CN103457528B - 一种提高直驱动风电机组机械传动链运行稳定性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种提高直驱动风电机组机械传动链运行稳定性的方法；数据采集卡实时采集直驱风电机组的运行变量X；具体步骤为：1、依据运行变量X和机械传动链的机械特性设计机械传动链稳定系统；2、机械传动链稳定系统对运行变量X进行滤波处理；3、机械传动链稳定系统对直驱风电机组变流器的直流电容端电压参考值进行动态补偿。和现有技术相比，本发明提供的一种提高直驱动风电机组机械传动链运行稳定性的方法操作简单、易于实现；能够快速缓解直驱风电机组由于转速变化而引起的机械传动链振荡，且对机组送出有功功率及电网电能质量的影响较小。

Description

一种提高直驱动风电机组机械传动链运行稳定性的方法

技术领域

本发明涉及一种提高机械传动链运行稳定性的方法，具体讲涉及一种提高直驱动风电机组机械传动链运行稳定性的方法。

背景技术

近年来，变速恒频风力发电技术已成为新能源发电领域的研究热点；相比恒速恒频风电机组，变速恒频风电机组可以通过变流器控制发电机转速，在较宽的风速变化范围内实现最大风能捕获，使风能利用率大幅提高。目前主流的变速恒频风电机组包括基于双馈异步发电机的双馈风电机组和基于同步发电机的直驱风电机组；

直驱风电机组采用全功率变流器与电网直接相连，能够在电网故障情况下，快速向电网提供无功功率，支撑电网电压；直驱风电机组机械传动链是实现能量传递和转换的复杂装置，一般由风力机桨叶片、轮毂和发电机转子部件构成。直驱风电机组的长度不及常规汽轮发电机组，但其刚度却比后者低很多；且直驱风电机组没有齿轮箱，电机直径较大，惯量虽远低于风力机，但相较同等容量的1对极或2对极的发电机却大了很多；这些因素都将使机械传动链的柔性在暂态过程中呈现出来。当负荷变化或电网运行出现异常时，风电机组向电网输出的电功率变化迅速，然而由于变桨、偏航等执行机构的限制，风电机组机械部分的反应速度缓慢，使得机械传动链的驱动转矩与制动转矩不平衡，造成机组转速的变化，从而使机械传动链发生一定程度的扭曲或松弛，影响其寿命，同时可能对并网点电压、发电机电流、功率等产生一定的影响。

风力机向发电机输入的机械功率与变流器向电网输出的电气功率之间的不平衡引起转速振荡，从而引发机械传动链扭曲或松弛；抑制转速振荡最直接简便的方法是控制风力机向发电机输入的机械功率或变流器向电网输出的电气功率。对于前者，由于机械执行机构反应缓慢，且桨距角控制系统的设计需考虑发电机组轴系的动态特性，难以实现；对于后者，转速的振荡虽然能够较快得到缓解，但这将会引起向电网输送的有功功率发生振荡，影响电能质量，给电网运行的其他环节带来压力。为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种提高直驱动风电机组机械传动链运行稳定性的方法。

发明内容

为了满足现有技术的需要，本发明提供了一种提高直驱动风电机组机械传动链运行稳定性的方法；数据采集卡实时采集直驱风电机组的运行变量X；所述运行变量X包括发电机转速、发电机输出的有功功率和发电机机端母线频率；所述方法包括下述步骤：

步骤1：依据所述运行变量X和所述机械传动链的机械特性设计机械传动链稳定系统；

步骤2：所述机械传动链稳定系统对所述运行变量X进行滤波处理；

步骤3：所述机械传动链稳定系统对直驱风电机组变流器的直流电容端电压参考值U_dcref进行动态补偿。

优选的，所述步骤1中的所述机械传动链稳定系统包括依次串联连接在所述数据采集卡和所述变流器之间的带通滤波器和阻尼控制器；

优选的，所述带通滤波器对所述运行变量X进行所述滤波处理；所述阻尼控制器输出补偿电压ΔU_dc对所述直流电容端电压参考值U_dcref进行动态补偿；所述步骤3中的所述直流电容端电压参考值U_dcref动态补偿控制包括：

步骤3-1：所述运行变量X不发生波动时，所述补偿电压ΔU_dc的值为零；所述直流电容端的实际电压U_dc稳定跟踪所述电压参考值U_dcref，所述机组机械传动链稳定运行；

