一種提高直驅(qū)動風(fēng)電機(jī)組機(jī)械傳動鏈運(yùn)行穩(wěn)定性的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種提高直驅(qū)動風(fēng)電機(jī)組機(jī)械傳動鏈運(yùn)行穩(wěn)定性的方法；數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時采集直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行變量X；具體步驟為：1、依據(jù)運(yùn)行變量X和機(jī)械傳動鏈的機(jī)械特性設(shè)計機(jī)械傳動鏈穩(wěn)定系統(tǒng)；2、機(jī)械傳動鏈穩(wěn)定系統(tǒng)對運(yùn)行變量X進(jìn)行濾波處理；3、機(jī)械傳動鏈穩(wěn)定系統(tǒng)對直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組變流器的直流電容端電壓參考值進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償。和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的一種提高直驅(qū)動風(fēng)電機(jī)組機(jī)械傳動鏈運(yùn)行穩(wěn)定性的方法操作簡單、易于實(shí)現(xiàn)；能夠快速緩解直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組由于轉(zhuǎn)速變化而引起的機(jī)械傳動鏈振蕩，且對機(jī)組送出有功功率及電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響較小。
【專利說明】一種提高直驅(qū)動風(fēng)電機(jī)組機(jī)械傳動鏈運(yùn)行穩(wěn)定性的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種提高機(jī)械傳動鏈運(yùn)行穩(wěn)定性的方法，具體講涉及一種提高直驅(qū)動風(fēng)電機(jī)組機(jī)械傳動鏈運(yùn)行穩(wěn)定性的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已成為新能源發(fā)電領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)；相比恒速恒頻風(fēng)電機(jī)組，變速恒頻風(fēng)電機(jī)組可以通過變流器控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，在較寬的風(fēng)速變化范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲，使風(fēng)能利用率大幅提聞。目如主流的變速恒頻風(fēng)電機(jī)組包括基于雙饋異步發(fā)電機(jī)的雙饋風(fēng)電機(jī)組和基于同步發(fā)電機(jī)的直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組；
[0003]直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組采用全功率變流器與電網(wǎng)直接相連，能夠在電網(wǎng)故障情況下，快速向電網(wǎng)提供無功功率，支撐電網(wǎng)電壓；直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組機(jī)械傳動鏈?zhǔn)菍?shí)現(xiàn)能量傳遞和轉(zhuǎn)換的復(fù)雜裝置，一般由風(fēng)力機(jī)槳葉片、輪轂和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子部件構(gòu)成。直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的長度不及常規(guī)汽輪發(fā)電機(jī)組，但其剛度卻比后者低很多；且直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組沒有齒輪箱，電機(jī)直徑較大，慣量雖遠(yuǎn)低于風(fēng)力機(jī)，但相較同等容量的I對極或2對極的發(fā)電機(jī)卻大了很多；這些因素都將使機(jī)械傳動鏈的柔性在暫態(tài)過程中呈現(xiàn)出來。當(dāng)負(fù)荷變化或電網(wǎng)運(yùn)行出現(xiàn)異常時，風(fēng)電機(jī)組向電網(wǎng)輸出的電功率變化迅速，然而由于變槳、偏航等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的限制，風(fēng)電機(jī)組機(jī)械部分的反應(yīng)速度緩慢，使得機(jī)械傳動鏈的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩與制動轉(zhuǎn)矩不平衡，造成機(jī)組轉(zhuǎn)速的變化，從而使機(jī)械傳動鏈發(fā)生一定程度的扭曲或松弛，影響其壽命，同時可能對并網(wǎng)點(diǎn)電壓、發(fā)電機(jī)電流、功率等產(chǎn)生一定的影響。
