CN103256188A - 一种风力发电机组传动链的扭转振动控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于风力发电系统控制技术领域，公开了一种风力发电机组传动链的扭转振动控制方法及装置。该风力发电机组传动链的扭转振动控制方法包括以下步骤：S1：同时检测获得风力发电机组传动链高速轴的转速ω_G和低速轴的转速ω_W；S2：作差值计算得ω_e=(ω_G-Nω_W)，N为齿轮箱的传动比；S3：将差值ω_e通过低通滤波滤除检测的高次噪声，从而可得ω_e′，令δ₁=pω_e′，p为误差反馈增益；S4：计算得出发电机电磁转矩指令值T_G1=T_G+δ₁ω_G，转矩控制器控制发电机输出电磁转矩指令值T_G1。本发明能够实现阻尼自适应调节控制，并且在风力发电机组处于稳态时消除因阻尼变化引起的功率损失。

Description

一种风力发电机组传动链的扭转振动控制方法及装置

技术领域

本发明属于风力发电系统控制技术领域，特别涉及一种风力发电机组传动链的扭转振动控制方法及装置。

背景技术

在风力发电系统中，风力机和发电机之间的变速传动装置(一般为齿轮箱)是必不可少的，这使得风力发电机组传动链具有较大柔性，可能导致系统动态过程中出现传动链扭转振动的问题。

针对传动链的阻尼较小而容易引起传动链扭转振动的问题，目前一般采用的方法是：在原有转矩的给定值的基础上增加一个很小的与传动链的扭转速度相反的附加转矩，用来增加传动链的阻尼，以抑制传动链扭转振动。但是，附加转矩通常是采用发电机转速通过一个带通滤波器近似获得，滤波频率及反馈增益直接影响到扭转振动的抑制能力。

发明内容

本发明的目的在于提出一种抑制风力发电机组传动链扭转振动的方法及装置。本发明能够实现阻尼自适应调节控制，并且在风力发电机组处于稳态时消除因阻尼变化引起的功率损失。

一种风力发电机组传动链的扭转振动控制方法包括以下步骤：

S1：同时检测获得风力发电机组传动链高速轴的转速ω_G和低速轴的转速ω_W，

S2：作差值计算得ω_e=(ω_G-Nω_W)，N为齿轮箱的传动比；

S3：将差值ω_e通过低通滤波滤除检测的高次噪声，从而可得ω_e′，令δ₁=pω_e′，p为误差反馈增益；

S4：计算得出发电机电磁转矩指令值T_G1=T_G+δ₁ω_G，转矩控制器控制发电机输出电磁转矩指令值T_G1。

在步骤S3之前将差值ω_e的下限设定为0rad/s，上限设定在5-10rad/s之间

所述将差值ω_e进行低通滤波的过程中，低通滤波的截止频率大于5倍自然振荡频率。

一种风力发电机组传动链的扭转振动控制装置包括：

风力发电机组传动链，用于提供高速轴的转速ω_G和低速轴的转速ω_W，将低速轴的转速ω_W输出至传动比增益器，将高速轴的转速ω_G分别传输至差值计算器和转矩控制器；

传动比增益器，用于获取齿轮箱的传动比N，并将计算得出的Nω_W输出至差值计算器；

差值计算器，用于计算得出差值ω_e=(ω_G-Nω_W)，并将差值ω_e输出至低通滤波器；

低通滤波器，用于将差值ω_e通过低通滤波滤除检测的高次噪声，得出ω_e′，并将ω_e′输出至比例增益器；

比例增益器，用于计算得出自适应反馈系数δ₁，并将自适应反馈系数δ₁输出至转矩控制器；

转矩控制器，用于计算得出发电机电磁转矩指令值T_G1=T_G+δ₁ω_G，并控制发电机输出电磁转矩指令值T_G1。

所述一种风力发电机组传动链的扭转振动控制装置还包括：

差值限幅器，用于获取来自差值计算器的差值ω_e，并将差值ω_e的下限限定为0rad/s，上限限定在5-10rad/s之间。

低通滤波的截止频率大于5倍自然振荡频率。

本发明的有益效果为：

1）不需要在转速反馈上采用滤波环节（特指自然振动频率附近），可以避免自然振动频率未知而出现滤波环节难以设计的问题。

2）不需要同时检测低速轴和高速轴的转速，一般风电机组中都有低速轴和高速轴转速检测装置，不会增加成本。

3）本发明分别检测低速轴和高速轴的转速做差，通过低通滤波和放大后对反馈阻尼增益进行在线调节，从而实现阻尼自适应调节控制。动态时差值较大，阻尼自适应调节器使反馈阻尼增益变大，稳态时差值接近于0，阻尼自适应调节器减小反馈阻尼增益，即

