CN104329220A - 用于抑制风电机组扭振的扭转载荷控制器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于抑制风电机组轴系扭振的扭转载荷控制器及控制方法，该控制器以扭转角速度作为反馈量，扭转角速度的给定是一个与风轮转速和风轮加速度相关的量，二者的偏差通过PI调节器，并经过限幅后作为控制器输出，控制器输出叠加在发电机转矩给定上，其中对扭转载荷控制器中的PI调节器的参数进行了设计，对扭振抑制中扭转角速度的目标给定进行了优化设计。本发明可行性高、应用性强，并能一定程度上加快最大功率跟踪。

Description

用于抑制风电机组扭振的扭转载荷控制器及控制方法

技术领域

本发明涉及风力发电领域，具体地，涉及一种用于抑制风电机组轴系扭振的扭转载荷控制器及控制方法。

背景技术

风速具有不可控、间断、随机性，导致风力机出力不可控、存在波动，此外由于受到风剪切和塔影效应的影响，风在整个风轮扫略面积内不是均匀分布的，这也会导致风力机出力的周期性脉动，激发轴系扭振；另一方面，高低电压故障带来的电磁暂态在机电耦合作用下也可能会激发轴系振荡。风力机传动系统(包括齿轮箱、传动轴和法兰环)是风力发电中传输能量重要的一环，由于其固有的欠阻尼特性，扭转振荡很容易被激发，一方面长期的扭振会积累轴系的疲劳载荷，影响传动系统寿命，另一方面，振荡会导致PCC点功率波动，如果得不到有效抑制甚至会导致机组转速失稳，影响电力系统稳定性。

水平轴风力机不可避免的受到风剪切和塔影效应的影响，由此造成的风力机气动转矩周期性脉动是风电机组正常运行中的主要扭振激发源之一，若扭振激发源无法改变，扭振抑制可从降低模态之间的耦合度和增加虚拟阻尼两方面入手。前者从扭振激发难易度的角度考虑，后者从振幅衰减角度考虑。

合理的机组自身的控制策略能为轴系提供一定的电气阻尼，如果改变有限就需要借助辅助控制策略。一种方法是降低扭振模态和风力机出力波动模态之间的耦合度，如增加阻尼滤波器的方法(如：邢作霞,刘颖明,郑琼林,等.基于阻尼滤波的大型风电机组柔性振动控制技术[J].太阳能学报,2008,29(11):1425-1431.)；另一种方法则是通过反馈控制增加阻尼转矩，根据采用的反馈量不同及控制策略的不同已有多种方案，如采用H-∞观测器观测轴系扭矩并以其作为反馈量，并采用H-∞控制器抑制发电机组轴系扭振的方法(Morinaga,S.；Funabashi,T.Torsional vibration suppression of the PMSG-basedwind turbine generator using H∞observer[J].Future Energy Electronics Conference(IFEEC),20131st International:880-884.)；从能流角度出发以直流母线电流作为反馈变量设计阻尼转矩控制器的方案(Hua Geng；Xu,D.；Bin Wu；Geng Yang.Active Damping forPMSG-Based WECS With DC-Link Current Estimation[J].Industrial Electronics,IEEETransactions on.,Vol58,2011:1110-1119.)；以柔性轴扭转角速度作为反馈量，设计自抗扰控制器的方案(姚兴佳，王晓东，单光坤，刘姝.双馈风电机组传动系统扭振抑制自抗扰控制[J].电工技术学报,Vol.27No.1,Jan2012:136-141)，等等。

上述技术中与本发明相近似的方案是以柔性轴扭转角速度作为反馈量的自抗扰控制方案，该方案考虑了风电机组传动系统中非线性不确定因素的影响，设计了一种扭振抑制自抗扰控制器，将传动系统中的非线性不确定因素作用和外界扰动归结为系统总扰动，通过扩张状态观测器进行实时估计总扰动，并在发电机转矩控制中给予补偿。