[0004]風(fēng)力機(jī)向發(fā)電機(jī)輸入的機(jī)械功率與變流器向電網(wǎng)輸出的電氣功率之間的不平衡引起轉(zhuǎn)速振蕩，從而引發(fā)機(jī)械傳動鏈扭曲或松弛；抑制轉(zhuǎn)速振蕩最直接簡便的方法是控制風(fēng)力機(jī)向發(fā)電機(jī)輸入的機(jī)械功率或變流器向電網(wǎng)輸出的電氣功率。對于前者，由于機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)反應(yīng)緩慢，且槳距角控制系統(tǒng)的設(shè)計需考慮發(fā)電機(jī)組軸系的動態(tài)特性，難以實(shí)現(xiàn)；對于后者，轉(zhuǎn)速的振蕩雖然能夠較快得到緩解，但這將會引起向電網(wǎng)輸送的有功功率發(fā)生振蕩，影響電能質(zhì)量，給電網(wǎng)運(yùn)行的其他環(huán)節(jié)帶來壓力。為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種提高直驅(qū)動風(fēng)電機(jī)組機(jī)械傳動鏈運(yùn)行穩(wěn)定性的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了滿足現(xiàn)有技術(shù)的需要，本發(fā)明提供了 一種提高直驅(qū)動風(fēng)電機(jī)組機(jī)械傳動鏈運(yùn)行穩(wěn)定性的方法；數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時采集直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行變量X;所述運(yùn)行變量X包括發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)輸出的有功功率和發(fā)電機(jī)機(jī)端母線頻率；所述方法包括下述步驟:
[0006]步驟1:依據(jù)所述運(yùn)行變量X和所述機(jī)械傳動鏈的機(jī)械特性設(shè)計機(jī)械傳動鏈穩(wěn)定系統(tǒng)；
[0007]步驟2:所述機(jī)械傳動鏈穩(wěn)定系統(tǒng)對所述運(yùn)行變量X進(jìn)行濾波處理；
[0008]步驟3:所述機(jī)械傳動鏈穩(wěn)定系統(tǒng)對直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組變流器的直流電容端電壓參考值Udcref進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償。[0009]優(yōu)選的，所述步驟I中的所述機(jī)械傳動鏈穩(wěn)定系統(tǒng)包括依次串聯(lián)連接在所述數(shù)據(jù)采集卡和所述變流器之間的帶通濾波器和阻尼控制器；
[0010]優(yōu)選的，所述帶通濾波器對所述運(yùn)行變量X進(jìn)行所述濾波處理；所述阻尼控制器輸出補(bǔ)償電壓AUd。對所述直流電容端電壓參考值Ud_f進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償；所述步驟3中的所述直流電容端電壓參考值Udrarf動態(tài)補(bǔ)償控制包括:
[0011]步驟3-1:所述運(yùn)行變量X不發(fā)生波動時，所述補(bǔ)償電壓AUd。的值為零；所述直流電容端的實(shí)際電壓Udc穩(wěn)定跟蹤所述電壓參考值Udrarf，所述機(jī)組機(jī)械傳動鏈穩(wěn)定運(yùn)行；
[0012]步驟3-2:所述運(yùn)行變量X發(fā)生波動時，所述機(jī)械傳動鏈穩(wěn)定系統(tǒng)實(shí)時輸出與所述運(yùn)行變量X的波動變化值ΛΧ相應(yīng)的所述補(bǔ)償電壓AUd。；所述直流電容端的實(shí)際電壓Ud。實(shí)時跟蹤所述電壓參考值Uttorf與所述補(bǔ)償電壓AUd。的和；若所述補(bǔ)償電壓AUd。升高，機(jī)械傳動鏈產(chǎn)生的與所述波動變化值△ X相應(yīng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能儲存在所述變流器的直流電容中；若所述補(bǔ)償電壓AUd。降低，所述直流電容向電網(wǎng)釋放與所述波動變化值ΛΧ相應(yīng)的電能，從而保證所述機(jī)組機(jī)械傳動鏈穩(wěn)定運(yùn)行；
