電網(wǎng)電壓對稱驟升下的雙饋風力發(fā)電機組的軸系振蕩抑制控制系統(tǒng)及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于風力發(fā)電領(lǐng)域，具體地說是一種電網(wǎng)電壓對稱驟升下的雙饋風力發(fā)電 機組的軸系振蕩抑制控制系統(tǒng)及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 雙饋型風力發(fā)電機是目前兆瓦級變速恒頻風力發(fā)電機的主流機型，電網(wǎng)電壓對稱 驟升故障時，雙饋電機的電磁轉(zhuǎn)矩中含有驟升的穩(wěn)態(tài)分量和衰減的高頻暫態(tài)分量，風力矩 和電磁轉(zhuǎn)矩的不匹配會導致風機柔性傳動軸長時間的低頻振蕩。電網(wǎng)電壓對稱驟升后雙饋 風機機組的柔性傳動軸振蕩抑制是實現(xiàn)高電壓穿越的主要目標之一，為了滿足雙饋風電機 組并網(wǎng)導則和延長風機傳動軸的使用壽命，風力發(fā)電機組急需具備電網(wǎng)電壓對稱驟升故障 過后軸系振蕩的抑制能力。而現(xiàn)有的技術(shù)中，尚沒有相關(guān)電網(wǎng)電壓對稱驟升故障對風機傳 動軸低頻振蕩影響研究，同時尚沒有相關(guān)抑制電網(wǎng)電壓對稱驟升導致的軸系低頻振蕩的控 制方法。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003] 本發(fā)明是為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，提出一種電網(wǎng)電壓對稱驟升下的雙 饋風力發(fā)電機組的軸系振蕩抑制控制系統(tǒng)及其方法，以期能在電網(wǎng)電壓驟升下抑制風機傳 動軸扭矩，電磁轉(zhuǎn)矩和電機轉(zhuǎn)速振蕩，加速風電機組軸系低頻振蕩衰減，從而降低電網(wǎng)故障 對風機傳動軸和齒輪箱的磨損，延長風機傳動軸的使用壽命。
[0004] 本發(fā)明為達到上述發(fā)明目的采用如下技術(shù)方案：
[0005] 本發(fā)明一種電網(wǎng)電壓對稱驟升下的雙饋風力發(fā)電機組的軸系振蕩抑制控制系統(tǒng)， 所述雙饋風力發(fā)電機組包括：雙饋風力發(fā)電機、轉(zhuǎn)子側(cè)變流器、直流母線電容、電網(wǎng)、光電編 碼器和控制系統(tǒng)；所述控制系統(tǒng)包括：鎖相環(huán)、速度環(huán)PI調(diào)節(jié)器，有功電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器， 無功電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器和SVPffM模塊，其特點是：在所述控制系統(tǒng)中設置有扭矩微分補償模 塊；
[0006] 所述扭矩微分補償模塊是由速度微分模塊、電磁轉(zhuǎn)矩觀測模塊和扭矩微分模塊組 成；所述速度微分模塊是由第一微分器、第一增益運算器和第一低通濾波器組成；所述電 磁轉(zhuǎn)矩觀測模塊是由第二增益運算器和第二低通濾波器組成；所述扭矩微分模塊是由第二 微分器、第三增益運算器和第三低通濾波器組成；
[0007] 所述光電編碼器獲取所述雙饋風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)子角速度cog傳輸給所述速度微分 模塊的第一增益運算器進行運算后的結(jié)果傳輸給所述第一微分器進行運算，將所述第一微 分器的運輸結(jié)果傳輸給所述第一低通濾波器進行運算后獲得轉(zhuǎn)子合成轉(zhuǎn)矩I；;
[0008] 對所獲取的雙饋風力發(fā)電機的三相轉(zhuǎn)子電流ira，irb和i進行CLARK變換和PARK 變換后獲得轉(zhuǎn)子無功電流UP轉(zhuǎn)子有功電流iV將所述轉(zhuǎn)子有功電流iq傳輸給所述電磁 轉(zhuǎn)矩觀測模塊的第二增益運算器進行運算后的結(jié)果傳輸給所述第二低通濾波器進行運算 后獲得電磁轉(zhuǎn)矩Tf3;
[0009] 將所述電磁轉(zhuǎn)矩I；與所述轉(zhuǎn)子合成轉(zhuǎn)矩1\之間的差值傳輸給所述扭矩微分模塊 的第三增益運算器進行運算后的結(jié)果傳輸給所述第二微分器進行運算，將所述第二微分器 輸出的結(jié)果傳輸給所述第三低通濾波器進行運算后獲得有功電流的補償指令Airq* ;
[0010] 以所述速度環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸出值Lq*與所述補償指令Aiq*進行求和獲得更新 后的轉(zhuǎn)子有功電流的指令;所述更新后的轉(zhuǎn)子有功電流的指令與轉(zhuǎn)子有功 電流L進行差值計算后傳輸給所述有功電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器用于獲得輸出值V^
