CN105024616B - 电网电压对称骤升下的双馈风力发电机组的轴系振荡抑制控制系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电网电压对称骤升下的双馈风力发电机组的轴系振荡抑制控制系统及其方法，其特征是：在控制系统中设置由速度微分模块、电磁转矩观测模块和扭矩微分模块组成扭矩微分补偿模块；利用速度微分模块获得转子合成转矩。本发明能在电网电压骤升下抑制风机传动轴扭矩，电磁转矩和电机转速振荡，加速风电机组轴系低频振荡衰减，从而降低电网故障对风机传动轴和齿轮箱的磨损，延长风机传动轴的使用寿命。

Description

电网电压对称骤升下的双馈风力发电机组的轴系振荡抑制控 制系统及其方法

技术领域

本发明属于风力发电领域，具体地说是一种电网电压对称骤升下的双馈风力发电机组的轴系振荡抑制控制系统及其方法。

背景技术

双馈型风力发电机是目前兆瓦级变速恒频风力发电机的主流机型，电网电压对称骤升故障时，双馈电机的电磁转矩中含有骤升的稳态分量和衰减的高频暂态分量，风力矩和电磁转矩的不匹配会导致风机柔性传动轴长时间的低频振荡。电网电压对称骤升后双馈风机机组的柔性传动轴振荡抑制是实现高电压穿越的主要目标之一，为了满足双馈风电机组并网导则和延长风机传动轴的使用寿命，风力发电机组急需具备电网电压对称骤升故障过后轴系振荡的抑制能力。而现有的技术中，尚没有相关电网电压对称骤升故障对风机传动轴低频振荡影响研究，同时尚没有相关抑制电网电压对称骤升导致的轴系低频振荡的控制方法。

发明内容

本发明是为了克服现有技术存在的不足之处，提出一种电网电压对称骤升下的双馈风力发电机组的轴系振荡抑制控制系统及其方法，以期能在电网电压骤升下抑制风机传动轴扭矩，电磁转矩和电机转速振荡，加速风电机组轴系低频振荡衰减，从而降低电网故障对风机传动轴和齿轮箱的磨损，延长风机传动轴的使用寿命。

本发明为达到上述发明目的采用如下技术方案：

本发明一种电网电压对称骤升下的双馈风力发电机组的轴系振荡抑制控制系统，所述双馈风力发电机组包括：双馈风力发电机、转子侧变流器、直流母线电容、电网、光电编码器和控制系统；所述控制系统包括：锁相环、速度环PI调节器，有功电流环PI调节器，无功电流环PI调节器和SVPWM模块，其特点是：在所述控制系统中设置有扭矩微分补偿模块；

所述扭矩微分补偿模块是由速度微分模块、电磁转矩观测模块和扭矩微分模块组成；所述速度微分模块是由第一微分器、第一增益运算器和第一低通滤波器组成；所述电磁转矩观测模块是由第二增益运算器和第二低通滤波器组成；所述扭矩微分模块是由第二微分器、第三增益运算器和第三低通滤波器组成；

所述光电编码器获取所述双馈风力发电机的转子角速度ω_g传输给所述速度微分模块的第一增益运算器进行运算后的结果传输给所述第一微分器进行运算，将所述第一微分器的运输结果传输给所述第一低通滤波器进行运算后获得转子合成转矩T_r；

对所获取的双馈风力发电机的三相转子电流i_ra，i_rb和i_rc进行CLARK变换和PARK变换后获得转子无功电流i_rd和转子有功电流i_rq；将所述转子有功电流i_rq传输给所述电磁转矩观测模块的第二增益运算器进行运算后的结果传输给所述第二低通滤波器进行运算后获得电磁转矩T_e；

将所述电磁转矩T_e与所述转子合成转矩T_r之间的差值传输给所述扭矩微分模块的第三增益运算器进行运算后的结果传输给所述第二微分器进行运算，将所述第二微分器输出的结果传输给所述第三低通滤波器进行运算后获得有功电流的补偿指令Δi_rq*；

以所述速度环PI调节器的输出值i_rq*与所述补偿指令Δi_rq*进行求和获得更新后的转子有功电流的指令(i_rq ^*)′；所述更新后的转子有功电流的指令(i_rq ^*)′与转子有功电流i_rq进行差值计算后传输给所述有功电流环PI调节器用于获得输出值v_rq；

对所述无功电流环PI调节器的输出值v_rd与所述有功电流环PI调节器的输出值v_rq进行PARK逆变换后获得转子电压指令v_rα和v_rβ；以所述转子电压指令v_rα和v_rβ作为SVPWM模块的输入信号，从而获得SVPWM模块的PWM信号；以所述PWM信号驱动所述转子侧变流器，从而实现对双馈风力发电机组的轴系振荡抑制控制。

