CN103187912B - 一种快速穿越共振带的风力发电机转矩控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种快速穿越共振带的风力发电机转矩控制方法，具体方法为根据塔筒的共振频率对应的发电机转速值及共振带的带宽设置共振区，根据当前的发电机转速和风速的值设置不同的发电机转矩，使发电机的转速值能够在低速区与高速区之间快速穿越。控制方法包括：发电机转速的一阶滤波算法，低速区的转矩提升值计算、高速区的转矩提升值计算、风机6种不同运行状态的判断与切换程序。本发明具有降低风机的载荷，有效提高风机的安全性与使用寿命的特点；避免风机在共振点附近频繁切换导致的电网波动，能够有效提高电能质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种风力发电机转矩的控制技术，特别是涉及一种应用于兆瓦级异步双馈风力发电机的能够快速穿越共振带的转矩控制方法。
背景技术
兆瓦级异步双馈风力发电机的转速控制目前采用的控制方法是通过变桨控制和转矩控制实现的。其中转矩控制主要应用在额定风速以下。由于上风向型的水平轴变速风机的转速在额定风速以下是沿着最佳叶尖速比曲线不断变化，叶轮旋转时与风机的塔筒之间由于空气动力影响产生作用力，如果某一转速下风轮的作用力频率与塔筒的固有频率一致，就会产生共振，导致风机受损甚至倾倒。为了避免叶轮与塔筒间的作用力导致的塔筒共振，需要通过转矩控制算法避开共振频率的转速。目前普遍采用的转矩控制算法是在转速闭环控制中加入陷波滤波器，也有采用在共振频率对应的叶轮转速给定中，避开共振点处的叶轮转速给定值，这些控制方法要么对风机的载荷有较大影响，要么不能快速的通过共振带，最终都不能完美解决塔筒共振的问题。本发明提出一种可行的控制方法，能够快速穿越共振带，避免风机转速在共振点频繁切换，同时对风机载荷又不会带来较大影响的发电机转矩控制方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种能够快速穿越共振带的转矩控制方法，本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种快速穿越共振带的风力发电机转矩控制方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1)根据风机的发电机共振转速值Sz和共振区的带宽W对应的发电机转速S，计算出发电机共振转速下限转矩点c对应的共振转速带的下限转速值S2和发电机共振转速上限转矩点f对应的上限转速值S3；
步骤2)查询转速/转矩表T得到发电机共振转速下限转矩点c转矩值Mc和发电机共振转速上限转矩点f处的转矩值Mf；计算发电机共振转速下限转矩点c对应的发电机功率Pc和发电机共振转速下限转矩提升点d对应的发电机功率Pf；
步骤3)将发电机共振转速下限转矩点c的转矩提升至发电机共振转速下限转矩提升点d,并设置发电机共振转速下限转矩提升点d的发电机功率等于发电机共振转速上限转矩点f的发电机功率；将发电机共振转速上限转矩点f的转矩降低至发电机共振转速上限转矩降低点e，并设置发电机共振转速上限转矩降低点e的发电机功率等于发电机共振转速下限转矩点c发电机功率；然后计算发电机共振转速下限转矩提升点d发电机转矩Md和发电机共振转速上限转矩降低点e发电机转矩Me；
步骤4)对实时检测的发电机实际转速值Sc采用一阶低通滤波算法计算出滤波后的发电机转速值S_flt；根据根据S_flt和当前风速值Vn的不同，设置不同的发电机转矩。
所述步骤1)中发电机共振转速值Sz是能够引起叶轮与塔筒共振的发电机转速值。
所述发电机共振转速下限转矩点c对应的共振带的下限转速值S2的计算公式为S2＝Sz-S/2；
所述发电机共振转速上限转矩点f对应的共振带的上限转速值S3的计算公式为S3＝Sz+S/2；
其中：Sz为塔筒共振点对应的发电机转速；S为共振带的带宽对应的发电机转速。
所述步骤2)、3)中发电机共振转速下限转矩点c的横坐标是发电机共振转速带的下限值S2，c点的纵坐标为发电机的转矩值Mc，Mc等于发电机转速S2对应的最佳叶尖速比转矩值；
