CN104362916B - 双馈风电机组传动轴系统中稳定器的设计方法、稳定器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及双馈风电机组传动轴系统中稳定器的设计方法、稳定器，其中，设计方法包括：获得电磁转矩增量ΔT_e和电机转速增量Δω_g之间的复频域闭环传递函数E(s)；将所述复频域闭环传递函数E(s)分解为E(s)＝dH(s)；获得额定运行条件下扭转振荡频率ω_i处的相位θ_H；根据相位θ_H确定稳定器的补偿角根据补偿角获得稳定器传递函数G_d(s)，实现双馈风电机组传动轴系统中稳定器的设计。相比于现有的稳定器设计方法，本发明保证了稳定器在相同增益下具有更有效的控制性能，对于降低暂态期间传动轴系统的转矩冲击、提高风电机组传动轴系统机械寿命及可靠性具有重要意义。

Description

双馈风电机组传动轴系统中稳定器的设计方法、稳定器

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，特别涉及一种双馈风电机组传动轴系统中稳定器的设计方法以及通过该方法获得的稳定器。

背景技术

双馈风电机组中大惯性(2～6s)、低速旋转的叶轮通常通过柔性传动轴系统(包括低速轴、齿轮箱、高速轴、联轴器等)与小惯性(0.4～0.8s)、高速旋转的发电机转子耦合。联轴器和齿轮箱的存在使得双馈风电机组的传动轴系统(或称轴系)具有较低的等效机械刚度(0.3～0.6pu/ele.rad)。在受到来自机械侧(如风速变化)或电气侧(如短路故障等)的扰动时，传动轴系统会表现出类似于扭转弹簧的振荡特性(振荡频率约为0.1～10Hz)，称之为扭转振荡或轴系振荡。

对于恒速风电机组，感应电机固有的电磁转矩-转速物理特性使得暂态期间轴系振荡迅速衰减；而对于双馈风电机组，当其运行于恒转矩或恒功率模式时或者配置有其它提供电网支撑的有功控制器(如虚拟惯性控制器、有功调制器)，变流器的快速有源控制使得电机固有电气阻尼为零甚至为负。暂态时弱阻尼的扭转振荡会在双馈风电机组轴系产生较大的转矩脉动和转矩冲击，不仅会降低传动轴系统(特别是齿轮箱)的机械寿命和可靠性，增加传动轴系统的维护成本，严重时还会引起风电机组因相应保护动作(如转速保护)而停运。不仅如此，额定风速以上时，扭转振荡所造成的转速波动还会引起桨距控制系统的频繁动作从而增加其故障率。另外，由双馈风电机组转速振荡引起的风电机组有功振荡还可能作为扰动源激发电力系统在该频率附近的低频振荡模式。因此，维持风电机组传动轴系统较高的阻尼水平对于提高风电机组可靠性以及保证电力系统安全稳定运行具有重要意义。

为提高双馈风电机组轴系振荡阻尼，近年来国内外学者对传动轴系统稳定器或阻尼控制器开展了相关的研究。现有的稳定器可分为两类：第一类是设计时完全忽略了风电机组电磁转矩-转速回路的电气动态；第二类是用假定的惯性时间常数来近似等效电磁转矩-转速回路的电气动态。实际上，由于双馈风电机组闭环回路存在动态过程，如控制器的动态(有功外环调节器、电流内环调节器)和控制对象的惯性(电机本体)，造成了阻尼控制器输出量与控制对象被控量(如电磁转矩)之间的相位滞后，无论是完全忽略还是用假定的时间常数来近似等效电磁转矩-转速回路的电气动态均无法精确地计及电磁转矩-转速回路的相位滞后特性，上述不恰当的简化不仅会影响阻尼控制器的控制性能，严重时还可能起到相反的效果(引起负阻尼)。因此，准确地获取该相位特性并对此实施恰当的相位补偿是设计双馈风电机组轴系振荡稳定器的关键步骤。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种双馈风电机组传动轴系统中稳定器的设计方法、稳定器，能够基于双馈风电机组的数学模型解析准确地获取稳定器所需的相位补偿角。

为实现上述目的，本发明提供了一种双馈风电机组传动轴系统中稳定器的设计方法，设计方法包括：

获得电磁转矩增量ΔT_e和电机转速增量Δω_g之间的复频域闭环传递函数E(s)；

将所述复频域闭环传递函数E(s)分解为E(s)＝dH(s)；

获得额定运行条件下扭转振荡频率ω_i处的相位θ_H；

根据相位θ_H确定稳定器的补偿角

根据补偿角获得稳定器传递函数G_d(s)，实现双馈风电机组传动轴系统中稳定器的设计。

优选地，设计方法还包括：

利用所述相位θ_H、补偿角确定稳定器输出后的净阻尼转矩增量ΔT_d。

优选地，所述获得额定运行条件下扭转振荡频率ω_i处的相位θ_H的方法为：θ_H＝arg(H(jω_i))，arg(·)表示取相角函数。

优选地，所述补偿角的计算公式为：

优选地，所述根据补偿角获得稳定器传递函数的步骤包括：

根据补偿角确定相位补偿环节数m、超前校正时间常数T₁、滞后校正时间常数T₂；同时，根据所述双馈风电机组传动轴系统实际运行需要确定隔直环节时间常数T_w、稳定器增益K_stab和限幅环节幅值常数u_lim的取值情况；