本发明一种电网电压对称骤升下的双馈风力发电机组的轴系振荡抑制控制系统的方法的特点是按如下步骤进行：

步骤1、设定双馈风力发电机的转子角速度指令值ω_g*；通过光电编码器检测所述双馈风力发电机的转子角速度ω_g，将所述转子角速度指令值ω_g*与所述转子角速度ω_g进行求差计算，获得差值Δω_g后输入速度环PI调节器G_ω(s)获得转子有功电流指令值i_rq*；

步骤2、通过锁相环检测所述电网电压的电角度θ_s，通过所述光电编码器检测所述双馈风力发电机的转子电角度θ_r，将所述电角度θ_s和转子电角度θ_r进行求差计算，获得所述双馈风力发电机的转差角度θ_sl；

步骤3、所述双馈风力发电机的转子侧变流器获取三相转子电流i_ra，i_rb和i_rc，并利用式(1)进行静止坐标系到旋转坐标系的坐标变换，获得转子无功电流i_rd和转子有功电流i_rq：

步骤4：利用式(2)获得传动轴扭矩观测值T_s：

式(2)中，J_g表示所述双馈风力发电机的转子质量块惯量；T_q′表示第一低通滤波时间常数；T_q″表示第二低通滤波时间常数；K_t表示第二增益系数；并有

式(3)中，L_m表示定子和转子之间的互感；L_s表示定子自感；n_p表示所述双馈风力发电机的电机极对数；ω_s表示电网频率；u_s表示所述电网相电压的幅值；

步骤5、利用式(4)获得转子有功电流的补偿指令Δi_rq*：

式(4)中，K表示第三增益系数；T_q″′表示第三低通滤波时间常数；

步骤6、将所述补偿指令Δi_rq*与所述转子有功电流指令i_rq*进行叠加获得更新后的转子有功电流指令(i_rq ^*)′；

步骤7、将更新后的转子有功电流指令(i_rq ^*)′与所述转子有功电流i_rq进行求差计算获得差值Δi_rq后输入有功电流环PI调节器G_q(s)用于获得输出值v_rq；

步骤8、设定所述双馈风力发电机的无功电流指令为i_rd*；将所述无功电流指令i_rd*与所述转子无功电流i_rd进行求差计算获得差值Δi_rd后输入无功电流环PI调节器G_d(s)用于获得输出值v_rd；

步骤9、利用式(5)获得转子电压指令v_rα和v_rβ：

步骤10、将所述转子电压指令v_rα和v_rβ输入SVPWM模块从而获得PWM信号：以所述PWM信号驱动所述转子侧变流器，从而实现对双馈风力发电机组的轴系振荡抑制控制。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明通过将传动轴扭矩微分量作为转子有功电流的补偿指令，用以实现对双馈风电机组的负载波动的超前补偿，增强了柔性传动轴的阻尼系数，增强了控制系统的稳定性，抑制了电网电压骤升后风机传动轴扭矩，电磁转矩和双馈风力发电机转速振荡，加速了风机传动轴轴低频振荡的衰减，降低了电网故障对风机传动轴和齿轮箱的磨损，延长了风机传动轴的使用寿命。

2、本发明设计了传动轴扭矩观测器，可以实现对柔性传动轴扭矩的实时观测，便于准确掌握由风速波动和电网电压骤升故障造成的风机传动轴扭矩的波动程度，防止发生由风机传动轴扭矩超出其所能承受的最大扭矩引起的断齿和断轴事故。

3.本发明提出的控制系统及其方法设计简单，无需借助额外的硬件设备，降低了系统成本和设计的复杂性；可以实时准确的对电磁转矩进行动态调整，并通过低通滤波器的设计来滤除控制系统中的测量噪声和高频干扰，消除转子有功电流的补偿指令Δi_rq*中的高频分量，降低了双馈风力发电机定子电流和转子电流中的谐波含量，减小了电磁转矩中的高频脉动分量。

附图说明

图1为本发明双馈风力发电机轴系振荡抑制控制结构图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例中的一种电网电压对称骤升下的双馈风力发电机组的轴系振荡抑制控制系统，其双馈风力发电机组包括：风力机、低速轴、齿轮箱、高速轴、双馈风力发电机、转子侧变流器、直流母线电容、网侧变流器、电网、光电编码器和控制系统；而控制系统包括：锁相环、速度环PI调节器，有功电流环PI调节器，无功电流环PI调节器和SVPWM模块，具体实施中，在控制系统中还设置有扭矩微分补偿模块；