所述步骤2)、3)中发电机共振转速上限转矩点f的横坐标是发电机共振转速带上限值S3，f点的纵坐标为发电机的转矩值Mf，Mf等于发电机转速S3对应的最佳叶尖速比转矩值；
所述发电机共振转速下限转矩点c对应的发电机功率Pc和发电机共振转速上限转矩点f对应的发电机功率Pf的计算公式为：
Pc＝Mc*S2/9550；
Pf＝Mf*S3/9550。
所述步骤2)、3)中发电机共振转速下限转矩提升点d的横坐标是发电机共振转速带的下限值S2，d点的纵坐标为发电机的转矩值Md，Md的值是按照d点的功率等于f点功率关系式计算得到的；
所述步骤3)中发电机共振转速上限转矩降低点e的横坐标是发电机共振转速带的上限值S3，e点的纵坐标为发电机的转矩值Me，Me是按照e点的功率等于c点的功率关系计算得出的；
Md和Me的计算公式为：
Md＝9550*Pf/S2；
Me＝9550*Pc/S3；
所述实时检测的发电机实际转速值Sc是通过通过安装于发电机尾部的编码器检测所得到的。
所述采用一阶低通滤波算法计算滤波后的发电机转速值S_flt的计算公式为：
S_flt＝S_flt_old*(m-1)/m+Sc/m
其中：S_flt为滤波后的转速值；S_flt_old为滤波后的转速的上一个扫描周期的值；m为滤波因子。
所述转速/转矩表T是根据叶片最佳叶尖速比曲线建立的。
所述步骤4)中根据S_flt和当前风速值Vn的不同，设置不同的发电机转矩包括：
(1)S_flt<S2或S_flt>S3时，发电机转矩M＝T(S_flt)；
(2)S_flt＝S2时,发电机转矩M＝Md；
(3)S2<S_flt<S3且Vn>Vf时，发电机转矩M＝Me；
(4)S2<S_flt<S3且Vn<Vc时，发电机转矩M＝Md；
(5)S2<S_flt<S3且Vc<Vn<Vf时，发电机转矩M＝M_old；
(6)S_flt＝S3时，发电机转矩M＝Me；
其中，Vf为发电机共振转速上限转矩点f对应风速，Vc为发电机共振转速下限转矩点c对应风速，M_old为上一扫描周期的发电机转矩。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明能够避免风轮转速运行在塔筒共振频率点附近，从而提高了风机的安全性，并有效减小了风机的载荷，提高了风机的使用寿命。
2、本发明方法能够避免风机在共振点附近频繁切换导致的电网波动，能够有效提高电能质量。
3、本发明方法程序流程简单，易于编程实现，对控制器硬件要求低。市场上各类型风机控制器均满足本发明算法的要求。
附图说明
图1为本发明的转矩控制原理图；
图2为本发明的软件流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示，bg段是根据叶轮的最佳叶尖速比绘制的转速/转矩曲线，在本发明中以转速/转矩二维表T形式表示，如表1。
表1转速/转矩表
首先设置发电机共振转速值Sz和共振带对应的发电机转速S，然后根据Sz和S的值计算共振带下限转速值S2和共振带上限转速值S3，然后查转速/转矩表T得到c点转矩值Mc和f处的转矩值Mf,计算c点对应的发电机功率Pc和d点对应的发电机功率Pf,将c点的转矩值升高到d,将e点的转矩升高到f，设置d点的发电机功率等于e点的发电机功率，由此可计算出d点的转矩值Md，设置f点的发电机功率等于c点的发电机功率，由此可计算出f点的转矩值Mf,测量发电机的实际转速值Sc,对Sc采用一阶低通滤波算法计算出滤波后的发电机转速值S_flt，当发电机转速S_flt在bc段或fg段变化时，采用查转速/转矩表T得到发电机转矩值M,当发电机转速值在s2点或S3点处附近变化时，分别采用d点转矩Md和e点转矩Me代替原来的c点转矩和f点转矩，使发电机转速值被钳位在S2和S3点，当发电机转速由于风速的影响进入S2和S3区间时，通过降低转矩设置值或升高转矩设置值，启动相应的快速穿越程序，将发电机转速值由低速区快速升高到高速区或由高速区快速降低到低速区，为防止由于穿越过程中风速的突变导致穿越失败，在控制算法中还加入了穿越中止程序，在发电机转速由低速到高速的穿越过程中，若此时风速突降，则启动反向穿越程序，将发电机转速快速降低至低速区，反之亦然。为防止启动穿越程序带来的转矩突变，在程序算法中还加入了转矩变化量的限幅，其作用效果如图1中的dm段和en段。
