用于抑制風(fēng)電機(jī)組扭振的扭轉(zhuǎn)載荷控制器及控制方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了一種用于抑制風(fēng)電機(jī)組軸系扭振的扭轉(zhuǎn)載荷控制器及控制方法，該控制器以扭轉(zhuǎn)角速度作為反饋量，扭轉(zhuǎn)角速度的給定是一個(gè)與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和風(fēng)輪加速度相關(guān)的量，二者的偏差通過(guò)PI調(diào)節(jié)器，并經(jīng)過(guò)限幅后作為控制器輸出，控制器輸出疊加在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩給定上，其中對(duì)扭轉(zhuǎn)載荷控制器中的PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對(duì)扭振抑制中扭轉(zhuǎn)角速度的目標(biāo)給定進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。本發(fā)明可行性高、應(yīng)用性強(qiáng)，并能一定程度上加快最大功率跟蹤。
【專(zhuān)利說(shuō)明】用于抑制風(fēng)電機(jī)組扭振的扭轉(zhuǎn)載荷控制器及控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，具體地，涉及一種用于抑制風(fēng)電機(jī)組軸系扭振的扭轉(zhuǎn) 載荷控制器及控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 風(fēng)速具有不可控、間斷、隨機(jī)性，導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)出力不可控、存在波動(dòng)，此外由于受到 風(fēng)剪切和塔影效應(yīng)的影響，風(fēng)在整個(gè)風(fēng)輪掃略面積內(nèi)不是均勻分布的，這也會(huì)導(dǎo)致風(fēng)力機(jī) 出力的周期性脈動(dòng)，激發(fā)軸系扭振；另一方面，高低電壓故障帶來(lái)的電磁暫態(tài)在機(jī)電耦合作 用下也可能會(huì)激發(fā)軸系振蕩。風(fēng)力機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)（包括齒輪箱、傳動(dòng)軸和法蘭環(huán)）是風(fēng)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(zhuǎn)振蕩很容易被激發(fā)，一方面長(zhǎng)期的 扭振會(huì)積累軸系的疲勞載荷，影響傳動(dòng)系統(tǒng)壽命，另一方面，振蕩會(huì)導(dǎo)致PCC點(diǎn)功率波動(dòng)， 如果得不到有效抑制甚至?xí)?dǎo)致機(jī)組轉(zhuǎn)速失穩(wěn)，影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。
[0003] 水平軸風(fēng)力機(jī)不可避免的受到風(fēng)剪切和塔影效應(yīng)的影響，由此造成的風(fēng)力機(jī)氣動(dòng) 轉(zhuǎn)矩周期性脈動(dòng)是風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行中的主要扭振激發(fā)源之一，若扭振激發(fā)源無(wú)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(jī)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(fēng)力機(jī)出力波動(dòng)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(fēng)電機(jī)組柔 性振動(dòng)控制技術(shù)[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2008, 29(11):1425-1431.);另一種方法則是通過(guò)反饋 控制增加阻尼轉(zhuǎn)矩，根據(jù)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(cè)器觀測(cè)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(jī)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?zhàn)兞吭O(shè)計(jì)阻尼轉(zhuǎn)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(zhuǎn)角速度作 為反饋量，設(shè)計(jì)自抗擾控制器的方案（姚興佳，王曉東，單光坤，劉姝.雙饋風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)系 統(tǒng)扭振抑制自抗擾控制[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，Vol.27No. I，jan2012:136-141)，等等。
[0005] 上述技術(shù)中與本發(fā)明相近似的方案是以柔性軸扭轉(zhuǎn)角速度作為反饋量的自抗擾 控制方案，該方案考慮了風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)中非線性不確定因素的影響，設(shè)計(jì)了一種扭振 抑制自抗擾控制器，將傳動(dòng)系統(tǒng)中的非線性不確定因素作用和外界擾動(dòng)歸結(jié)為系統(tǒng)總擾 動(dòng)，通過(guò)擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)總擾動(dòng)，并在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制中給予補(bǔ)償。