[0013]優(yōu)選的，所述帶通濾波器的中心頻率為所述機(jī)械傳動鏈的固有振蕩頻率fN ;所述帶通濾波器的帶寬fb為所述固有振蕩頻率fN的0.14倍；
[0014]優(yōu)選的，所述阻尼控制器包括電流隔直環(huán)節(jié)、相位校正環(huán)節(jié)、信號放大環(huán)節(jié)和電壓限幅環(huán)節(jié)；所述阻尼控制器對帶通濾波器輸出值與運(yùn)行變量給定值X&的差值信號進(jìn)行隔直、相位校正、信號放大和電壓限幅操作；
[0015]所述電壓限幅環(huán)節(jié)用于對所述補(bǔ)償電壓AUde進(jìn)行限幅；所述補(bǔ)償電壓AUde的限幅上限值為Udcmax-Udcref,限幅下限值為Uinvmin-Udcref;所述Udanax為所述變流器的直流電容端的電壓最大極限值；所述Uinvmin為實(shí)現(xiàn)所述變流器逆變的所述直流電容端的電壓最小極限值。
[0016]優(yōu)選的，所述步驟I中設(shè)`計所述機(jī)械傳動鏈穩(wěn)定系統(tǒng)時，所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、所述有功功率、所述發(fā)電機(jī)機(jī)端母線頻率中的任意一個或兩個或三個作為設(shè)計所述機(jī)械傳動鏈穩(wěn)定系統(tǒng)的所述運(yùn)行變量X。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)異效果是:
[0018]1、本發(fā)明技術(shù)方案中，通過在直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的變流器側(cè)設(shè)置機(jī)械傳動鏈穩(wěn)定系統(tǒng)，對變流器的直流電容端電壓控制環(huán)節(jié)的電壓參考值Udraef動態(tài)補(bǔ)償；通過快速控制直流電容端電壓，利用直流電容容量剩有的裕量，進(jìn)行能量調(diào)節(jié)，達(dá)到有效減少機(jī)械傳動鏈的驅(qū)動和制動轉(zhuǎn)矩，加速直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速振蕩過程的平息；
[0019]2、本發(fā)明技術(shù)方案中，機(jī)械傳動鏈穩(wěn)定系統(tǒng)對直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的其他性能影響較小，從而提高系統(tǒng)機(jī)械傳動鏈運(yùn)行的穩(wěn)定性，延長了其使用壽命；
[0020]3、本發(fā)明技術(shù)方案中，通過對直流電容端電壓的電容充放電實(shí)現(xiàn)機(jī)械傳動鏈的機(jī)械能和電能的轉(zhuǎn)化，過程短暫；當(dāng)負(fù)荷變化或電網(wǎng)出現(xiàn)異常時，動作迅速，能夠快速向機(jī)械傳動鏈提供阻尼，抑制其轉(zhuǎn)速的振蕩，減小機(jī)械傳動鏈的扭曲程度，加速機(jī)械傳動鏈振動扭轉(zhuǎn)過程的平息。
[0021 ] 4、本發(fā)明技術(shù)方案中，機(jī)械傳動鏈的振蕩轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娙萑菰S極限內(nèi)的端電壓的波動，對變流器向電網(wǎng)輸送的有功功率影響較小；
[0022]5、本發(fā)明提供的一種提高直驅(qū)動風(fēng)電機(jī)組機(jī)械傳動鏈運(yùn)行穩(wěn)定性的方法，仿真研究時，只需對變流器的直流電容端電壓控制環(huán)節(jié)中加入一個直流電壓參考值動態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)即可，模型實(shí)現(xiàn)方便，且工程設(shè)計操作簡單、易于實(shí)現(xiàn)；
