用于抑制風電機組扭振的扭轉載荷控制器及控制方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種用于抑制風電機組軸系扭振的扭轉載荷控制器及控制方法，該控制器以扭轉角速度作為反饋量，扭轉角速度的給定是一個與風輪轉速和風輪加速度相關的量，二者的偏差通過PI調節(jié)器，并經過限幅后作為控制器輸出，控制器輸出疊加在發(fā)電機轉矩給定上，其中對扭轉載荷控制器中的PI調節(jié)器的參數進行了設計，對扭振抑制中扭轉角速度的目標給定進行了優(yōu)化設計。本發(fā)明可行性高、應用性強，并能一定程度上加快最大功率跟蹤。
【專利說明】用于抑制風電機組扭振的扭轉載荷控制器及控制方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及風力發(fā)電領域，具體地，涉及一種用于抑制風電機組軸系扭振的扭轉 載荷控制器及控制方法。

【背景技術】
[0002] 風速具有不可控、間斷、隨機性，導致風力機出力不可控、存在波動，此外由于受到 風剪切和塔影效應的影響，風在整個風輪掃略面積內不是均勻分布的，這也會導致風力機 出力的周期性脈動，激發(fā)軸系扭振；另一方面，高低電壓故障帶來的電磁暫態(tài)在機電耦合作 用下也可能會激發(fā)軸系振蕩。風力機傳動系統(tǒng)（包括齒輪箱、傳動軸和法蘭環(huán)）是風力發(fā)電 中傳輸能量重要的一環(huán)，由于其固有的欠阻尼特性，扭轉振蕩很容易被激發(fā)，一方面長期的 扭振會積累軸系的疲勞載荷，影響傳動系統(tǒng)壽命，另一方面，振蕩會導致PCC點功率波動， 如果得不到有效抑制甚至會導致機組轉速失穩(wěn)，影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。
[0003] 水平軸風力機不可避免的受到風剪切和塔影效應的影響，由此造成的風力機氣動 轉矩周期性脈動是風電機組正常運行中的主要扭振激發(fā)源之一，若扭振激發(fā)源無法改變， 扭振抑制可從降低模態(tài)之間的耦合度和增加虛擬阻尼兩方面入手。前者從扭振激發(fā)難易度 的角度考慮，后者從振幅衰減角度考慮。
[0004] 合理的機組自身的控制策略能為軸系提供一定的電氣阻尼，如果改變有限就需要 借助輔助控制策略。一種方法是降低扭振模態(tài)和風力機出力波動模態(tài)之間的耦合度，如增 加阻尼濾波器的方法（如：邢作霞，劉穎明，鄭瓊林，等.基于阻尼濾波的大型風電機組柔 性振動控制技術[J].太陽能學報，2008, 29(11):1425-1431.);另一種方法則是通過反饋 控制增加阻尼轉矩，根據采用的反饋量不同及控制策略的不同已有多種方案，如采用H-… 觀測器觀測軸系扭矩并以其作為反饋量，并采用H- c?控制器抑制發(fā)電機組軸系扭振的方 法（Morinaga, S. ；Funabashi, T. Torsional vibration suppression of the PMSG-based wind turbine generator using H 00 observer[J]·Future Energy Electronics Conference (IFEEC), 20131st International :880-884.);從能流角度出發(fā)以直流母線電 流作為反饋變量設計阻尼轉矩控制器的方案（Hua Geng ;Xu,D. ;Bin Wu ;Geng Yang. Active Damping for PMSG-Based WECS With DC-Link Current Estimation[J]. Industrial Electronics, IEEE Transactions on·, Vol58, 2011:1110-1119.);以柔性軸扭轉角速度作 為反饋量，設計自抗擾控制器的方案（姚興佳，王曉東，單光坤，劉姝.雙饋風電機組傳動系 統(tǒng)扭振抑制自抗擾控制[J].電工技術學報，Vol.27No. I，jan2012:136-141)，等等。