步骤3-2：所述运行变量X发生波动时，所述机械传动链稳定系统实时输出与所述运行变量X的波动变化值ΔX相应的所述补偿电压ΔU_dc；所述直流电容端的实际电压U_dc实时跟踪所述电压参考值U_dcref与所述补偿电压ΔU_dc的和；若所述补偿电压ΔU_dc升高，机械传动链产生的与所述波动变化值ΔX相应的机械能转换为电能储存在所述变流器的直流电容中；若所述补偿电压ΔU_dc降低，所述直流电容向电网释放与所述波动变化值ΔX相应的电能，从而保证所述机组机械传动链稳定运行；

优选的，所述带通滤波器的中心频率为所述机械传动链的固有振荡频率f_N；所述带通滤波器的带宽f_b为所述固有振荡频率f_N的0.14倍；

优选的，所述阻尼控制器包括电流隔直环节、相位校正环节、信号放大环节和电压限幅环节；所述阻尼控制器对带通滤波器输出值与运行变量给定值X_ref的差值信号进行隔直、相位校正、信号放大和电压限幅操作；

所述电压限幅环节用于对所述补偿电压ΔU_dc进行限幅；所述补偿电压ΔU_dc的限幅上限值为U_dcmax-U_dcref，限幅下限值为U_invmin-U_dcref；所述U_dcmax为所述变流器的直流电容端的电压最大极限值；所述U_invmin为实现所述变流器逆变的所述直流电容端的电压最小极限值。

优选的，所述步骤1中设计所述机械传动链稳定系统时，所述发电机转速、所述有功功率、所述发电机机端母线频率中的任意一个或两个或三个作为设计所述机械传动链稳定系统的所述运行变量X。

与现有技术相比，本发明的优异效果是：

1、本发明技术方案中，通过在直驱风电机组的变流器侧设置机械传动链稳定系统，对变流器的直流电容端电压控制环节的电压参考值U_dcref动态补偿；通过快速控制直流电容端电压，利用直流电容容量剩有的裕量，进行能量调节，达到有效减少机械传动链的驱动和制动转矩，加速直驱风电机组转速振荡过程的平息；

2、本发明技术方案中，机械传动链稳定系统对直驱风电机组的其他性能影响较小，从而提高系统机械传动链运行的稳定性，延长了其使用寿命；

3、本发明技术方案中，通过对直流电容端电压的电容充放电实现机械传动链的机械能和电能的转化，过程短暂；当负荷变化或电网出现异常时，动作迅速，能够快速向机械传动链提供阻尼，抑制其转速的振荡，减小机械传动链的扭曲程度，加速机械传动链振动扭转过程的平息。

4、本发明技术方案中，机械传动链的振荡转变为直流电容容许极限内的端电压的波动，对变流器向电网输送的有功功率影响较小；

5、本发明提供的一种提高直驱动风电机组机械传动链运行稳定性的方法，仿真研究时，只需对变流器的直流电容端电压控制环节中加入一个直流电压参考值动态补偿环节即可，模型实现方便，且工程设计操作简单、易于实现；

6、本发明提供的一种直驱动风电机组机械传动链运行稳定性的方法，能够快速缓解直驱风电机组由于转速变化而引起的机械传动链振荡，且对机组送出有功功率及电网电能质量的影响较小。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是：现有技术中直驱风电机组的变流器有功控制外环结构示意图；

图2是：本发明实施例中机械传动链稳定系统结构示意图；

图3是：本发明实施例中的阻尼控制器结构示意图；

图4是：本发明实施例中的机械传动链的质块模型示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

图1示出了现有技术中直驱风电机组的变流器有功控制外环结构示意图；直驱风电机组控制系统中，网侧变流器控制采用电网电压定向坐标系，实现变流器向电网输送的有功功率与无功功率完全解耦；有功功率由直轴（d轴）电流控制，无功功率由交轴（q轴）控制；直轴电流参考值i_dref由所述有功控制外环获得，如图1所示，即直轴电流参考值i_dref由PI控制器对所述直流电容端的电压参考值U_dcref与实际电压U_dc的差值响应后得到。

本发明提供的一种提高直驱动风电机组机械传动链运行稳定性的方法，基于所述变流器有功控制外环实现对机械传动链的稳定控制；图2示出了本发明实施例对现有技术中的直驱风电机组的变流器有功控制外环改进后的机械传动链稳定系统结构示意图；机械传动链稳定系统MDTS包括依次串联连接在采集卡和变流器之间的带通滤波器BPF和阻尼控制器SDS，SG为发电机；数据采集卡实时采集直驱风电机组的运行变量X；所述运行变量X包括发电机转速ω、发电机输出的有功功率和发电机机端母线频率；带通滤波器对运行变量X进行滤波处理；阻尼控制器输出补偿电压ΔU_dc对直流电容端电压参考值U_dcref电压补偿；带通滤波器的中心频率为机械传动链的固有振荡频率f_N；带通滤波器的带宽f_b为固有振荡频率f_N的0.14倍；固有振荡频率如图4示出J_tur为风力机质块的转动惯量；J_gen为发电机质块的转动惯量；K为机械传动链的刚度系数。