所述控制程序流程为：
首先初始化参数：发电机共振转速Sz、共振带宽对应转速S、滤波因子m，转速滤波上一扫描周期值S_flt_old；然后根据叶片最佳叶尖速比曲线建立转速/转矩表T；计算共振带下限S2处发电机转速S2＝Sz-S/2；计算共振带上限S3处发电机转速S3＝Sz+S/2；查转速/转矩表T得到S2和S3处发电机转矩值Mc＝T(S2)，Mf＝T(S3)；计算S2和S3处的发电机功率Pc＝Mc*S2/9550，Pf＝Mf*S3/9550；计算S2处转矩提升后的值Md和S3处转矩下降后的值Me，Md＝9550*Pf/S2，Me＝9550*Pc/S3；读取发电机转速测量值Sc；对发电机转速测量值进行一阶低通滤波S_flt＝S_flt_old*(m-1)/m+Sc/m，S_flt_old＝S_flt；判断滤波后的发电机转速S_flt是否小于S2或大于S3，若是则跳转到执行查询转矩表M＝T(S_flt)步骤，否则跳转到判断S_flt是否等于S2步骤；查询转矩表M＝T(S_flt)步骤执行完毕后，跳转到转矩M变化量限幅步骤；判断S_flt是否等于S2，若是则执行转矩M＝Md，否则跳转到判断S_flt>S2and S_flt<S3？步骤；执行完转矩M＝Md后，执行转矩变化量限幅步骤；判断S_flt>S2and S_flt<S3吗，若是则执行判断S_flt_Old<＝S2？步骤，否则跳转到判断S_flt＝S3？；判断S_flt_old<＝S2？，若是则执行设置向上穿越转矩M＝Mf,否则跳转到设置向下穿越转矩M＝Md；设置向上穿越转矩M＝Mf执行完毕后，判断风速<c点对应风速？，若是则执行向上穿越中止M＝Md，否则跳转到转矩M变化量限幅步骤；向上穿越中止M＝Md执行完毕后执行转矩M变化量限幅；设置向下穿越转矩M＝Md执行完毕后，判断风速>d点对应风速？，若是则执行向下穿越中止M＝Mf,然后执行转矩M变化量限幅，否则跳转到执行转矩M变化量限幅；判断S_flt＝S3？，若是则执行转矩M＝Me,然后执行转矩M变化量限幅，否则跳转到查转矩表M＝T(S_flt)；转矩M变化量限幅执行完毕后，执行转矩M输出，然后判断是否退出转矩控制，若否则跳转到读取发电机转速测量值Sc若是则程序结束。
本实施例为额定功率1.5MW异步双馈风机，三叶片上风向型。
首先初始化参数：发电机共振转速Sz＝1500rpm、共振带宽对应转速S＝50(rpm)、滤波因子m＝10，转速滤波上一扫描周期值S_flt_old＝0；然后根据叶片最佳叶尖速比曲线建立转速/转矩表T,如图3所示；计算共振带下限S2处发电机转速S2＝Sz-S/2，经计算得S2＝1475rpm；计算共振带上限S3处发电机转速S3＝Sz+S/2，经计算得S3＝1525rpm；查转速/转矩表T得到S2和S3处发电机转矩值Mc＝T(S2)＝(3597-3145)*(1475-1400)/(1500-1400)+3145＝3484(N)，Mf＝T(S3)＝(4083-3597)*(1525-1500)/(1600-1500)+3597＝3718.5(N)；计算S2和S3处的发电机功率Pc＝Mc*S2/9550＝3484*1475/9550＝538.1(KW)，Pf＝Mf*S3/9550＝3718.5*1525/9550＝593.79(KW)；计算S2处转矩提升后的值Md和S3处转矩下降后的值Me，Md＝9550*Pf/S2＝9550*593.79/1475＝3844.5(N)，Me＝9550*Pc/S3＝9550*538.1/1525＝3369.7(N)；