本实施例中，电网电压额定值为690V，压骤升故障导致电压升高为897V，电压升高500ms后恢复正常；双馈风力发电机的定子额定电压为690V，定子额定电流为1400A，转子开路电压为2000V，转子额定电流为500A，同步转速为1500r/min，双馈风力发电机运行在超同步转速n＝1800r/min，直流母线电压为1100V，转子质量块惯量为80Kg.m²；转子侧变流器采用串级控制方式来实现有功功率和无功功率的独立解耦控制；有功轴的外环为速度环，内环为有功电流环；无功轴设定无功电流指令来使得双馈风力发电机运行在单位功率因数；网侧变流器运行在单位功率因数；

扭矩微分补偿模块是由速度微分模块、电磁转矩观测模块和扭矩微分模块组成；速度微分模块是由第一微分器、第一增益运算器和第一低通滤波器组成；其中，第一增益运算器的增益系数取值为转子质量块惯量80，第一低通滤波器中的第一滤波时间常数T_q′可取为0.03；电磁转矩观测模块是由第二增益运算器和第二低通滤波器组成；其中，第二低通滤波器中的第二滤波时间常数T_q″取值与第一滤波时间常数T_q′取值相等；扭矩微分模块是由第二微分器、第三增益运算器和第三低通滤波器组成；其中，第三增益运算器的增益系数K取值为-0.05，第三低通滤波器中的第三滤波时间常数T_q″′可取为0.08；

光电编码器获取双馈风力发电机的转子角速度ω_g传输给速度微分模块的第一增益运算器进行运算后的结果传输给第一微分器进行运算，将第一微分器的运输结果传输给第一低通滤波器进行运算后获得转子合成转矩T_r；T_r即为电磁转矩与传动轴扭矩的差值；

将电网电压矢量所在的位置定为两相同步旋转坐标系的q轴，两相同步旋转坐标系的d轴滞后q轴90°电角度；对通过电流传感器所获取的双馈风力发电机的三相转子电流i_ra，i_rb和i_rc进行CLARK变换和PARK变换后获得转子无功电流i_rd和转子有功电流i_rq；将转子有功电流i_rq传输给电磁转矩观测模块的第二增益运算器进行运算后的结果传输给第二低通滤波器进行运算后获得电磁转矩T_e；第二增益运算器的增益系数K_t根据电磁转矩的表达式(1)来设定，即

将电磁转矩T_e与转子合成转矩T_r之间的差值传输给扭矩微分模块的第三增益运算器进行运算后的结果传输给第二微分器进行运算，将第二微分器输出的结果传输给第三低通滤波器进行运算后获得有功电流的补偿指令Δi_rq*；通过对电磁转矩T_e与转子合成转矩T_r差值运算为可实现传动轴上扭矩T_s的观测；

以速度环PI调节器的输出值i_rq*与补偿指令Δi_rq*进行求和获得更新后的转子有功电流的指令(i_rq ^*)′；更新后的转子有功电流的指令(i_rq ^*)′与转子有功电流i_rq进行差值计算后传输给有功电流环PI调节器用于获得输出值v_rq；

对无功电流环PI调节器的输出值v_rd与有功电流环PI调节器的输出值v_rq进行PARK逆变换后获得转子电压指令v_rα和v_rβ；以转子电压指令v_rα和v_rβ作为SVPWM模块的输入信号，从而获得SVPWM模块的PWM信号；具体实施中，设定转子侧变流器的开关频率为2000HZ，控制系统采用双加载模式，电网电压信号和转子电流的采样频率为4000HZ，以PWM信号驱动转子侧变流器，从而实现对双馈风力发电机组的轴系振荡抑制控制。

本实施例中，如图1所示，一种电网电压对称骤升下的双馈风力发电机组的轴系振荡抑制控制系统的方法是按如下步骤进行：

步骤1、设定双馈风力发电机的转子角速度指令值ω_g*＝188.4rad/s；通过光电编码器检测双馈风力发电机的转子角速度ω_g，将转子角速度指令值ω_g*与转子角速度ω_g进行求差计算，获得差值Δω_g后输入速度环PI调节器G_ω(s)获得转子有功电流指令值i_rq*；G_ω(s)可以表示为式(2)：