[0006] 但現(xiàn)有技術(shù)沒(méi)有同時(shí)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(zhuǎn)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(yù)期獲得更好 的軸系扭振抑制效果，在現(xiàn)有的技術(shù)上需要兩個(gè)獨(dú)立的控制器配合實(shí)現(xiàn)，可能需要借助多 個(gè)反饋?zhàn)兞浚掖嬖诳刂破鲄?shù)增多、參數(shù)調(diào)節(jié)難度大以及多個(gè)控制器的限幅問(wèn)題。
[0007] 此外現(xiàn)有技術(shù)由于沒(méi)有充分考慮軸系特性，控制目標(biāo)設(shè)定沒(méi)有充分考慮，在實(shí)際 情況中受發(fā)電機(jī)出力限制可能導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)載荷控制器輸出被限幅而無(wú)法響應(yīng)軸系扭振。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種用于抑制發(fā)電機(jī)組軸系扭振的 扭轉(zhuǎn)載荷控制器及其控制方法，本發(fā)明提高了風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速減小的響應(yīng)速度，使得風(fēng)力機(jī)提 前進(jìn)入新的最大功率運(yùn)行點(diǎn)。
[0009] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種用于抑制風(fēng)電機(jī)組軸系扭振的扭轉(zhuǎn)載荷控制 器，所述控制器以扭轉(zhuǎn)角速度作為反饋量，扭轉(zhuǎn)角速度的給定是一個(gè)與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和風(fēng)輪加 速度相關(guān)的量，二者的偏差通過(guò)PI調(diào)節(jié)器作為控制器輸出，控制器輸出經(jīng)過(guò)限幅后作為發(fā) 電機(jī)轉(zhuǎn)矩給定的一部分疊加在最優(yōu)轉(zhuǎn)矩控制器上。
[0010] 所述扭轉(zhuǎn)載荷控制器包括如下模塊：
[0011] 輸入模塊，其用于獲取兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量塊的轉(zhuǎn)速和COg ;
[0012] 處理模塊，其用于根據(jù)ε = ?「cog計(jì)算扭轉(zhuǎn)角速度ε ;根據(jù)公式

【權(quán)利要求】
1. 一種用于抑制風(fēng)電機(jī)組軸系扭振的扭轉(zhuǎn)載荷控制器，其特征在于，所述控制器以扭 轉(zhuǎn)角速度作為反饋量，扭轉(zhuǎn)角速度的給定是一個(gè)與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和風(fēng)輪加速度相關(guān)的量，二者 的偏差通過(guò)PI調(diào)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(jī)轉(zhuǎn)矩給定的一部 分疊加在其上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于抑制發(fā)電機(jī)組軸系扭振的扭轉(zhuǎn)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(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量塊的轉(zhuǎn)速〇^和《g; 處理模塊，其用于根據(jù)e = ?t_?g計(jì)算扭轉(zhuǎn)角速度e ;根據(jù)公式
計(jì)算扭轉(zhuǎn)角速度給定e # ;確定PI調(diào)節(jié)器參數(shù)；并根據(jù)公式Tdamp = kp( e L e Kki / ( e e )dt計(jì)算控制器輸出；PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)kp、ki，Tdamp為扭轉(zhuǎn)載荷控 制器輸出； 輸出模塊，其用于扭轉(zhuǎn)載荷控制器的限幅和輸出，輸出的數(shù)據(jù)作為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩給定的 一部分疊加在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩給定上。
3. -種用于抑制發(fā)電機(jī)組軸系扭振的控制方法，其特征在于，所述方法采用轉(zhuǎn)矩環(huán)，以 實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)最大功率跟蹤的最優(yōu)轉(zhuǎn)矩給定T_和扭轉(zhuǎn)載荷控制器輸出Tdamp之和作為發(fā)電機(jī) 轉(zhuǎn)矩給定值，轉(zhuǎn)矩環(huán)以PI作為調(diào)節(jié)器，輸出為定子電流q軸分量給定iS(；;其中：所述扭轉(zhuǎn) 載荷控制器中的PI調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計(jì)，具體步驟如下： 步驟1、將傳動(dòng)系統(tǒng)等效為兩質(zhì)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(jù)傳遞函數(shù)確定所關(guān)注頻段內(nèi)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(zhuǎn)載荷中PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)； 步驟5、設(shè)計(jì)扭轉(zhuǎn)角速度的給定目標(biāo)及PI調(diào)節(jié)器，并將控制器輸出Tdamp限幅后疊加在 風(fēng)力機(jī)正常運(yùn)行控制中的轉(zhuǎn)矩給定上；即：