[0005] 上述技術中與本發(fā)明相近似的方案是以柔性軸扭轉角速度作為反饋量的自抗擾 控制方案，該方案考慮了風電機組傳動系統(tǒng)中非線性不確定因素的影響，設計了一種扭振 抑制自抗擾控制器，將傳動系統(tǒng)中的非線性不確定因素作用和外界擾動歸結為系統(tǒng)總擾 動，通過擴張狀態(tài)觀測器進行實時估計總擾動，并在發(fā)電機轉矩控制中給予補償。
[0006] 但現有技術沒有同時能增加軸系阻尼和避免軸系與其他模態(tài)耦合的控制策略。如 果扭轉載荷控制器可以從增加阻尼和避免模態(tài)耦合兩方面入手，理論上可以預期獲得更好 的軸系扭振抑制效果，在現有的技術上需要兩個獨立的控制器配合實現，可能需要借助多 個反饋變量，且存在控制器參數增多、參數調節(jié)難度大以及多個控制器的限幅問題。
[0007] 此外現有技術由于沒有充分考慮軸系特性，控制目標設定沒有充分考慮，在實際 情況中受發(fā)電機出力限制可能導致扭轉載荷控制器輸出被限幅而無法響應軸系扭振。


【發(fā)明內容】

[0008] 針對現有技術中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種用于抑制發(fā)電機組軸系扭振的 扭轉載荷控制器及其控制方法，本發(fā)明提高了風力機轉速減小的響應速度，使得風力機提 前進入新的最大功率運行點。
[0009] 根據本發(fā)明的一個方面，提供一種用于抑制風電機組軸系扭振的扭轉載荷控制 器，所述控制器以扭轉角速度作為反饋量，扭轉角速度的給定是一個與風輪轉速和風輪加 速度相關的量，二者的偏差通過PI調節(jié)器作為控制器輸出，控制器輸出經過限幅后作為發(fā) 電機轉矩給定的一部分疊加在最優(yōu)轉矩控制器上。
[0010] 所述扭轉載荷控制器包括如下模塊：
[0011] 輸入模塊，其用于獲取兩個轉動質量塊的轉速和COg ;
[0012] 處理模塊，其用于根據ε = ?「cog計算扭轉角速度ε ;根據公式

【權利要求】
1. 一種用于抑制風電機組軸系扭振的扭轉載荷控制器，其特征在于，所述控制器以扭 轉角速度作為反饋量，扭轉角速度的給定是一個與風輪轉速和風輪加速度相關的量，二者 的偏差通過PI調節(jié)器并限幅后作為控制器輸出，控制器輸出作為發(fā)電機轉矩給定的一部 分疊加在其上。
2. 根據權利要求1所述的用于抑制發(fā)電機組軸系扭振的扭轉載荷控制器，其特征在于 包括如下模塊： 輸入模塊，其用于獲取兩個轉動質量塊的轉速〇^和《g; 處理模塊，其用于根據e = ?t_?g計算扭轉角速度e ;根據公式
計算扭轉角速度給定e # ;確定PI調節(jié)器參數；并根據公式Tdamp = kp( e L e Kki / ( e e )dt計算控制器輸出；PI調節(jié)器的參數kp、ki，Tdamp為扭轉載荷控 制器輸出； 輸出模塊，其用于扭轉載荷控制器的限幅和輸出，輸出的數據作為發(fā)電機轉矩給定的 一部分疊加在發(fā)電機轉矩給定上。