但现有技术没有同时能增加轴系阻尼和避免轴系与其他模态耦合的控制策略。如果扭转载荷控制器可以从增加阻尼和避免模态耦合两方面入手，理论上可以预期获得更好的轴系扭振抑制效果，在现有的技术上需要两个独立的控制器配合实现，可能需要借助多个反馈变量，且存在控制器参数增多、参数调节难度大以及多个控制器的限幅问题。

此外现有技术由于没有充分考虑轴系特性，控制目标设定没有充分考虑，在实际情况中受发电机出力限制可能导致扭转载荷控制器输出被限幅而无法响应轴系扭振。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种用于抑制发电机组轴系扭振的扭转载荷控制器及其控制方法，本发明提高了风力机转速减小的响应速度，使得风力机提前进入新的最大功率运行点。

根据本发明的一个方面，提供一种用于抑制风电机组轴系扭振的扭转载荷控制器，所述控制器以扭转角速度作为反馈量，扭转角速度的给定是一个与风轮转速和风轮加速度相关的量，二者的偏差通过PI调节器作为控制器输出，控制器输出经过限幅后作为发电机转矩给定的一部分叠加在最优转矩控制器上。

所述扭转载荷控制器包括如下模块：

输入模块，其用于获取两个转动质量块的转速ω_t和ωg；

处理模块，其用于根据ε＝ω_t-ωg计算扭转角速度ε；根据公式计算扭转角速度给定ε^*；确定PI调节器参数；并根据公式T_damp＝k_p(ε^*-ε)+k_i∫(ε^*-ε)dt计算控制器输出；

输出模块，其用于扭转载荷控制器的限幅和输出，其中限幅考虑了扭转载荷控制器不影响机组正常运行的大前提及变流器与发电机容量的限制，输出的数据叠加在发电机转矩给定上。

具体的，反馈量是控制器的输入量，本发明中反馈量取为扭转角速度，该反馈量能反映传动系统扭振的特征，可以通过检测风轮和发电机的角速度差获得。控制目标的给定充分考虑了风速一定时间尺度持续变化时传动系统的动态特性，使得控制器在限幅输出值内对轴系扭振做出有效响应。PI调节器是控制器的核心，其比例部分能为系统增加额外的虚拟阻尼，从而抑制扭振并加速扭振衰减，积分部分能改变传动系统等效刚度，从而改变扭振固有频率，当固有频率远离与其它模态耦合的频率时，扭振相对不容易被激发，按照以下方法设计PI调节器的参数kp、ki(也是扭转载荷控制器的参数)即可以从增加虚拟阻尼和降低模态耦合程度两方面抑制扭振，其中kp项通过改变传动系统的等效阻尼系数beq发挥作用，ki项通过改变传动系统的等效刚度系数keq发挥作用。

根据本发明的另一个方面，提供一种用于抑制风电机组扭振的控制方法，所述方法通过附加的发电机转矩控制抑制发电机组轴系扭振，控制器以柔性轴的扭转角速度为反馈量，与设计的扭转角速度给定做差并通过比例积分控制器产生所需的附加转矩，附加转矩经过限幅与发电机最优转矩控制的给定相加作为发电机实际的转矩给定，从而对轴系扭振做出响应。为了不影响机组正常发电运行对附加转矩进行了限幅。

所述控制方法具体实现如下：采用转矩环，以实现风力机最大功率跟踪的最优转矩给定T_opt和扭转载荷控制器输出T_damp之和作为发电机转矩给定值，转矩环以PI作为调节器，输出为定子电流q轴分量给定i_sq ^*；其中：

所述扭转载荷控制器中的PI调节器参数借助传动系统参数和机组Campbell图进行设计，具体步骤如下：

步骤1、将传动系统等效为两质量块模型；

步骤2、从避免模态耦合引发共振的角度配置等效刚度；

步骤3、根据传递函数确定所关注频段内满足幅值增益的等效阻尼b_eq和等效刚度k_eq：

步骤4、配置扭转载荷中PI调节器的参数；

步骤5、设计PI调节器，并将扭转载荷控制器输出T_damp限幅后叠加在风力机正常运行控制中的转矩给定上。

优选地，步骤1中，具体的：

对于永磁直驱机组，可以得到一个自然的两个质量块模型，两个质量块分别是风轮转动惯量J_t和发电机转动惯量J_g；对于双馈机组，考虑到实际情况中高速轴刚度远大于低速轴刚度，其固有频率也远大于低速轴的固有频率，因此在发电机转动惯量上添加齿轮箱转动惯量得到新的J_g，并通过式(1)所示平行轴刚度计算方法计算等价轴刚度k：