[0023]6、本發(fā)明提供的一種直驅(qū)動風(fēng)電機(jī)組機(jī)械傳動鏈運(yùn)行穩(wěn)定性的方法，能夠快速緩解直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組由于轉(zhuǎn)速變化而引起的機(jī)械傳動鏈振蕩，且對機(jī)組送出有功功率及電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響較小。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0025]圖1是:現(xiàn)有技術(shù)中直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的變流器有功控制外環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖2是:本發(fā)明實(shí)施例中機(jī)械傳動鏈穩(wěn)定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖3是:本發(fā)明實(shí)施例中的阻尼控制器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖4是:本發(fā)明實(shí)施例中的機(jī)械傳動鏈的質(zhì)塊模型示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面將結(jié)合本申請實(shí)施例中的附圖,對本申請實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。
[0030]圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)中直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的變流器有功控制外環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖；直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)中，網(wǎng)側(cè)變流器控制采用電網(wǎng)電壓定向坐標(biāo)系，實(shí)現(xiàn)變流器向電網(wǎng)輸送的有功功率與無功功率完全解耦；有功功率由直軸(d軸)電流控制，無功功率由交軸(q軸)控制；直軸電流參考值idMf由所述有功控制外環(huán)獲得，如圖1所示，即直軸電流參考值idMf由PI控制器對所述直流電容端的電壓參考值Udcref與實(shí)際電壓Udc的差值響應(yīng)后得到。
[0031]本發(fā)明提供的一種提高直驅(qū)動風(fēng)電機(jī)組機(jī)械傳動鏈運(yùn)行穩(wěn)定性的方法，基于所述變流器有功控制外環(huán)實(shí)現(xiàn)對機(jī)械傳動鏈的穩(wěn)定控制；圖2示出了本發(fā)明實(shí)施例對現(xiàn)有技術(shù)中的直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的變流器有功控制外環(huán)改進(jìn)后的機(jī)械傳動鏈穩(wěn)定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；機(jī)械傳動鏈穩(wěn)定系統(tǒng)MDTS包括依次串聯(lián)連接在采集卡和變流器之間的帶通濾波器BPF和阻尼控制器SDS，SG為發(fā)電機(jī)；數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時采集直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行變量X ;所述運(yùn)行變量X包括發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速ω、發(fā)電機(jī)輸出的有功功率和發(fā)電機(jī)機(jī)端母線頻率；帶通濾波器對運(yùn)行變量X進(jìn)行濾波處理；阻尼控制器輸出補(bǔ)償電壓AUd。對直流電容端電壓參考值Udrarf電壓補(bǔ)償；帶通濾波器的中心頻率為機(jī)械傳動鏈的固有振蕩頻率fN ;帶通濾波器的帶寬fb為固
有振蕩頻率fN的0.14倍；固有振蕩頻率
【權(quán)利要求】
1.一種提高直驅(qū)動風(fēng)電機(jī)組機(jī)械傳動鏈運(yùn)行穩(wěn)定性的方法，其特征在于，數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時采集直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行變量X ;所述運(yùn)行變量X包括發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)輸出的有功功率和發(fā)電機(jī)機(jī)端母線頻率；所述方法包括下述步驟: 步驟1:依據(jù)所述運(yùn)行變量X和所述機(jī)械傳動鏈的機(jī)械特性設(shè)計機(jī)械傳動鏈穩(wěn)定系統(tǒng)； 步驟2:所述機(jī)械傳動鏈穩(wěn)定系統(tǒng)對所述運(yùn)行變量X進(jìn)行濾波處理； 步驟3:所述機(jī)械傳動鏈穩(wěn)定系統(tǒng)對直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組變流器的直流電容端電壓參考值Udcref進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償。
