文献综述
风力机模拟器失稳辨识方法的设计与实现
风力机是风力发电系统中机电能量转换的重要组成部分，随着风力发电技术的日益发展，风电机组单机容量不断提高，在研制其的过程中对实验测试的需求也在不断增加，但受制于资金、场地以及实验周期等因素的限制，研究人员常常难以做到实地进行风力机实验。为了解决该问题，研究人员目前常用的方法是利用能模拟实际风机缓慢机械动态的风力机模拟器（Wind Turbine Simulator, WTS）来代替实际风机进行实验。因此，WTS能否精确模拟实际风机的具体特征是研究整个风电系统的关键所在。
目前的风力机模拟器类型主要集中于关注风力机机械动态特性以及相关主控算法设计验证，这类模拟器按照拖动侧电机控制方式分类，还可进一步划分为转矩闭环控制[1]和转速闭环控制[2-5]两类模拟设备。其中转速闭环控制由于实际风力机的运行状态在气动转矩和电磁转矩的共同作用下发生变化而不能够反映风机运行时传动链真实的状态。所以目前主流做法是对风力机模拟器拖动侧采取转矩闭环控制的方式进行控制，它的实质是在电机转轴两端，通过电动机与发电机产生不平衡的拖动转矩和电磁转矩进行控制。在不平衡转矩的作用下，风力机模拟器会表现出相应的转速动态。相比转速闭环控制，这种控制方式下的风力机模拟器更能真实的反映实际风力机传动链在风轮气动转矩和发电机电磁转矩共同作用下表现出转速特性的过程。[6]
在采用转矩闭环控制时，由于风力机模拟器运行原理与实际风力机相同，但风力机模拟器转动惯量却往往远小于需要模拟的风力机转动惯量，两者间巨大的转动惯量差异，会导致两者在相同的不平衡转矩作用下，风力机模拟器表现的机械动态远远快于实际风力机，且对于转动惯量越大的实际风机，这种差异越明显。因此在采取这种控制方法时往往必须进行转动惯量补偿以保证风力机模拟器的运行稳定性和可靠性。然而在采用传统惯量补偿方案时，风力机模拟器又会出现振荡失稳的问题。
对于风力模拟器振荡失稳，研究人员在对采用传统转动惯量补偿策略的小功率实验台进行实验分析发现，当实验台模拟大转动惯量风电机组时，其转速会随着时间变化不断上升至较高的转速范围并不断振荡，从而导致实验台系统发生振荡失稳[6]。对于这种小惯量实验台模拟风电机组机械动态时系统出现振荡失稳的现象，文献[6]通过对传统惯量补偿的原理进行分析，发现了导致失稳的关键因素：基于连续时间域设计的传动转动惯量补偿策略在应用至离散的数字控制系统中时，反馈补偿所使用的加速度相对于系统实际加速度会不可避免的存在一步时滞。并在此之上提出了在惯量补偿回路运用一阶滤波器的方法，来使系统在模拟高惯量风电机组机械动态时系统维持稳定。但文献[6]在风力机模拟器上实际应用该镇定方法时发现，当滤波器参数值给的相当高时，模拟器最大能模拟的最大转动惯量倍数仍旧很有限，模拟器实际能模拟的最大转动惯量倍数实际值远小于预期理论值，所以采用一阶滤波器来镇定系统失稳的方法并不实用。对于这种现状，文献[6]通过实验和物理机理分析发现，导致出现该现象的原因在于：数字控制系统与实验台之间存在不容忽视的通信时滞。这一未建模部分会导致补偿转矩回路采用一阶滤波器镇定效果甚微。接着，文献[6]提出了考虑到通信时滞影响后，通过将系统通信时滞近似等价为与周期时间有关的常系数变量，将补偿转矩回路的一阶滤波器替换成高阶滤波器的方法，做到了既提高系统实际能模拟的转动惯量倍数，又保证了WTS通过在补偿转矩回路运用高阶滤波器后，仍能实现模拟高转动惯量风机的机械动态。
随着风力发电技术的发展，MW级的风力机模拟器成为了研究的关键与难点。导致运用传统惯量补偿策略的传动实验台失稳的主要因素在于实验台控制系统受：1）转速差分运算带来的加速度时滞2）数字控制系统和试验台数据交互间存在的通信时滞的影响[8]。而上述采用高阶滤波器进行失稳镇定的策略，本质上是在连续时域上，对传动实验台系统因为时滞存在所产生的补偿转矩偏差响应分量进行抑制；在离散域上，对系统零极点再配置，从而使得当实验台模拟大于2倍自身转动惯量的实际风力机缓慢机械动态时，系统极点始终落于单位圆内。[8]所以这种补偿策略稳定运行的关键在于传动实验台数字控制系统采用的滤波器阶数、参数与系统时滞间的匹配关系。同时影响实验台准确模拟大转动惯量风电机组缓慢的机械动态与否的关键在于数字控制系统中计算的用于实验台惯量补偿的补偿转矩是否准确。而这些系统参数的稳定性和测量精度，在实际复杂的工程应用环境中，往往是难以预见且存在波动的，这时，高阶滤波器的失稳镇定效果就会受到影响，系统失稳隐患仍然存在。
再者，MW级的风力模拟器转速通常难以测量。大容量电机在安装时，转轴轴心不可避免会存在的偏移，使得电机旋转时，转轴运行在一个椭圆轨道，致使转速测量存在偏差。同时，实际的风机工作环境会存在各类噪声，影响信息采集和传递的精确性和稳定性。这些影响转速测量质量的因素最终都会导致风力机模拟器的模拟不准确甚至失稳。
综上所述，现有风力机模拟器的转动惯量补偿策略以及转速测量准确性问题，都给WTS的稳定运行带来了隐患，尤其是模拟MW级风力机时。当不幸出现MW级风力机模拟器的失稳故障，将导致电机阻尼绕组损坏，甚至电机转轴断裂，实验室局部微网崩溃。伴随着风力机模拟器的广泛应用，这样的潜在风险带来的危害是非常巨大的。因此如何做到让风力机模拟器长期稳定运行，设计出能辨别系统失稳的方法，希望在系统失稳时，模拟器能做到及时切机，保障实验室安全是本课题的研究目的。本课题将通过MATLABSimulink构建风力机模拟器仿真模型，并设计出一种有效的振荡辨识手段来解决这一问题。
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