图3示出了本发明实施例中的阻尼控制器结构示意图；阻尼控制器包括电流隔直环节、相位校正环节、信号放大环节和电压限幅环节；阻尼控制器对带通滤波器输出值与运行变量给定值X_ref的差值信号进行隔直、相位校正、信号放大和电压限幅操作；

电压限幅环节用于对补偿电压ΔU_dc进行限幅；补偿电压ΔU_dc的限幅上限值为U_dcmax-U_dcref，限幅下限值为U_invmin-U_dcref；U_dcmax为所述变流器的直流电容端的电压最大极限值；U_invmin为实现所述变流器逆变的所述直流电容端的电压最小极限值；所述电压参考值U_dcref为所述直流电容端的电压参考值。

本发明提供的一种提高直驱动风电机组机械传动链运行稳定性的方法步骤具体为：

（1）依据运行变量X和机械传动链的机械特性设计机械传动链稳定系统；设计机械传动链稳定系统时，发电机转速、有功功率和发电机机端母线频率中的任意一个或两个或三个作为设计机械传动链稳定系统的运行变量X；即发电机转速、有功功率和发电机机端母线频率可单独作为运行变量X，也可将三者任意组合共同作为运行变量X；

（2）机械传动链稳定系统对运行变量X进行滤波处理；

（3）机械传动链稳定系统对直驱风电机组的变流器的直流电容端进行电压补偿控制；变流器包括电网侧变流器和直驱动风电机组的发电机侧变流器；所述电压补偿控制包括：

①：运行变量X不发生波动时，补偿电压ΔU_dc的值为零；直流电容端的实际电压U_dc稳定跟踪电压参考值U_dcref，机组机械传动链稳定运行；

②：运行变量X发生波动时，机械传动链稳定系统实时输出与运行变量X的波动变化值ΔX相应的补偿电压ΔU_dc；直流电容端的实际电压U_dc实时跟踪电压参考值U_dcref与补偿电压ΔU_dc的和；

若补偿电压ΔU_dc升高，机械传动链产生的与波动变化值ΔX相应的机械能转换为电能储存在变流器的直流电容中；若补偿电压ΔU_dc降低，直流电容向电网释放与波动变化值ΔX相应的电能，从而保证所述机组机械传动链稳定运行。

当所述运行变量X为发电机转速ω时，本发明实施方中的机械传动链稳定系统的阻尼控制器为：

①电流隔直环节：传递函数设置为T₁为时间常数；

②相位校正环节：传递函数设置为校正相位为arctan[-2πf_N(T₃/T₂)]，T₂、T₃为时间常数；

③信号放大环节：传递函数设置为K；其中，K为常数；K值越大，对直流电容端的电压参考值U_dcref的补偿量就越大，从而对机组转速振荡抑制越明显；

④电压限幅环节：补偿电压ΔU_dc的限幅上限值为U_dcmax-U_dcref，限幅下限值为U_invmin-U_dcref；

当所述运行变量X为发电机转速ω时，本发明实施方中的机械传动链稳定系统的工作过程为：

①直驱风电机组稳定运行时，带通滤波器的输出发电机转速ω′与发电机转速给定值ω_ref相等，即ω′-ω_ref＝0；阻尼控制器输出的补偿电压ΔU_dc的值为零；直流电容端的实际电压U_dc稳定跟踪电压参考值U_dcref，机组机械传动链稳定运行；

②当负荷变化或电网运行出现异常时，机械传动链的制动转矩（即电磁转矩）变化迅速，而其驱动转矩（即机械转矩）响应滞后，致使驱动和制动转矩不平衡，从而导致机组转速的变化；由于机组机械传动链具有较大的惯性，且考虑到机械传动链的柔性，传动链各质块间将发生扭曲或松弛。此时ω′-ω_ref≠0，机械传动链稳定系统开始工作：