利用相位补偿环节数m、超前校正时间常数T₁、滞后校正时间常数T₂、稳定器增益K_stab、隔直环节时间常数T_w和限幅环节幅值常数u_lim确定稳定器的传递函数。

优选地，所述相位补偿环节数m的计算公式为：

式中，[·]表示取整函数。

优选地，所述超前校正时间常数T₁的计算公式为：

$T_1=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_i\sqrt{{\mathrm{\α}}_c}}$

其中，ω_i为双馈风电机组传动轴系统的固有扭转振荡频率，m为相位补偿环节数，为补偿角。

优选地，所述滞后校正时间常数T₂的计算公式为：

T₂＝α_cT₁

其中， $T_1=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_i\sqrt{{\mathrm{\α}}_c}},$ m为相位补偿环节数，为补偿角。

优选地，所述净阻尼转矩增量ΔT_d的表达式为：

其中，D_g表示净阻尼转矩系数，逐步增加稳定器增益K_stab，到净电气阻尼转矩系数D_g达到所需的阻尼转矩系数。

本发明的目的还在于提供了一种如上述设计方法获得的稳定器。

上述技术方案具有如下有益效果：本技术方案基于双馈风电机组的数学模型解析能够准确地获取稳定器所需的相位补偿角，相比于现有的稳定器设计方法，本发明保证了稳定器在相同增益下具有更有效的控制性能，对于降低暂态期间传动轴系统的转矩冲击、提高风电机组传动轴系统机械寿命及可靠性具有重要意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提出的一种双馈风电机组传动轴系统中稳定器的设计方法流程图；

图2为本技术方案设计出来的稳定器的结构图；

图3为本实施例获得稳定器在额定功率运行方式下阻尼转矩系数D_g随稳定器增益K_stab的变化趋势图；

图4为在额定功率运行方式下电磁转矩的时域响应对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

本发明的技术方案的工作原理：本技术方案通过建立增量形式的电磁转矩-转速回路的传递函数解析表达式，据此解析地得到了该闭环回路的相位特性并用于稳定器的相位补偿环节参数设计，从而能够准确地获取稳定器所需的相位补偿角。

基于上述工作原理，本发明提出一种双馈风电机组传动轴系统中稳定器的设计方法。如图1所示，该方法包括：

步骤101)：获得电磁转矩增量ΔT_e和电机转速增量Δω_g之间的复频域闭环传递函数E(s)；

在本步骤中，推导的闭环传递函数E(s)＝ΔT_e/Δω_g。

步骤102)：将所述复频域闭环传递函数E(s)分解为E(s)＝dH(s)；

E(s)同时包含了功率外环和电流内环控制系统；d为标量，它刻画了有功控制参考值P*的产生方式对ΔT_e-Δω_g闭环回路特性的影响；H(s)表示有功参考值ΔP*-ΔT_e的传递函数，它刻画了有功外环控制器、电流内环控制器、电机转子磁链动态及电机运行状态对ΔT_e-Δω_g闭环回路特性的影响。

步骤103)：获得额定运行条件下扭转振荡频率ω_i处的相位θ_H；

在本步骤中，令s＝jω，通过H(jω)的表达式和双馈风电机组的参数计算额定运行条件下在扭转振荡频率ω_i处的相位θ_H。计算的公式为：

θ_H＝arg(H(jω_i))

其中，arg(·)表示取相角函数。

步骤104)：根据相位θ_H确定稳定器的补偿角

在本步骤中，根据相位θ_H确定双馈风电机组传动轴系统中稳定器所需的补偿角如图2所示，为本技术方案设计出来的稳定器的结构图。

步骤105)：根据补偿角获得稳定器传递函数G_d(s)，实现双馈风电机组传动轴系统中稳定器的设计。

其中，根据补偿角获得稳定器传递函数的步骤包括：

首先，根据补偿角确定相位补偿环节数m、超前校正时间常数T₁、滞后校正时间常数T₂；同时，根据所述双馈风电机组传动轴系统实际运行需要确定隔直环节时间常数T_w、稳定器增益K_stab和限幅环节幅值常数u_lim的取值情况；

所述相位补偿环节数m的计算公式为：

其中，[·]表示取整函数。

在本步骤中，工程上对隔直环节时间常数T_w的数值并不苛求，允许在1～20s范围内取任何数值，其主要目的是滤掉稳态时转速偏移而允许轴系扭转振荡频率信号完整通过；理想的稳定器增益K_stab应该取净阻尼转矩系数最大时对应的值，在实际中需要考虑增益过大时信号噪声的放大等因素，因此可通过指定净阻尼转矩系数D_g门槛值确定；常数u_lim可通过仿真反复调试的方法获取。

所述超前校正时间常数T₁的计算公式为：

$T_1=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_i\sqrt{{\mathrm{\α}}_c}}$