式(2)中K_p，K_i分别表示速度环PI调节器的比例系数和积分系数；设定速度环带宽频率为40HZ；

步骤2、本实施例中，通过基于DSOGI锁相环检测电网电压的电角度θ_s，θ_s为同步旋转坐标系的d轴与三相静止坐标系a轴之间的电角度；通过光电编码器检测双馈风力发电机的转子电角度θ_r，将电角度θ_s和转子电角度θ_r进行求差计算，获得双馈风力发电机的转差角度θ_sl；

步骤3、通过电流传感器从双馈风力发电机的转子侧变流器获取三相转子电流i_ra，i_rb和i_rc，并利用式(3)进行三相静止坐标系到两相同步旋转坐标系的坐标变换，获得转子无功电流i_rd和转子有功电流i_rq：

步骤4：利用式(4)获得传动轴扭矩观测值T_s：

式(4)中，J_g表示双馈风力发电机的转子质量块惯量，可将J_g值设为80；T_q′表示第一低通滤波时间常数，可将T_q′值设为0.03；T_q″表示第二低通滤波时间常数，可将T_q″值设为0.03；K_t表示第二增益系数；并有

式(5)中，L_m表示定子和转子之间的互感；L_s表示定子自感；n_p表示双馈风力发电机的电机极对数；ω_s表示电网频率；u_s表示电网相电压的幅值；

步骤5、利用式(6)获得转子有功电流的补偿指令Δi_rq*：

式(6)中，K表示第三增益系数，可将K设为-0.05；T_q″′表示第三低通滤波时间常数，可将T_q″′值设为0.08；

步骤6、将补偿指令Δi_rq*与转子有功电流指令i_rq*进行叠加获得更新后的转子有功电流指令(i_rq ^*)′；

步骤7、将更新后的转子有功电流指令(i_rq ^*)′与转子有功电流i_rq进行求差计算获得差值Δi_rq后输入有功电流环PI调节器G_q(s)用于获得限幅后的输出值v_rq；G_q(s)可表示为式(7)：

式(7)中，K_p′，K_i′分别表示有功电流环PI调节器的比例系数和积分系数；K_p′和K_i′的值按式(8)设定；

式(8)中，L_sl表示定子漏感，L_rl表示转子漏感，R_s表示定子电阻，R_r表示转子电阻；

步骤8、设定双馈风力发电机的无功电流指令为i_rd*；将无功电流指令i_rd*与转子无功电流i_rd进行求差计算获得差值Δi_rd后输入无功电流环PI调节器G_d(s)用于获得限幅后的输出值v_rd；G_d(s)可表示为式(9)：

式(9)中，K_p″，K_i″分别表示无功电流环PI调节器的比例系数和积分系数；K_p″的值与K_p′相等，K_i″的值与K_i′相等；利用式(10)设定无功电流指令i_rd*：

式(10)中，L_r表示转子自感；

步骤9、利用式(11)获得转子电压指令v_rα和v_rβ：

步骤10、将转子电压指令v_rα和v_rβ输入SVPWM模块从而获得PWM信号：以PWM信号驱动转子侧变流器，从而实现对双馈风力发电机组的轴系振荡抑制控制。

Claims (2)

1.一种电网电压对称骤升下的双馈风力发电机组的轴系振荡抑制控制系统，所述双馈风力发电机组包括：双馈风力发电机、转子侧变流器、直流母线电容、电网、光电编码器和控制系统；所述控制系统包括：锁相环、速度环PI调节器，有功电流环PI调节器，无功电流环PI调节器和SVPWM模块，其特征是：在所述控制系统中设置有扭矩微分补偿模块；

所述扭矩微分补偿模块是由速度微分模块、电磁转矩观测模块和扭矩微分模块组成；所述速度微分模块是由第一微分器、第一增益运算器和第一低通滤波器组成；所述电磁转矩观测模块是由第二增益运算器和第二低通滤波器组成；所述扭矩微分模块是由第二微分器、第三增益运算器和第三低通滤波器组成；

所述光电编码器获取所述双馈风力发电机的转子角速度ω_g传输给所述速度微分模块的第一增益运算器进行运算后的结果传输给所述第一微分器进行运算，将所述第一微分器的运输结果传输给所述第一低通滤波器进行运算后获得转子合成转矩T_r；

对所获取的双馈风力发电机的三相转子电流i_ra，i_rb和i_rc进行CLARK变换和PARK变换后获得转子无功电流i_rd和转子有功电流i_rq；将所述转子有功电流i_rq传输给所述电磁转矩观测模块的第二增益运算器进行运算后的结果传输给所述第二低通滤波器进行运算后获得电磁转矩T_e；