$k=\frac{K_{\mathrm{ls}}{K}_{\mathrm{hs}}}{N_{\mathrm{gb}}^2{K}_{\mathrm{hs}}+K_{\mathrm{ls}}}---\left(1\right)$

其中：K_ls和K_hs分别为低速轴和高速轴刚度，N_gb为齿轮箱变比。

优选地，步骤2中：

根据机组传动系统参数，或借助专业风机设计软件中的Campbell图，查看是否存在与传动系统固有频率耦合的其它机组模态，考察nP及其整数倍模态(n为桨叶数，P为风轮旋转频率)、风轮面内桨叶摆振模态、塔架侧向(side-side)模态；其中两质量块传动链模型的固有振荡频率f_n(单位Hz)按照(2)式计算：

$f_n=\sqrt{k(1/J_t+1/J_g)}/2\mathrm{\π}---\left(2\right)$

其中：J_t为风轮转动惯量，J_g为发电机转动惯量；

为避免机组其它模态与传动系统固有频率f_n重合而引发共振，这里借助扭转载荷控制器中的ki项改变等效刚度keq，认为在式(3)确定的等效刚度的配置范围内取值可以有效避免共振：

$k_{\mathrm{eq}}>{\left(7.536f_n\right)}^2\frac{J_t{J}_g}{J_t+J_g}---\left(3\right)$

优选地，步骤3中，所述传递函数：

$G\left(s\right)=\frac{s}{J_t{s}^2+\frac{J_t+J_g}{J_g}{b}_{\mathrm{eq}}s+\frac{J_t+J_g}{J_g}{k}_{\mathrm{eq}}}---\left(4\right)$

其中：b_eq、k_eq分别为满足幅值增益和相角裕度的等效阻尼和等效刚度，其中k_eq在步骤2确定的范围内取值，J_t为风轮转动惯量和J_g为发电机转动惯量，s是拉普拉斯算子。

优选地，步骤4中，根据下式计算扭转载荷控制器参数k_p、k_i：

$k_p=\frac{(b_{\mathrm{eq}}-b)(J_t+J_g)}{J_t}---\left(5\right)$

$k_i=\frac{(k_{\mathrm{eq}}-k)(J_t+J_g)}{J_t}---\left(6\right)$

其中：b、k分别为等效两质量块模型中传动轴阻尼和刚度系数，J_t为风轮转动惯量和J_g为发电机转动惯量，b_eq、k_eq分别为满足幅值增益和相角裕度的等效阻尼和等效刚度。这里k_p、k_i分别能改变传动系统的等效阻尼系数和等效刚度系数，依据(5)、(6)设计的参数能满足控制需要。

优选地，步骤5中，具体的：

${\mathrm{\ϵ}}^{*}=\frac{{2K}_{\mathrm{opt}}{\mathrm{\ω}}_t{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_t}{k}---\left(7\right)$

T_damp＝k_p(ε^*-ε)+k_i∫(ε^*-ε)dt    (8)

其中：ε^*和ε分别是扭转角速度的给定和扭转角速度；ε＝ω_t－ω_g，ω_t和ω_g分别是风轮转速和发电机转速；扭转角速度的控制目标按照式(7)给定。其中K_opt为最优转矩系数，其中C_P(λ_opt)为最大风能利用系数，λ_opt为最佳叶尖速比，ρ为空气密度，R为桨叶半径；为风轮角加速度。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明仅需要一个反馈量，并能根据需要在一个控制器中同时实现增加轴系阻尼和避免轴系振荡模态和风机其他模态耦合的能力。在控制对象已知的情况下可以充分利用控制器能力，比如部分频段下增加阻尼效果明显，一些特定模态耦合必须剔除，以及根据优先级协调控制器作用；