[0011] 對所述無功電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸出值與所述有功電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸出值 進行PARK逆變換后獲得轉(zhuǎn)子電壓指令V"和V 以所述轉(zhuǎn)子電壓指令V"和Vd作為 SVPffM模塊的輸入信號，從而獲得SVPffM模塊的PffM信號；以所述PffM信號驅(qū)動所述轉(zhuǎn)子側(cè) 變流器，從而實現(xiàn)對雙饋風力發(fā)電機組的軸系振蕩抑制控制。
[0012] 本發(fā)明一種電網(wǎng)電壓對稱驟升下的雙饋風力發(fā)電機組的軸系振蕩抑制控制系統(tǒng) 的方法的特點是按如下步驟進行：
[0013] 步驟1、設定雙饋風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)子角速度指令值COg,;通過光電編碼器檢測所述 雙饋風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)子角速度，將所述轉(zhuǎn)子角速度指令值與所述轉(zhuǎn)子角速度《 ,進 行求差計算，獲得差值A(chǔ)?g后輸入速度環(huán)PI調(diào)節(jié)器Gu(S)獲得轉(zhuǎn)子有功電流指令值;
[0014] 步驟2、通過鎖相環(huán)檢測所述電網(wǎng)電壓的電角度0 s，通過所述光電編碼器檢測所 述雙饋風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)子電角度L，將所述電角度9s和轉(zhuǎn)子電角度9 ^進行求差計算，獲 得所述雙饋風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)差角度9 sl;
[0015] 步驟3、所述雙饋風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)子側(cè)變流器獲取三相轉(zhuǎn)子電流iM，UPi，并 利用式（1)進行靜止坐標系到旋轉(zhuǎn)坐標系的坐標變換，獲得轉(zhuǎn)子無功電流UP轉(zhuǎn)子有功電 流irq:
[0019] 式（2)中，Jg表示所述雙饋風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)子質(zhì)量塊慣量；Tq'表示第一低通濾波 時間常數(shù)；Tq"表示第二低通濾波時間常數(shù)；Kt表示第二增益系數(shù)；并有
[0021] 式（3)中，Lni表示定子和轉(zhuǎn)子之間的互感；L3表示定子自感；np表示所述雙饋風力 發(fā)電機的電機極對數(shù)；表示電網(wǎng)頻率；us表示所述電網(wǎng)相電壓的幅值；
[0022] 步驟5、利用式⑷獲得轉(zhuǎn)子有功電流的補償指令A:
[0024] 式⑷中，K表示第三增益系數(shù)；Tq"'表示第三低通濾波時間常數(shù)；
[0025] 步驟6、將所述補償指令A與所述轉(zhuǎn)子有功電流指令Lq*進行疊加獲得更新 后的轉(zhuǎn)子有功電流指令;
[0026] 步驟7、將更新后的轉(zhuǎn)子有功電流指令（〇'與所述轉(zhuǎn)子有功電流b進行求差 計算獲得差值A(chǔ)、后輸入有功電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器Gq(S)用于獲得輸出值W
[0027] 步驟8、設定所述雙饋風力發(fā)電機的無功電流指令為;將所述無功電流指令 ^d*與所述轉(zhuǎn)子無功電流iJS行求差計算獲得差值A(chǔ)iH后輸入無功電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器 Gd(S)用于獲得輸出值W
[0028] 步驟9、利用式（5)獲得轉(zhuǎn)子電壓指令Vra和Vr{!:
[0030] 步驟10、將所述轉(zhuǎn)子電壓指令和Vd輸入SVPffM模塊從而獲得PffM信號：以所 述PffM信號驅(qū)動所述轉(zhuǎn)子側(cè)變流器，從而實現(xiàn)對雙饋風力發(fā)電機組的軸系振蕩抑制控制。
[0031] 與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在：