2.如權(quán)利要求1所述的一種提高直驅(qū)動風(fēng)電機(jī)組機(jī)械傳動鏈運(yùn)行穩(wěn)定性的方法，其特征在于，所述步驟I中的所述機(jī)械傳動鏈穩(wěn)定系統(tǒng)包括依次串聯(lián)連接在所述數(shù)據(jù)采集卡和所述變流器之間的帶通濾波器和阻尼控制器。
3.如權(quán)利要求1所述的一種提高直驅(qū)動風(fēng)電機(jī)組機(jī)械傳動鏈運(yùn)行穩(wěn)定性的方法，其特征在于，所述帶通濾波器對所述運(yùn)行變量X進(jìn)行所述濾波處理；所述阻尼控制器輸出補(bǔ)償電壓AUd。對所述直流電容端電壓參考值Udrarf進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償；所述步驟3中的所述直流電容端電壓參考值Uttorf動態(tài)補(bǔ)償控制包括: 步驟3-1:所述運(yùn)行變量X不發(fā)生波動時，所述補(bǔ)償電壓AUd。的值為零；所述直流電容端的實(shí)際電壓Udc穩(wěn)定跟蹤所述電壓參考值Udrarf，所述機(jī)組機(jī)械傳動鏈穩(wěn)定運(yùn)行； 步驟3-2:所述運(yùn)行變量X發(fā)生波動時，所述機(jī)械傳動鏈穩(wěn)定系統(tǒng)實(shí)時輸出與所述運(yùn)行變量X的波動變化值ΛΧ相應(yīng)的所述補(bǔ)償電壓AUtk ;所述直流電容端的實(shí)際電壓Udc實(shí)時跟蹤所述電壓參考值Uttorf與所述補(bǔ)償電壓AUd。的和；若所述補(bǔ)償電壓AUd。升高，機(jī)械傳動鏈產(chǎn)生的與所述波動變化值△ X相應(yīng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能儲存在所述變流器的直流電容中；若所述補(bǔ)償電壓AUd。降低，所述直流電容向電網(wǎng)釋放與所述波動變化值ΛΧ相應(yīng)的電能，從而保證所述機(jī)組機(jī)械傳動鏈穩(wěn)定運(yùn)行。
4.如權(quán)利要求2所述的一種提高直驅(qū)動風(fēng)電機(jī)組機(jī)械傳動鏈運(yùn)行穩(wěn)定性的方法，其特征在于，所述帶通濾波器的中心頻率為所述機(jī)械傳動鏈的固有振蕩頻率fN ;所述帶通濾波器的帶寬fb為所述固有振蕩頻率fN的0.14倍。
5.如權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的一種提高直驅(qū)動風(fēng)電機(jī)組機(jī)械傳動鏈運(yùn)行穩(wěn)定性的方法，其特征在于，所述阻尼控制器包括電流隔直環(huán)節(jié)、相位校正環(huán)節(jié)、信號放大環(huán)節(jié)和電壓限幅環(huán)節(jié)；所述阻尼控制器對帶通濾波器輸出值與運(yùn)行變量給定值Xref的差值信號進(jìn)行隔直、相位校正、信號放大和電壓限幅操作； 所述電壓限幅環(huán)節(jié)用于對所述補(bǔ)償電壓AUd。進(jìn)行限幅；所述補(bǔ)償電壓AUd。的限幅上限值為Utkmax-Utorf,限幅下限值為Uinvmin-Udcref ;所述Utkmax為所述變流器的直流電容端的電壓最大極限值；所述Uinvmin為實(shí)現(xiàn)所述變流器逆變的所述直流電容端的電壓最小極限值。
6.如權(quán)利要求1所述的一種提高直驅(qū)動風(fēng)電機(jī)組機(jī)械傳動鏈運(yùn)行穩(wěn)定性的方法，其特征在于，所述步驟I中設(shè)計所述機(jī)械傳動鏈穩(wěn)定系統(tǒng)時，所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、所述有功功率、所述發(fā)電機(jī)機(jī)端母線頻率中的任意一個或兩個或三個作為設(shè)計所述機(jī)械傳動鏈穩(wěn)定系統(tǒng)的所述運(yùn)行變量X。
【文檔編號】H02P9/00GK103457528SQ201310370154
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年8月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月22日
【發(fā)明者】張磊, 趙大偉, 姜達(dá)軍, 王湘艷, 朱凌志, 陳寧, 錢敏慧, 趙亮, 葛路明 申請人:國家電網(wǎng)公司, 中國電力科學(xué)研究院