其中，ω_i为双馈风电机组传动轴系统的固有扭转振荡频率，m为相位补偿环节数，为补偿角。

优选地，所述滞后校正时间常数T₂的计算公式为：

T₂＝α_cT₁

其中， $T_1=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_i\sqrt{{\mathrm{\α}}_c}},$ m为相位补偿环节数，为补偿角。

然后，基于上一步骤获得的参数，利用相位补偿环节数m、超前校正时间常数T₁、滞后校正时间常数T₂、稳定器增益K_stab、隔直环节时间常数T_w和限幅环节幅值常数u_lim确定稳定器的传递函数。

进一步地，基于上述获得参数，可以推到出稳定器后的净阻尼转矩增量ΔT_d，通过增加稳定器增益直到净阻尼转矩系数满足要求。

所述净阻尼转矩增量ΔT_d的表达式为：

其中，D_g表示净阻尼转矩系数。

在本实施例中，该双馈风电机组的固有轴系扭转振荡频率ω_i＝9.5rad/s，基于该技术方案可得到在不同运行状态下H(jω)的相位变化范围在16°～23°(滞后)，折中可取补偿角这时m＝1。根据m和ω_i可得到稳定器器G_d(s)参数，T₁＝0.1538s，T₂＝0.0754s，这里取隔直时间常数T_w＝10s，稳定器限幅为±0.05pu。无相位补偿时，T₁＝0.1111s，T₂＝0.1111s，其它参数同有相位补偿情形。

由于双馈风电机组的额定功率运行方式会引入负阻尼效应，这里针对风电机组额定功率运行状态，分别计算有、无相位补偿两种情况下阻尼转矩系数D_g随稳定器增益K_stab的变化趋势，如图3所示。由图3可看出，在额定运行状态下，无论有、无相位补偿，随着增益K_stab的增加，阻尼转矩系数D_g均随之增大，但对于相同的增益K_stab，有相位补偿时的阻尼转矩系数始终大于无补偿时的阻尼转矩系数；而当达到相同的阻尼转矩系数时，相对无补偿情形，有相位补偿的阻尼控制所需增益更小。因此，图3从阻尼转矩系数的角度论证了相比于无相位补偿的稳定器，有相位补偿时稳定器抑制轴系振荡更有效(即相同稳定器增益，有相位补偿更有效)。

为了通过时域仿真验证上述阻尼转矩系数分析的理论结果，这里将有相位补偿、无相位补偿的稳定器增益K_stab均设置为0.7pu，考查能够反映轴系振荡特性的电磁转矩的动态响应，结果如图4所示。由图4可看出，在稳定器增益相同时，相比于无相位补偿情形，有相位补偿时电磁转矩的振荡幅值更小，振荡衰减更快，因此对传动轴系统的暂态转矩冲击更小，从而能够降低传动轴系统的故障率，提高其可靠性和机械寿命。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种双馈风电机组传动轴系统中稳定器设计的优化方法，其特征在于，包括：

获得电磁转矩增量ΔT_e和电机转速增量Δω_g之间的复频域闭环传递函数E(s)；

将所述复频域闭环传递函数E(s)分解为E(s)＝dH(s)；H(s)表示有功参考值ΔP*-ΔT_e的传递函数；

获得额定运行条件下扭转振荡频率ω_i处的相位θ_H；

根据相位θ_H确定稳定器的补偿角

根据补偿角获得稳定器传递函数G_d(s)，实现双馈风电机组传动轴系统中稳定器的设计；

其中，所述根据补偿角获得稳定器传递函数的步骤包括：

根据补偿角确定相位补偿环节数m、超前校正时间常数T₁、滞后校正时间常数T₂；同时，根据所述双馈风电机组传动轴系统实际运行需要确定隔直环节时间常数T_w、稳定器增益K_stab和限幅环节幅值常数u_lim的取值情况；

利用相位补偿环节数m、超前校正时间常数T₁、滞后校正时间常数T₂、稳定器增益K_stab、隔直环节时间常数T_w和限幅环节幅值常数u_lim确定稳定器的传递函数。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，设计方法还包括：

利用所述相位θ_H、补偿角确定稳定器输出后的净阻尼转矩增量ΔT_d。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述获得额定运行条件下扭转振荡频率ω_i处的相位θ_H的方法为：θ_H＝arg(H(jω_i))，arg(·)表示取相角函数；H(s)表示有功参考值ΔP*-ΔT_e的传递函数，s＝jω_i。

4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述补偿角的计算公式为：

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述相位补偿环节数m的计算公式为：

式中，[·]表示取整函数。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超前校正时间常数T₁的计算公式为：

$T_1=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_i\sqrt{{\mathrm{\α}}_c}}$

其中，ω_i为双馈风电机组传动轴系统的固有扭转振荡频率，m为相位补偿环节数，为补偿角。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述滞后校正时间常数T₂的计算公式为：

T₂＝α_cT₁

其中，m为相位补偿环节数，为补偿角。

8.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述净阻尼转矩增量ΔT_d的表达式为：

其中，D_g表示净阻尼转矩系数。

9.一种如权利要求1～8的设计方法获得的稳定器。