[0032] 1、本發(fā)明通過將傳動軸扭矩微分量作為轉(zhuǎn)子有功電流的補償指令，用以實現(xiàn)對雙 饋風電機組的負載波動的超前補償，增強了柔性傳動軸的阻尼系數(shù)，增強了控制系統(tǒng)的穩(wěn) 定性，抑制了電網(wǎng)電壓驟升后風機傳動軸扭矩，電磁轉(zhuǎn)矩和雙饋風力發(fā)電機轉(zhuǎn)速振蕩，加速 了風機傳動軸軸低頻振蕩的衰減，降低了電網(wǎng)故障對風機傳動軸和齒輪箱的磨損，延長了 風機傳動軸的使用壽命。
[0033] 2、本發(fā)明設計了傳動軸扭矩觀測器，可以實現(xiàn)對柔性傳動軸扭矩的實時觀測， 便于準確掌握由風速波動和電網(wǎng)電壓驟升故障造成的風機傳動軸扭矩的波動程度，防止發(fā) 生由風機傳動軸扭矩超出其所能承受的最大扭矩引起的斷齒和斷軸事故。
[0034] 3.本發(fā)明提出的控制系統(tǒng)及其方法設計簡單，無需借助額外的硬件設備，降低了 系統(tǒng)成本和設計的復雜性；可以實時準確的對電磁轉(zhuǎn)矩進行動態(tài)調(diào)整，并通過低通濾波器 的設計來濾除控制系統(tǒng)中的測量噪聲和高頻干擾，消除轉(zhuǎn)子有功電流的補償指令中 的高頻分量，降低了雙饋風力發(fā)電機定子電流和轉(zhuǎn)子電流中的諧波含量，減小了電磁轉(zhuǎn)矩 中的高頻脈動分量。
【附圖說明】
[0035] 圖1為本發(fā)明雙饋風力發(fā)電機軸系振蕩抑制控制結(jié)構(gòu)圖。
【具體實施方式】
[0036] 如圖1所示，本實施例中的一種電網(wǎng)電壓對稱驟升下的雙饋風力發(fā)電機組的軸系 振蕩抑制控制系統(tǒng)，其雙饋風力發(fā)電機組包括：風力機、低速軸、齒輪箱、高速軸、雙饋風力 發(fā)電機、轉(zhuǎn)子側(cè)變流器、直流母線電容、網(wǎng)側(cè)變流器、電網(wǎng)、光電編碼器和控制系統(tǒng)；而控制 系統(tǒng)包括：鎖相環(huán)、速度環(huán)PI調(diào)節(jié)器，有功電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器，無功電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器和SVPffM 模塊，具體實施中，在控制系統(tǒng)中還設置有扭矩微分補償模塊；
[0037] 本實施例中，電網(wǎng)電壓額定值為690V，壓驟升故障導致電壓升高為897V，電壓升 高500ms后恢復正常；雙饋風力發(fā)電機的定子額定電壓為690V，定子額定電流為1400A，轉(zhuǎn) 子開路電壓為2000V，轉(zhuǎn)子額定電流為500A，同步轉(zhuǎn)速為1500r/min，雙饋風力發(fā)電機運行 在超同步轉(zhuǎn)速n= 1800r/min，直流母線電壓為1100￥，轉(zhuǎn)子質(zhì)量塊慣量為80敁.1112;轉(zhuǎn)子側(cè) 變流器采用串級控制方式來實現(xiàn)有功功率和無功功率的獨立解耦控制；有功軸的外環(huán)為速 度環(huán)，內(nèi)環(huán)為有功電流環(huán)；無功軸設定無功電流指令來使得雙饋風力發(fā)電機運行在單位功 率因數(shù)；網(wǎng)側(cè)變流器運行在單位功率因數(shù)；
[0038] 扭矩微分補償模塊是由速度微分模塊、電磁轉(zhuǎn)矩觀測模塊和扭矩微分模塊組成； 速度微分模塊是由第一微分器、第一增益運算器和第一低通濾波器組成；其中，第一增益運 算器的增益系數(shù)取值為轉(zhuǎn)子質(zhì)量塊慣量80,第一低通濾波器中的第一濾波時間常數(shù)V可 取為0. 03 ;電磁轉(zhuǎn)矩觀測模塊是由第二增益運算器和第二低通濾波器組成；其中，第二低 通濾波器中的第二濾波時間常數(shù)Tq"取值與第一濾波時間常數(shù)V取值相等；扭矩微分模 塊是由第二微分器、第三增益運算器和第三低通濾波器組成；其中，第三增益運算器的增益 系數(shù)K取值為-0. 05,第三低通濾波器中的第三濾波時間常數(shù)Tq"'可取為0. 08 ;
[0039] 光電編碼器獲取雙饋風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)子角速度^^傳輸給速度微分模塊的第一增 益運算器進行運算后的結(jié)果傳輸給第一微分器進行運算，將第一微分器的運輸結(jié)果傳輸給 第一低通濾波器進行運算后獲得轉(zhuǎn)子合成轉(zhuǎn)矩1；;1\即為電磁轉(zhuǎn)矩與傳動軸扭矩的差值；
[0040] 將電網(wǎng)電壓矢量所在的位置定為兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系的q軸，兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標 系的d軸滯后q軸90°電角度；對通過電流傳感器所獲取的雙饋風力發(fā)電機的三相轉(zhuǎn)子電 流iM，和i"進行CLARK變換和PARK變換后獲得轉(zhuǎn)子無功電流