进而有

最终消除因阻尼变化引起的功率损失。

附图说明

图1为风力发电机组传动链扭转振动控制方法的两质量块模型示意图；

图2为风力发电机组传动链扭转振动控制装置第一示意图；

图3为风力发电机组传动链扭转振动控制装置第二示意图；

图4为阶跃风速时本发明（风力发电机组传动链的扭转振动控制装置）和原系统（未采用本发明风力发电机组传动链扭转振动控制装置）中的风力发电机组传动链机械转矩响应波形对比图；

图5为阶跃风速时原系统（未采用本发明风力发电机组传动链扭转振动控制装置）进行折算后的低速轴转速和高速轴转速波形图；

图6为阶跃风速时风力发电机组传动链扭转振动控制装置中进行折算后的低速轴转速和高速轴转速波形图；

图7为阶跃风速时本发明（风力发电机组传动链的扭转振动控制装置）和原系统（未采用本发明风力发电机组传动链扭转振动控制装置）中的发电机电磁功率响应波形对比图；

图8为模拟自然风时本发明（风力发电机组传动链的扭转振动控制装置）和原系统（未采用本发明风力发电机组传动链扭转振动控制装置）中的风力发电机组传动链机械转矩响应波形对比图；

图9为模拟自然风时原系统（未采用本发明风力发电机组传动链扭转振动控制装置）进行折算后的低速轴转速和高速轴转速波形图；

图10为模拟自然风时风力发电机组传动链扭转振动控制装置中进行折算后的低速轴转速和高速轴转速波形图；

图11为模拟自然风时本发明（风力发电机组传动链的扭转振动控制装置）和原系统（未采用本发明风力发电机组传动链扭转振动控制装置）中的发电机电磁功率响应波形对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

参照图1，利用两质量块模型对风力发电机组传动链扭转振动抑制方法进行研究，将风力机与齿轮箱等效为W质量块，发电机转子等效为G质量块，传动柔性等效至高速轴，从而建立两质量块模型，其中J_W、J_G分别为W质量块和G质量块的转动惯量，δ_W、δ_G分别为W质量块和G质量块的阻尼系数，T_W为风力机输出转矩，T_G为发电机电磁转矩，θ_W、θ_G分别为风力机和发电机的转角，ω_W、ω_G分别为风力发电机低速轴转速和高速轴转速，k为轴的刚度系数，T_s为轴传递的机械转矩，D_s为轴间的扭转阻尼，将低速轴向高速轴等效后，低速轴各量都要进行相应的折算，齿轮箱的传动比为N(W质量块的参数已折算)。

假设在某一风速V下，风力机以转速ω_W0旋转，转矩为T_W0，发电机以转速ω_G0旋转，转矩为T_G0。此时，若风速突然变化，此时考虑风力机和发电机瞬间转速分别为：

${\mathrm{\ω}}_W={\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_W+{\mathrm{\ω}}_{W0}$

${\mathrm{\ω}}_G={\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_G+{\mathrm{\ω}}_{G0}---\left(1\right)$

其中：

风力机扭转振动速度、

发电机扭转振动速度。由于

改变了风力机和发电机的转速，此时风力机输出转矩T_W和发电机电磁转矩T_G都随之变化。

令风力机输出转矩T_W的变化量ΔT_W，发电机电磁转矩T_G的变化量ΔT_G，则

T_W=ΔT_W+T_W0

T_G=ΔT_G+T_G0                  (2)

依据常规转矩控制的分段线性插值方案，令转速ω_G0附近的发电机电磁转矩变化量为：

${\mathrm{\ΔT}}_G\≈k_0{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_G---\left(3\right)$