当变流器向电网输送的有功功率减少时，机组将加速运行，此时ω′-ω_ref＞0；阻尼控制器输出的补偿电压ΔU_dc＞0；直流电容端的实际电压U_dc实时跟踪电压参考值U_dcref与补偿电压ΔU_dc的加和电压值，U_dc升高，根据电容储存计算公式：式中，C为直流电容的大小，电容储能将会增加；与波动变化值ΔV相应的机械传动链产生的机械能转换为电能储存在变流器的直流电容中；

当变流器向电网输送的有功功率增加时，机组将减速运行，此时ω′-ω_ref＜0；阻尼控制器输出的补偿电压ΔU_dc＜0；直流电容端的实际电压U_dc实时跟踪电压参考值U_dcref与补偿电压ΔU_dc的加和电压值，U_dc降低，直流电容向电网释放与波动变化值ΔV相应的电能；对于释放同样大小的能量，由电容放电实现远比机械传动链减速实现快，故在短暂时间内，相比于改进前的直驱风电机组变流器有功控制系统，电容释放的电能替代了机组传动链减速释放的动能，从而对直驱风电机组的转速影响较小，进而缓解了机械传动链的扭曲或松弛。

最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

Claims (6)

1.一种提高直驱动风电机组机械传动链运行稳定性的方法，其特征在于，数据采集卡实时采集直驱风电机组的运行变量X；所述运行变量X包括发电机转速、发电机输出的有功功率和发电机机端母线频率；所述方法包括下述步骤：

步骤1：依据所述运行变量X和所述机械传动链的机械特性设计机械传动链稳定系统；

步骤2：所述机械传动链稳定系统对所述运行变量X进行滤波处理；

步骤3：所述机械传动链稳定系统对直驱风电机组变流器的直流电容端电压参考值U_dcref进行动态补偿。

2.如权利要求1所述的一种提高直驱动风电机组机械传动链运行稳定性的方法，其特征在于，所述步骤1中的所述机械传动链稳定系统包括依次串联连接在所述数据采集卡和所述变流器之间的带通滤波器和阻尼控制器。

3.如权利要求2所述的一种提高直驱动风电机组机械传动链运行稳定性的方法，其特征在于，所述机械传动链稳定系统的带通滤波器对运行变量X进行滤波处理；所述机械传动链稳定系统的阻尼控制器输出补偿电压ΔU_dc对直流电容端电压参考值U_dcref进行动态补偿；步骤3中的直流电容端电压参考值U_dcref动态补偿控制包括：

步骤3-1：所述运行变量X不发生波动时，所述补偿电压ΔU_dc的值为零；所述直流电容端的实际电压U_dc稳定跟踪所述电压参考值U_dcref，所述机组机械传动链稳定运行；

步骤3-2：所述运行变量X发生波动时，所述机械传动链稳定系统实时输出与所述运行变量X的波动变化值ΔX相应的所述补偿电压ΔU_dc；所述直流电容端的实际电压U_dc实时跟踪所述电压参考值U_dcref与所述补偿电压ΔU_dc的和；若所述补偿电压ΔU_dc升高，机械传动链产生的与所述波动变化值ΔX相应的机械能转换为电能储存在所述变流器的直流电容中；若所述补偿电压ΔU_dc降低，所述直流电容向电网释放与所述波动变化值ΔX相应的电能，从而保证所述机组机械传动链稳定运行。

4.如权利要求2所述的一种提高直驱动风电机组机械传动链运行稳定性的方法，其特征在于，所述带通滤波器的中心频率为所述机械传动链的固有振荡频率f_N；所述带通滤波器的带宽f_b为所述固有振荡频率f_N的0.14倍。

5.如权利要求3所述的一种提高直驱动风电机组机械传动链运行稳定性的方法，其特征在于，所述机械传动链稳定系统的阻尼控制器包括电流隔直环节、相位校正环节、信号放大环节和电压限幅环节；所述阻尼控制器对带通滤波器输出值与运行变量给定值X_ref的差值信号进行隔直、相位校正、信号放大和电压限幅操作；

所述电压限幅环节用于对所述补偿电压ΔU_dc进行限幅；所述补偿电压ΔU_dc的限幅上限值为U_dcmax-U_dcref，限幅下限值为U_invmin-U_dcref；所述U_dcmax为所述变流器的直流电容端的电压最大极限值；所述U_invmin为实现所述变流器逆变的所述直流电容端的电压最小极限值。

6.如权利要求1所述的一种提高直驱动风电机组机械传动链运行稳定性的方法，其特征在于，所述步骤1中设计所述机械传动链稳定系统时，所述发电机转速、所述有功功率、所述发电机机端母线频率中的任意一个或两个或三个作为设计所述机械传动链稳定系统的所述运行变量X。