3. -種用于抑制發(fā)電機組軸系扭振的控制方法，其特征在于，所述方法采用轉矩環(huán)，以 實現風力機最大功率跟蹤的最優(yōu)轉矩給定T_和扭轉載荷控制器輸出Tdamp之和作為發(fā)電機 轉矩給定值，轉矩環(huán)以PI作為調節(jié)器，輸出為定子電流q軸分量給定iS(；;其中：所述扭轉 載荷控制器中的PI調節(jié)器參數設計，具體步驟如下： 步驟1、將傳動系統(tǒng)等效為兩質量塊模型； 步驟2、從避免模態(tài)耦合引發(fā)共振的角度配置等效剛度； 步驟3、根據傳遞函數確定所關注頻段內滿足幅值增益和相角裕度的等效阻尼beq和 等效剛度k6q : 步驟4、配置扭轉載荷中PI調節(jié)器的參數； 步驟5、設計扭轉角速度的給定目標及PI調節(jié)器，并將控制器輸出Tdamp限幅后疊加在 風力機正常運行控制中的轉矩給定上；即：
Tdamp = kp ( e *- e ) +ki / ( e *- e ) dt (8) 其中：e #和e分別是扭轉角速度的給定和扭轉角速度，e = 〇 t - 〇 g，〇 t和〇 g分 別是風輪轉速和發(fā)電機轉速；扭轉角速度的控制目標按照式（7)給定，其中Ktjpt為最優(yōu)轉矩
其中CPU_)為最大風能利用系數，為最佳葉尖速比，p 為空氣密度，R為槳葉半徑；&為風輪角加速度。
4. 根據權利要求3所述的一種用于抑制發(fā)電機組軸系扭振的控制方法，其特征在于， 所述步驟1，具體實現如下： 對于永磁直驅機組，得到一個自然的兩個質量塊模型，兩個質量塊分別是風輪轉動慣 量Jt和發(fā)電機轉動慣量Jg;對于雙饋機組，在發(fā)電機轉動慣量上添加齒輪箱轉動慣量得到 新的發(fā)電機轉動慣量Jg，并通過式（1)所示平行軸剛度計算方法計算等價軸剛度k:
其中：Kls和Khs分別為低速軸和高速軸剛度，Ngb為齒輪箱變比。
5. 根據權利要求3所述的一種用于抑制發(fā)電機組軸系扭振的控制方法，其特征在于， 所述步驟2,具體實現如下： 根據機組傳動系統(tǒng)參數或借助專業(yè)風機設計軟件中的Campbell圖，查看是否存在與 傳動系統(tǒng)扭振固有頻率耦合的其它機組模態(tài)，考察nP及其整數倍模態(tài)、風輪面內槳葉擺振 模態(tài)、塔架側向模態(tài)，n為槳葉數，P為風輪旋轉頻率；其中兩質量塊傳動鏈模型的固有振蕩 頻率fn按照（2)式計算：
其中：Jt為風輪轉動慣量和Jg為發(fā)電機轉動慣量； 如果某一模態(tài)與傳動系統(tǒng)固有頻率fn
重合，按照（3)式確定等效剛度ke(1配置范圍：
6. 根據權利要求5所述的一種用于抑制發(fā)電機組軸系扭振的控制方法，其特征在于， 步驟3中，所述傳遞函數：
其中：、、、分別為滿足幅值增益和相角裕度的等效阻尼和等效剛度，、在步驟2確 定的范圍內取值，Jt為風輪轉動慣量和Jg為發(fā)電機轉動慣量，s是拉普拉斯算子。
7. 根據權利要求3-6任一項所述的一種用于抑制發(fā)電機組軸系扭振的控制方法，其特 征在于，步驟4中，根據下式計算扭轉載荷控制器中的PI調節(jié)器參數kp、h :
其中：b、k分別為等效兩質量塊模型中傳動軸的阻尼和剛度系數，Jt為風輪轉動慣量和 Jg為發(fā)電機轉動慣量，1^、ke(1分別為滿足幅值增益和相角裕度的等效阻尼和等效剛度，kp、 ki分別用來改變傳動系統(tǒng)的等效阻尼和等效剛度系數。
【文檔編號】F03D7/00GK104329220SQ201410446035
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年9月3日 優(yōu)先權日:2014年9月3日
【發(fā)明者】蔡旭, 賈鋒, 高強, 曹云峰 申請人:上海交通大學