将所述电磁转矩T_e与所述转子合成转矩T_r之间的差值传输给所述扭矩微分模块的第三增益运算器进行运算后的结果传输给所述第二微分器进行运算，将所述第二微分器输出的结果传输给所述第三低通滤波器进行运算后获得有功电流的补偿指令Δi_rq*；

以所述速度环PI调节器的输出值i_rq*与所述补偿指令Δi_rq*进行求和获得更新后的转子有功电流的指令(i_rq ^*)′；所述更新后的转子有功电流的指令(i_rq ^*)′与转子有功电流i_rq进行差值计算后传输给所述有功电流环PI调节器用于获得输出值v_rq；

对所述无功电流环PI调节器的输出值v_rd与所述有功电流环PI调节器的输出值v_rq进行PARK逆变换后获得转子电压指令v_rα和v_rβ；以所述转子电压指令v_rα和v_rβ作为SVPWM模块的输入信号，从而获得SVPWM模块的PWM信号；以所述PWM信号驱动所述转子侧变流器，从而实现对双馈风力发电机组的轴系振荡抑制控制。

2.一种利用权利要求1所述的电网电压对称骤升下的双馈风力发电机组的轴系振荡抑制控制系统的方法，其特征是按如下步骤进行：

步骤1、设定双馈风力发电机的转子角速度指令值ω_g*；通过光电编码器检测所述双馈风力发电机的转子角速度ω_g，将所述转子角速度指令值ω_g*与所述转子角速度ω_g进行求差计算，获得差值Δω_g后输入速度环PI调节器G_ω(s)获得转子有功电流指令值i_rq*；

步骤2、通过锁相环检测所述电网电压的电角度θ_s，通过所述光电编码器检测所述双馈风力发电机的转子电角度θ_r，将所述电角度θ_s和转子电角度θ_r进行求差计算，获得所述双馈风力发电机的转差角度θ_sl；

步骤3、所述双馈风力发电机的转子侧变流器获取三相转子电流i_ra，i_rb和i_rc，并利用式(1)进行静止坐标系到旋转坐标系的坐标变换，获得转子无功电流i_rd和转子有功电流i_rq：

步骤4：利用式(2)获得传动轴扭矩观测值T_s：

$T_s=\frac{K_t\×i_{rq}}{{T_q}^{\′\′}s+1}-\frac{J_{g}s}{{T_q}^{\′}s+1}\×{\mathrm{\ω}}_g---\left(2\right)$

式(2)中，J_g表示所述双馈风力发电机的转子质量块惯量；T_q′表示第一低通滤波时间常数；T_q″表示第二低通滤波时间常数；K_t表示第二增益系数；并有

$K_t=-1.5\×\frac{L_m}{L_s}{n}_p\×\frac{u_s}{{\mathrm{\ω}}_s}---\left(3\right)$

式(3)中，L_m表示定子和转子之间的互感；L_s表示定子自感；n_p表示所述双馈风力发电机的电机极对数；ω_s表示电网频率；u_s表示所述电网相电压的幅值；

步骤5、利用式(4)获得转子有功电流的补偿指令Δi_rq*：

${\mathrm{\Δi}}_{rq}*=T_s\×\frac{K\×s}{{T_q}^{\′\′\′}s+1}---\left(4\right)$

式(4)中，K表示第三增益系数；T_q″′表示第三低通滤波时间常数；

步骤6、将所述补偿指令Δi_rq*与所述转子有功电流指令i_rq*进行叠加获得更新后的转子有功电流指令(i_rq ^*)′；

步骤7、将更新后的转子有功电流指令(i_rq ^*)′与所述转子有功电流i_rq进行求差计算获得差值Δi_rq后输入有功电流环PI调节器G_q(s)用于获得输出值v_rq；

步骤8、设定所述双馈风力发电机的无功电流指令为i_rd*；将所述无功电流指令i_rd*与所述转子无功电流i_rd进行求差计算获得差值Δi_rd后输入无功电流环PI调节器G_d(s)用于获得输出值v_rd；

步骤9、利用式(5)获得转子电压指令v_rα和v_rβ：

$\left[\begin{array}{c}{v}_{r\mathrm{\α}}\\ v_{r\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{cos\θ}}_{sl}& -{\mathrm{sin\θ}}_{sl}\\ {\mathrm{sin\θ}}_{sl}& {\mathrm{cos\θ}}_{sl}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{v}_{rd}\\ v_{rq}\end{array}\right]---\left(5\right)$

步骤10、将所述转子电压指令v_rα和v_rβ输入SVPWM模块从而获得PWM信号：以所述PWM信号驱动所述转子侧变流器，从而实现对双馈风力发电机组的轴系振荡抑制控制。