式中：k₀为比例常数。根据机械结构动力学的原理，对机械传动链进行建模，于是可得风力机和发电机扭转振动方程如下：

$J_W{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_W={\mathrm{\ΔT}}_W-T_s-D_s({\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_W-{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_G)-{\mathrm{\δ}}_W{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_W---\left(4\right)$

$J_G{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_G=T_s+D_s({\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_W-{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_G)-{\mathrm{\ΔT}}_G-{\mathrm{\δ}}_G{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_G---\left(5\right)$

k(θ_W-θ_G)=T_s    (6)

式中：

为风力机扭转速度加速度、

发电机扭转速度加速度。

由式(3)、(5)和(6)整理后可得传动链模型高速轴与低速轴的扭转振动方程：

$J_G{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_G+(D_s+{\mathrm{\δ}}_G+k_0){\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_G+{\mathrm{k\θ}}_G={\mathrm{k\θ}}_W+D_s{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_W---\left(7\right)$

假设θ_W和θ_G分别为传动链系统模型输入与输出，将式(7)进行拉氏变换得：

$\frac{{\mathrm{\θ}}_G\left(s\right)}{{\mathrm{\θ}}_W\left(s\right)}=\frac{k(1+\frac{D_s}{k}s)}{J_G{s}^2+(k_o+{\mathrm{\δ}}_G+D_s)s+k}---\left(8\right)$

根据典型二阶系统的描述可知自然振荡频率和系统阻尼：

${\mathrm{\ω}}_n=\sqrt{\frac{k}{J_G}}$

$\mathrm{\ξ}=\frac{k_0+{\text{\δ}}_G+D_s}{2\sqrt{J_{G}k}}---\left(9\right)$

根据控制理论可知，若系统阻尼ξ较小，在θ_G跟踪θ_W时，系统可能出现超调量大，调节时间长，甚至出现振荡等问题。又有k(θ_W-θ_G)=T_s，因此θ_G的跟踪效果直接影响到风力发电机组传动链机械转矩。由式(9)可知，由于转矩控制器引入，机械传动链的阻尼得到提高，可以改善系统的稳定性，但在额定风速以上时，由于转矩控制器输出为常数，没有增加机械传动链阻尼的作用，而机械传动链本身的阻尼很小，很容易出现机组扭转振荡。

参照图2，一种风力发电机组传动链的扭转振动控制方法包括以下步骤：

S1：同时检测获得风力发电机组传动链高速轴的转速ω_G和低速轴的转速ω_W。

S2：作差值计算得ω_e=(ω_G-Nω_W)，N为齿轮箱的传动比。

S3：将差值ω_e通过低通滤波滤除检测的高次噪声，从而可得ω_e′，令δ₁=pω_e′，p为误差反馈增益。为避免将自然振荡频率附近的信号滤掉，低通滤波的截止频率应大于5倍自然振荡频率。

S4：计算得出发电机电磁转矩指令值T_G1=T_G+δ₁ω_G，转矩控制器控制发电机输出电磁转矩指令值T_G1。

参照图3，具体地，在步骤S2之前将差值ω_e的下限设定为0rad/s，上限设定在5-10rad/s之间。

本发明还提出了一种风力发电机组传动链的扭转振动控制装置，该控制装置的实施方式与上述方法实施例相同，在此不再重复。

下面说明本发明的试验效果：

根据式（1）至式（9），即可得新的系统阻尼

$\mathrm{\ξ}=\frac{k_0+{\mathrm{\δ}}_G+D_s+{\mathrm{\δ}}_1}{2\sqrt{J_{G}k}}---\left(11\right)$

转矩控制器输出上叠加一个发电机转速的反馈后，机械传动链的阻尼有相应的提高，只要δ₁选择适当，可有效抑制齿轮箱上的转矩大范围波动。

当系统（风力发电机组）处于稳态时，有

即：

T_G=T_W-δ₁ω_G

(12)