读取发电机转速测量值Sc；对发电机转速测量值进行一阶低通滤波S_flt,滤波算法的计算公式为S_flt＝S_flt_old*(m-1)/m+Sc/m，S_flt_old＝S_flt；从滤波计算公式可知，实时读取的发电机转速测量值Sc的变化对滤波后的值影响只有原来的1/10(m＝10),这样有效消除了转速波动对控制系统的影响。判断滤波后的发电机转速S_flt是否小于S2或大于S3，若是则跳转到执行查询转矩表M＝T(S_flt)步骤，否则跳转到判断S_flt是否等于S2步骤；查询转矩表M＝T(S_flt)步骤执行完毕后，跳转到转矩M变化量限幅步骤；判断S_flt是否等于S2，若是则执行转矩M＝Md，否则跳转到判断S_flt>S2and S_flt<S3？步骤；执行完转矩M＝Md后，执行转矩变化量限幅步骤；判断S_flt>S2and S_flt<S3吗，若是则执行判断S_flt_Old<＝S2？步骤，否则跳转到判断S_flt＝S3？；判断S_flt_old<＝S2？,若是则执行设置向上穿越转矩M＝Mf,否则跳转到设置向下穿越转矩M＝Md；设置向上穿越转矩M＝Mf执行完毕后，判断风速<c点对应风速？,若是则执行向上穿越中止M＝Md，否则跳转到转矩M变化量限幅步骤；向上穿越中止M＝Md执行完毕后执行转矩M变化量限幅；设置向下穿越转矩M＝Md执行完毕后，判断风速>d点对应风速？，若是则执行向下穿越中止M＝Mf,然后执行转矩M变化量限幅，否则跳转到执行转矩M变化量限幅；判断S_flt＝S3？，若是则执行转矩M＝Me,然后执行转矩M变化量限幅，否则跳转到查转矩表M＝T(S_flt)；转矩M变化量限幅执行完毕后，执行转矩M输出，然后判断是否退出转矩控制，若否则跳转到读取发电机转速测量值Sc若是则程序结束。
由本发明算法看其控制过程：
(1)由低到高快速穿越共振带过程
当发电机转速小于S2点转速值，可吸收的风功率由小于d点增大到大于d点功率时，由于f点的功率与d点功率相等，在此工况下，虽然S2点转矩拉高到Md,仍然无法阻止发电机转速的上升，使得通过叶轮转速一阶低通滤波算法测得的转速S_flt大于S2,此时将启动由低到高的向上穿越程序，将发电机的转矩给定值由Md突降到Me，根据发电机功率一定的情况下发电机转速与转矩成反比的特性，发电机转矩值的急剧下降必将使发电机转速快速的上升，使发电机转速由S2快速升至S3，从而完成由低到高快速穿越共振带，当转速上升到S3甚至超过S3的某一点，发电机功率与能被叶轮吸收的风功率达到平衡，发电机便运行在efg曲线段。
(2)由高到低快速穿越共振带过程
当发电机转速大于S3点转速值，可吸收的风功率由大于e点功率减小到小于e点功率时，由于e点的功率与c点功率相等，在此工况下，虽然S3点转矩降低到Me,仍然无法阻止发电机转速的下降，使得通过叶轮转速一阶低通滤波算法测得的转速S_flt小于S3,此时将启动由高到低的向下穿越程序，将发电机的转矩给定值由Me突升到Md，根据发电机功率一定的情况下发电机转速与转矩成反比的特性，发电机转矩值的急剧上升必将使发电机转速快速的下降，使发电机转速由S3快速降至S2，从而完成由高到低快速穿越共振带，当转速下降到S2甚至低于S2的某一点，发电机功率与能被叶轮吸收的风功率达到平衡，发电机便运行在bcd曲线段。
(3)在S2点和S3点的钳位作用
由于在S2点的转矩拉高和S3点的转矩降低，使发电机转速由低转速到高转速的穿越或由高转速到低转速的穿越次数明显减少，其原因是，当发电机工作在低转速区时，只有当可吸收的风功率大于f点的功率，才会启动向上穿越程序，当发电机工作在高转速区时，只有当可吸收的风功率小于c点功率，才会启动向下穿越程序，也就是说，可吸收的风功率值在cf虚线段时，发电机的转速被钳位在S2或S3，通过调整Md和Me的值，实现对S2点和S3点的钳位作用的调整功能。
Claims (9)
1.一种快速穿越共振带的风力发电机转矩控制方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1)根据风机的发电机共振转速值Sz和共振区的带宽W对应的发电机转速S，计算出发电机共振转速下限转矩点c对应的共振转速带的下限转速值S2和发电机共振转速上限转矩点f对应的上限转速值S3；
步骤2)查询转速/转矩表T得到发电机共振转速下限转矩点c转矩值Mc和发电机共振转速上限转矩点f处的转矩值Mf；计算发电机共振转速下限转矩点c对应的发电机功率Pc和发电机共振转速下限转矩提升点d对应的发电机功率Pf；