2、本发明采用了工程中常用的比例积分控制器，可行性高、应用性强；

3、本发明物理意义明确，控制器参数的设计也直观明了；

4、本发明已通过仿真验证具备一定的提高最大功率跟踪带宽的能力，也就是风速在额定风速以下变化(最大功率跟踪运行段)时，风速增大期间控制器起到一定降低发电机转矩的作用，从而提高风力机转速增加的响应速度，使得风力机提前进入最大功率运行点；同理在额定风速以下风速减小期间增大发电机转矩，提高风力机转速减小的响应速度，使得风力机提前进入新的最大功率运行点。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例整体控制框图；

图2为本发明以PMSG为例的扭振抑制控制原理图；

图3为以PMSG为例的仿真结果，其中：(a)为轮毂处风速波形图，(b)为风轮气动转矩波形图，(c)为扭转角速度示意图，(d)为扭转力矩示意图，(e)为发动机输出功率示意图，(f)为扭转载荷控制器输出示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例提供一种用于抑制风电机组扭振的扭转载荷控制器，所述控制器以扭转角速度作为反馈量，扭转角速度的给定是一个与风轮转速和风轮加速度相关的量，二者的偏差通过PI调节器作为控制器输出，控制器输出经过限幅后作为发电机转矩给定的一部分叠加在最优转矩控制器上。

本实施例提供一种用于抑制风电机组扭振的控制方法，所述方法采用转矩环，以实现风力机最大功率跟踪的最优转矩给定T_opt和扭转载荷控制器输出T_damp之和作为发电机转矩给定值，转矩环以PI作为调节器，输出为定子电流q轴分量给定i_sq ^*；其中：

所述扭转载荷控制器中的PI调节器参数设计具体步骤如下：

1、将传动系统等效为两质量块模型

对于永磁直驱机组，可以得到一个自然的两个质量块模型，两个质量块分别是风轮转动惯量J_t和发电机转动惯量J_g；对于双馈机组，考虑到实际情况中高速轴刚度远大于低速轴刚度，其固有频率也远大于低速轴的固有频率，因此在发电机转动惯量上添加齿轮箱转动惯量得到新的J_g，并通过式(1)所示平行轴刚度计算方法计算等价轴刚度k：

$k=\frac{K_{\mathrm{ls}}{K}_{\mathrm{hs}}}{N_{\mathrm{gb}}^2{K}_{\mathrm{hs}}+K_{\mathrm{ls}}}---\left(1\right)$

其中：K_ls和K_hs分别为低速轴和高速轴刚度，N_gb为齿轮箱变比。

2、从避免模态耦合引发共振的角度配置等效刚度

根据机组传动系统参数，或借助专业风机设计软件中的Campbell图，查看是否存在与传动系统固有频率耦合的其它机组模态，主要考察nP及其整数倍模态(n为桨叶数，P为风轮旋转频率)、风轮面内桨叶摆振模态、塔架侧向(side-side)模态；其中两质量块传动链模型的固有振荡频率(单位Hz)按照(2)式计算：

$f_n=\sqrt{k(1/J_t+1/J_g)}/2\mathrm{\π}---\left(2\right)$

如果存在某一模态与传动系统固有频率f_n重合，为避免发生共振，按照(3)式确定等效刚度配置范围：

$k_{\mathrm{eq}}>{\left(7.536f_n\right)}^2\frac{J_t{J}_g}{J_t+J_g}---\left(3\right).$

3、根据下述传递函数确定所关注频段内满足幅值增益的等效阻尼b_eq和等效刚度k_eq

$G\left(s\right)=\frac{s}{J_t{s}^2+\frac{J_t+J_g}{J_g}{b}_{\mathrm{eq}}s+\frac{J_t+J_g}{J_g}{k}_{\mathrm{eq}}}---\left(4\right)$

