械參數(shù)偏差對(duì)觀(guān)測(cè)結(jié)果的影響；根據(jù)觀(guān)測(cè)誤差與參數(shù)偏差的符號(hào)關(guān)系，提出了兩段式的機(jī)

8、械參數(shù)辨識(shí)方法，實(shí)現(xiàn)了摩擦系數(shù)與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的獨(dú)立辨識(shí)，從而可有效地避免參數(shù)誤差對(duì)模擬效果產(chǎn)生的不利影響。在此基礎(chǔ)上，對(duì)模擬系統(tǒng)的離散域傳遞函數(shù)進(jìn)行了推導(dǎo)與分析，分析結(jié)果表明，采用該模擬策略后，模擬系統(tǒng)與實(shí)際風(fēng)力機(jī)具有相同的判穩(wěn)條件，離散化控制不會(huì)引入額外的不穩(wěn)定因素；相較于加速度反饋的模擬策略，基于負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀(guān)測(cè)的模擬策略穩(wěn)定性更高，且可在更寬的頻帶范圍內(nèi)準(zhǔn)確地模擬實(shí)際風(fēng)力機(jī)特性。
　　最后，采用實(shí)時(shí)仿真器RT-LAB作為控制器，設(shè)計(jì)