步骤3)将发电机共振转速下限转矩点c的转矩提升至发电机共振转速下限转矩提升点d，并设置发电机共振转速下限转矩提升点d的发电机功率等于发电机共振转速上限转矩点f的发电机功率；将发电机共振转速上限转矩点f的转矩降低至发电机共振转速上限转矩降低点e，并设置发电机共振转速上限转矩降低点e的发电机功率等于发电机共振转速下限转矩点c发电机功率；然后计算发电机共振转速下限转矩提升点d发电机转矩Md和发电机共振转速上限转矩降低点e发电机转矩Me；
步骤4)对实时检测的发电机实际转速值Sc采用一阶低通滤波算法计算出滤波后的发电机转速值S_flt；根据S_flt和当前风速值Vn的不同，设置不同的发电机转矩。
2.根据权利要求1所述的一种快速穿越共振带的风力发电机转矩控制方法，其特征在于：
所述步骤1)中发电机共振转速值Sz是引起叶轮与塔筒共振的发电机转速值。
3.根据权利要求1所述的一种快速穿越共振带的风力发电机转矩控制方法，其特征在于：
所述发电机共振转速下限转矩点c对应的共振带的下限转速值S2的计算公式为S2＝Sz-S/2；
所述发电机共振转速上限转矩点f对应的共振带的上限转速值S3的计算公式为S3＝Sz+S/2；
其中：Sz为塔筒共振点对应的发电机转速；S为共振带的带宽对应的发电机转速。
4.根据权利要求1所述的一种快速穿越共振带的风力发电机转矩控制方法，其特征在于：
所述步骤2)、3)中发电机共振转速下限转矩点c的横坐标是发电机共振转速带的下限值S2，c点的纵坐标为发电机的转矩值Mc，Mc等于发电机转速S2对应的最佳叶尖速比转矩值；
所述步骤2)、3)中发电机共振转速上限转矩点f的横坐标是发电机共振转速带上限值S3，f点的纵坐标为发电机的转矩值Mf，Mf等于发电机转速S3对应的最佳叶尖速比转矩值；
所述发电机共振转速下限转矩点c对应的发电机功率Pc和发电机共振转速上限转矩点f对应的发电机功率Pf的计算公式为：
Pc＝Mc*S2/9550；
Pf＝Mf*S3/9550。
5.根据权利要求1所述的一种快速穿越共振带的风力发电机转矩控制方法，其特征在于：
所述步骤2)、3)中发电机共振转速下限转矩提升点d的横坐标是发电机共振转速带的下限值S2，d点的纵坐标为发电机的转矩值Md，Md的值是按照d点的功率等于f点功率关系式计算得到的；
所述步骤3)中发电机共振转速上限转矩降低点e的横坐标是发电机共振转速带的上限值S3，e点的纵坐标为发电机的转矩值Me，Me是按照e点的功率等于c点的功率关系计算得出的；
Md和Me的计算公式为：
Md＝9550*Pf/S2；
Me＝9550*Pc/S3。
6.根据权利要求1所述的一种快速穿越共振带的风力发电机转矩控制方法，其特征在于：
所述实时检测的发电机实际转速值Sc是通过安装于发电机尾部的编码器检测所得到的。
7.根据权利要求1所述的一种快速穿越共振带的风力发电机转矩控制方法，其特征在于：
所述采用一阶低通滤波算法计算滤波后的发电机转速值S_flt的计算公式为：
S_flt＝S_flt_old*(m-1)/m+Sc/m；
其中：S_flt为滤波后的转速值；S_flt_old为滤波后的转速的上一个扫描周期的值；m为滤波因子。
8.根据权利要求1所述的一种快速穿越共振带的风力发电机转矩控制方法，其特征在于：
所述转速/转矩表T是根据叶片最佳叶尖速比曲线建立的。
9.根据权利要求1所述的一种快速穿越共振带的风力发电机转矩控制方法，其特征在于：
所述步骤4)中根据S_flt和当前风速值Vn的不同，设置不同的发电机转矩包括：
(1)S_flt＜S2或S_flt＞S3时，发电机转矩M＝T(S_flt)；
(2)S_flt＝S2时，发电机转矩M＝Md；
(3)S2＜S_flt＜S3且Vn＞Vf时，发电机转矩M＝Me；
(4)S2＜S_flt＜S3且Vn＜Vc时，发电机转矩M＝Md；
(5)S2＜S_flt＜S3且Vc＜Vn＜Vf时，发电机转矩M＝M_old；
(6)S_flt＝S3时，发电机转矩M＝Me；
其中，Vf为发电机共振转速上限转矩点f对应风速，Vc为发电机共振转速下限转矩点c对应风速，M_old为上一扫描周期的发电机转矩。
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