其中：k_eq在步骤2确定的范围内取值。

4、配置扭转载荷中PI调节器的参数；

根据下式确定扭转载荷控制器参数k_p、k_i：

$k_p=\frac{(b_{\mathrm{eq}}-b)(J_t+J_g)}{J_t}---\left(5\right)$

$k_i=\frac{(k_{\mathrm{eq}}-k)(J_t+J_g)}{J_t}---\left(6\right)$

其中：b、k分别为传动轴阻尼和刚度系数。

5、设计扭转载荷控制器器

${\mathrm{\ϵ}}^{*}=\frac{{2K}_{\mathrm{opt}}{\mathrm{\ω}}_t{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_t}{k}---\left(7\right)$

T_damp＝k_p(ε^*-ε)+k_i∫(ε^*-ε)dt    (8)

其中：ε^*和ε分别是扭转角速度的给定和扭转角速度；ω_t和ω_g分别是风轮转速和发电机转速；扭转角速度的控制目标按照式(7)给定；

并将控制器输出T_damp限幅后叠加在风力机正常运行控制中的转矩给定上。

基于上述的步骤和原理，本实施例具体实施情况如下：

设置风速从5m/s以1m/s²的变化率上升至额定风速12m/s并维持该风速至17s，17s后风速变为湍流风，其平均风速12m/s，湍流强度0.4，湍流长度400m，仿真中取该湍流风的前9s，风速波形如图3中(a)所示。风速模型不仅考虑了轮毂处风速，还考虑风剪切和塔影效应造成的周期性转矩脉动，如图3中(b)所示，如图3中(c)、(d)所示分别是加控制前后的扭转角速度ε及扭转力矩T_s，可见扭转载荷控制器很好的抑制了轴系扭振，如图3中(e)所示为发电机输出功率，可见加附加转矩控制后仅牺牲了小幅值的功率波动，此外仿真前7s风速增加过程中加控制后输出功率大于不加控制，表明控制器具备一定的提高最大功率跟踪带宽的作用。如图3中(f)所示为扭转载荷控制器的作用规律，可见其幅值不超过限幅值。

本发明经过仿真验证了其可行性；为了与实际情况接近，考虑了风速空间分布不均(转矩3P脉动的形成原因)和湍流风的影响，本发明采用详细的风力机模型以真实的反映转矩特性，在Matlab中建立了5MW永磁直驱机组模型，并在模型中对上述附加转矩控制策略进行验证，结果表明本方法牺牲较小的功率波动，在设计限幅值以内能有效抑制发电机组轴系扭振，并具备一定的提高最大功率跟踪能力的作用。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种用于抑制风电机组轴系扭振的扭转载荷控制器，其特征在于，所述控制器以扭转角速度作为反馈量，扭转角速度的给定是一个与风轮转速和风轮加速度相关的量，二者的偏差通过PI调节器并限幅后作为控制器输出，控制器输出作为发电机转矩给定的一部分叠加在其上。

2.根据权利要求1所述的用于抑制发电机组轴系扭振的扭转载荷控制器，其特征在于包括如下模块：

输入模块，其用于获取两个转动质量块的转速ω_t和ω_g；

处理模块，其用于根据ε＝ω_t-ω_g计算扭转角速度ε；根据公式计算扭转角速度给定ε^*；确定PI调节器参数；并根据公式T_damp＝k_p(ε^*-ε)+k_i∫(ε^*-ε)dt计算控制器输出；PI调节器的参数kp、ki，T_damp为扭转载荷控制器输出；

输出模块，其用于扭转载荷控制器的限幅和输出，输出的数据作为发电机转矩给定的一部分叠加在发电机转矩给定上。

3.一种用于抑制发电机组轴系扭振的控制方法，其特征在于，所述方法采用转矩环，以实现风力机最大功率跟踪的最优转矩给定T_opt和扭转载荷控制器输出T_damp之和作为发电机转矩给定值，转矩环以PI作为调节器，输出为定子电流q轴分量给定i_sq ^*；其中：所述扭转载荷控制器中的PI调节器参数设计，具体步骤如下：