Tdamp = kp ( e *- e ) +ki / ( e *- e ) dt (8) 其中：e #和e分別是扭轉(zhuǎn)角速度的給定和扭轉(zhuǎn)角速度，e = 〇 t - 〇 g，〇 t和〇 g分 別是風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速；扭轉(zhuǎn)角速度的控制目標(biāo)按照式（7)給定，其中Ktjpt為最優(yōu)轉(zhuǎn)矩
其中CPU_)為最大風(fēng)能利用系數(shù)，為最佳葉尖速比，p 為空氣密度，R為槳葉半徑；&為風(fēng)輪角加速度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種用于抑制發(fā)電機(jī)組軸系扭振的控制方法，其特征在于， 所述步驟1，具體實(shí)現(xiàn)如下： 對(duì)于永磁直驅(qū)機(jī)組，得到一個(gè)自然的兩個(gè)質(zhì)量塊模型，兩個(gè)質(zhì)量塊分別是風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣 量Jt和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jg;對(duì)于雙饋機(jī)組，在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量上添加齒輪箱轉(zhuǎn)動(dòng)慣量得到 新的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jg，并通過(guò)式（1)所示平行軸剛度計(jì)算方法計(jì)算等價(jià)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(jù)權(quán)利要求3所述的一種用于抑制發(fā)電機(jī)組軸系扭振的控制方法，其特征在于， 所述步驟2,具體實(shí)現(xiàn)如下： 根據(jù)機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)或借助專(zhuān)業(yè)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)軟件中的Campbell圖，查看是否存在與 傳動(dòng)系統(tǒng)扭振固有頻率耦合的其它機(jī)組模態(tài)，考察nP及其整數(shù)倍模態(tài)、風(fēng)輪面內(nèi)槳葉擺振 模態(tài)、塔架側(cè)向模態(tài)，n為槳葉數(shù)，P為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)頻率；其中兩質(zhì)量塊傳動(dòng)鏈模型的固有振蕩 頻率fn按照（2)式計(jì)算：
其中：Jt為風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和Jg為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； 如果某一模態(tài)與傳動(dòng)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(jù)權(quán)利要求5所述的一種用于抑制發(fā)電機(jī)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(shù)：
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(nèi)取值，Jt為風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和Jg為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，s是拉普拉斯算子。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3-6任一項(xiàng)所述的一種用于抑制發(fā)電機(jī)組軸系扭振的控制方法，其特 征在于，步驟4中，根據(jù)下式計(jì)算扭轉(zhuǎn)載荷控制器中的PI調(diào)節(jié)器參數(shù)kp、h :
其中：b、k分別為等效兩質(zhì)量塊模型中傳動(dòng)軸的阻尼和剛度系數(shù)，Jt為風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和 Jg為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)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(lái)改變傳動(dòng)系統(tǒng)的等效阻尼和等效剛度系數(shù)。
【文檔編號(hào)】F03D7/00GK104329220SQ201410446035
【公開(kāi)日】2015年2月4日 申請(qǐng)日期:2014年9月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月3日
【發(fā)明者】蔡旭, 賈鋒, 高強(qiáng), 曹云峰 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)