此时，

则T_G无限接近于T_W，本发明在降低机械转矩动态振荡的同时消除稳态下的功率损失。

由于风力发电机组传动链均为柔性，因此在风速变化时转矩传递有延时，这导致风力发电机组传动链机械转矩振荡，也使得低速轴转速和高速轴转速存在微小的瞬时误差。本发明分别检测低速轴和高速轴的转速做差，通过低通滤波和放大后对反馈阻尼增益进行在线调节，从而实现阻尼自适应调节控制。

下面通过对比说明本发明的控制方案的效果。

参照图4、图5和图6，在阶跃风速下，原系统的风力发电机组传动链机械转矩响应有一定动态振荡，采用自适应变阻尼控制方案时，由于引入低速轴（对应图5和图6中的虚线）和高速轴的转速（对应图5和图6中的实线）瞬时偏差作为控制目标，极大的抑制了风力发电机组传动链机械转矩振荡，高速轴转速跟踪低速轴转速（折算后）时没有振荡。

参照图7，在阶跃风速下，本发明的控制方案所取得的发电机电磁功率动态性能有所变差。由此可见，抑制风力发电机组传动链机械转矩振荡对发电机功率特性会产生影响，需要综合考虑。

参照图8、图9和图10，在模拟自然风下，原系统的风力发电机组传动链机械转矩响应在额定风速以上有较大动态振荡，而在额定风速以下时动态振荡较小，验证了额定风速以下及以上时对传动链模型稳定性的理论分析。由于引入低速轴（对应图9和图10中的虚线）和高速轴的转速（对应图9和图10中的实线）瞬时偏差作为控制目标，极大的抑制了风力发电机组传动链机械转矩振荡，高速轴转速跟踪低速轴转速（折算后）时没有振荡。

参照图11，在模拟自然风下，本发明的控制方案所取得的发电机电磁功率动态性能有所变差，但并不影响输出功率的品质。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种风力发电机组传动链的扭转振动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：同时检测获得风力发电机组传动链高速轴的转速ω_G和低速轴的转速ω_W；

S2：作差值计算得ω_e=(ω_G-Nω_W)，N为齿轮箱的传动比；

S3：将差值ω_e通过低通滤波滤除检测的高次噪声，从而可得ω_e′，令δ₁=pω_e′，p为误差反馈增益；

S4：计算得出发电机电磁转矩指令值T_G1=T_G+δ₁ω_G，转矩控制器控制发电机输出电磁转矩指令值T_G1。

2.如权利要求1所述的一种风力发电机组传动链的扭转振动控制方法，其特征在于，在步骤S3之前将差值ω_e的下限设定为0rad/s，上限设定在5-10rad/s之间。

3.如权利要求1所述的一种风力发电机组传动链的扭转振动控制方法，其特征在于，所述将差值ω_e进行低通滤波的过程中，低通滤波的截止频率大于5倍自然振荡频率。

4.一种风力发电机组传动链的扭转振动控制装置，其特征在于，包括：

风力发电机组传动链，用于提供高速轴的转速ω_G和低速轴的转速ω_W，将低速轴的转速ω_W输出至传动比增益器，将高速轴的转速ω_G分别传输至差值计算器和转矩控制器；

传动比增益器，用于获取齿轮箱的传动比N，并将计算得出的Nω_W输出至差值计算器；

差值计算器，用于计算得出差值ω_e=(ω_G-Nω_W)，并将差值ω_e输出至低通滤波器；

低通滤波器，用于将差值ω_e通过低通滤波滤除检测的高次噪声，得出ω_e′，并将ω_e′输出至比例增益器；

比例增益器，用于计算得出自适应反馈系数δ₁，并将自适应反馈系数δ₁输出至转矩控制器；

转矩控制器，用于计算得出发电机电磁转矩指令值T_G1=T_G+δ₁ω_G，并控制发电机输出电磁转矩指令值T_G1。

5.如权利要求4所述的一种风力发电机组传动链的扭转振动控制装置，其特征在于，还包括：

差值限幅器，用于获取来自差值计算器的差值ω_e，并将差值ω_e的下限限定为0rad/s，上限限定在5-10rad/s之间。

6.如权利要求4所述的一种风力发电机组传动链的扭转振动控制装置，其特征在于，所述低通滤波器的截止频率大于5倍自然振荡频率。

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