步骤1、将传动系统等效为两质量块模型；

步骤2、从避免模态耦合引发共振的角度配置等效刚度；

步骤3、根据传递函数确定所关注频段内满足幅值增益和相角裕度的等效阻尼beq和等效刚度k_eq：

步骤4、配置扭转载荷中PI调节器的参数；

步骤5、设计扭转角速度的给定目标及PI调节器，并将控制器输出T_damp限幅后叠加在风力机正常运行控制中的转矩给定上；即：

${\mathrm{\ϵ}}^{*}=\frac{{2K}_{\mathrm{opt}}{\mathrm{\ω}}_t{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_t}{k}---\left(7\right)$

T_damp＝k_p(ε^*-ε)+k_i∫(ε^*-ε)dt    (8)

其中：ε^*和ε分别是扭转角速度的给定和扭转角速度，ε＝ω_t－ω_g，ω_t和ω_g分别是风轮转速和发电机转速；扭转角速度的控制目标按照式(7)给定，其中K_opt为最优转矩系数，其中C_P(λ_opt)为最大风能利用系数，λ_opt为最佳叶尖速比，ρ为空气密度，R为桨叶半径；为风轮角加速度。

4.根据权利要求3所述的一种用于抑制发电机组轴系扭振的控制方法，其特征在于，所述步骤1，具体实现如下：

对于永磁直驱机组，得到一个自然的两个质量块模型，两个质量块分别是风轮转动惯量J_t和发电机转动惯量J_g；对于双馈机组，在发电机转动惯量上添加齿轮箱转动惯量得到新的发电机转动惯量J_g，并通过式(1)所示平行轴刚度计算方法计算等价轴刚度k：

$k=\frac{K_{\mathrm{ls}}{K}_{\mathrm{hs}}}{N_{\mathrm{gb}}^2{K}_{\mathrm{hs}}+K_{\mathrm{ls}}}---\left(1\right)$

其中：K_ls和K_hs分别为低速轴和高速轴刚度，N_gb为齿轮箱变比。

5.根据权利要求3所述的一种用于抑制发电机组轴系扭振的控制方法，其特征在于，所述步骤2，具体实现如下：

根据机组传动系统参数或借助专业风机设计软件中的Campbell图，查看是否存在与传动系统扭振固有频率耦合的其它机组模态，考察nP及其整数倍模态、风轮面内桨叶摆振模态、塔架侧向模态，n为桨叶数，P为风轮旋转频率；其中两质量块传动链模型的固有振荡频率f_n按照(2)式计算：

$f_n=\sqrt{k(1/J_t+1/J_g)}/2\mathrm{\π}---\left(2\right)$

其中：J_t为风轮转动惯量和J_g为发电机转动惯量；

如果某一模态与传动系统固有频率f_n重合，按照(3)式确定等效刚度k_eq配置范围：

$k_{\mathrm{eq}}>{\left(7.536f_n\right)}^2\frac{J_t{J}_g}{J_t+J_g}---\left(3\right).$

6.根据权利要求5所述的一种用于抑制发电机组轴系扭振的控制方法，其特征在于，步骤3中，所述传递函数：

$G\left(s\right)=\frac{s}{J_t{s}^2+\frac{J_t+J_g}{J_g}{b}_{\mathrm{eq}}s+\frac{J_t+J_g}{J_g}{k}_{\mathrm{eq}}}---\left(4\right)$

其中：b_eq、k_eq分别为满足幅值增益和相角裕度的等效阻尼和等效刚度，k_eq在步骤2确定的范围内取值，J_t为风轮转动惯量和J_g为发电机转动惯量，s是拉普拉斯算子。

7.根据权利要求3-6任一项所述的一种用于抑制发电机组轴系扭振的控制方法，其特征在于，步骤4中，根据下式计算扭转载荷控制器中的PI调节器参数k_p、k_i：

$k_p=\frac{(b_{\mathrm{eq}}-b)(J_t+J_g)}{J_t}---\left(5\right)$

$k_i=\frac{(k_{\mathrm{eq}}-k)(J_t+J_g)}{J_t}---\left(6\right)$

其中：b、k分别为等效两质量块模型中传动轴的阻尼和刚度系数，J_t为风轮转动惯量和J_g为发电机转动惯量，b_eq、k_eq分别为满足幅值增益和相角裕度的等效阻尼和等效刚度，kp、ki分别用来改变传动系统的等效阻尼和等效刚度系数。