CN106368900A - 风力发电机组传动链振动抑制方法、装置、系统以及机组 - Google Patents

风力发电机组传动链振动抑制方法、装置、系统以及机组 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种风力发电机组传动链振动抑制方法，所述风力发电机组传动链振动抑制方法，包括以下步骤：采集处于满发条件下的风力发电机组的发电机转速；对采集到的发电机转速进行分析以分析得到风力发电机组的传动链固有频率参数；将发电机原始测量转速以及固有频率参数输送至DTD滤波器，经滤波器移相、增益处理后得到滤波输出值；然后滤波输出值被直接叠加到发电机参考转矩，进而传送到变频器，即在发电机原有转矩的基础上增加了一个数值为滤波器输出值的附加转矩，可以抑制发电机转速中频率为传动链固有频率的振荡成分，增大了传动链的阻尼，从而抑制了传动链的振荡。本发明还公开了一种风力发电机组传动链振动抑制、系统以及风力发电机组。

Description

风力发电机组传动链振动抑制方法、装置、系统以及机组
技术领域
本发明涉及一种风力发电机的传动链振动抑制方法、风力发电机组传动链振动抑制装置、风力发电机组传动链控制系统以及风力发电机组。
背景技术
典型的双馈型风力发电机传动链包括叶片、轮毂、主轴、齿轮箱、弹性联轴器和发电机。风力发电机组的偏航系统根据风能状况调整机舱位置，使叶片捕捉到合适的功能，风能驱动力矩带动叶片旋转，驱动主轴低速转动，齿轮箱作为增速装置将主轴的低速、大扭矩运动转化为高速小扭矩运动，并带动发电机转子旋转，最终将风能转化为电能。风力机和发电机之间的变速传动装置(一般为齿轮箱)是必不可少的，这使得风力发电机组传动链具有较大柔性，可能导致系统动态过程中出现传动链扭转振动的问题，对齿轮箱造成损坏。鉴于更换故障齿轮箱的成本过高，所以在大型风电机组的控制设计中，阻尼传动链振荡具有重要的意义。传动链阻尼(Drive Train Damper，简称DTD)是大型变速恒频风电机组的功率输出控制程序中一个重要组成部分。然而，现有技术中，一般是通过软件进行模态分析得到传动链振动模态固有振荡频率，但实际机组与软件模型不完全一致，一旦带通滤波器不准确就无法有效地增加系统阻尼，导致无法有效的抑制传动链振动。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：提供一种能够准确有效的抑制传动链振动的风力发电机组传动链振动抑制方法、装置、系统以及机组。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术问题是：提供一种风力发电机组传动链振动抑制方法，包括以下步骤：
采集处于满发条件下的风力发电机组的发电机转速；
对采集到的发电机转速进行分析以分析得到风力发电机组的传动链固有频率参数；
将发电机原始测量转速以及固有频率参数输送至DTD滤波器，经滤波器移相、增益处理后得到滤波输出值；
然后滤波输出值被直接叠加到发电机参考转矩，进而传送到变频器，即在发电机原有转矩的基础上增加了一个数值为滤波器输出值的附加转矩，可以抑制发电机转速中频率为传动链固有频率的振荡成分，增大了传动链的阻尼，从而抑制了传动链的振荡。
进一步的，在对采集到的发电机转速信号进行分析以分析得到风力发电机组的传动链固有频率参数的步骤中，具体对采集到的发电机转速进行FFT分析，剔除已知频率，从而得到传动链固有频率参数。
进一步的，在将发电机转速以及固有频率参数输送至DTD滤波器，经滤波器移相、增益处理后得到滤波输出值的步骤中，通过公式得到移相、增益处理后的滤波输出值；其中，ω0＝2·π·f0，f0取固有频率附近值，ω0表示DTD滤波器的谐振频率，τ表示滤波器的时间常数，λ表示滤波器的增益系数，表示谐振频率的相位角，ξ＝D，表示滤波器阻尼系数，G(s)表示经滤波器移相、增益处理后得到的滤波输出值。
进一步的，在对采集到的发电机转速进行分析以分析得到风力发电机组的传动链固有频率参数的步骤之后，还包括：
判断所得固有频率振荡幅值是否大于预设的阈值，若大于预设的阈值，则将所述固有频率参数输送至DTD滤波器。
为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术问题是：提供一种风力发电机组传动链振动抑制装置，包括：
采集模块，用于采集处于满发条件下的风力发电机组的发电机转速；
固有频率分析模块，用于对采集到的发电机转速进行分析以分析得到风力发电机组的传动链固有频率参数；
DTD滤波器，用于将发电机转速进行处理，经滤波器移相、增益处理后得到滤波输出值；
转矩控制器，用于对经过DTD滤波器处理后而得到的滤波输出值和发电机原有转矩进行叠加，再传送到变频器系统。
进一步的，所述固有频率分析模块还用于对采集到的发电机转速进行FFT分析，剔除已知频率，从而得到传动链固有频率参数。
进一步的，所述DTD滤波器还用于通过公式得到移相、增益处理后的滤波输出值；其中，ω0＝2·π·f0，f0表示固有频率，ω0表示DTD滤波器的谐振频率，τ表示滤波器的时间常数，λ表示滤波器的增益系数，表示谐振频率的相位角，ξ＝D，表示滤波器阻尼系数，G(s)表示经滤波器移相、增益处理后得到滤波输出值。
进一步的，还包括一判断模块，用于对固有频率分析模块分析得到的固有频率进行判断，以判断分析得到的固有频率是否大于预设的阈值；
所述DTD滤波器，将大于预设阈值的固有频率设为中心频率，对发电机转速进行处理以得到移相、增益处理后得到滤波输出值。
为解决上述技术问题，本发明采用的又一个技术问题是：提供一种风力发电机组传动链控制系统，其特征在于：包括上述风力发电机组传动链振动抑制装置。
为解决上述技术问题，本发明采用的又一个技术问题是：提供一种风力发电机组，包括所述的风力发电机组传动链控制系统。
本发明的风力发电机组传动链振动抑制方法、装置、系统以及机组，对于如何准确的确定传动链振动的固有频率，首先我们对正处于满发条件下运行的风电机组进行数据采集，然后对采集的发电机转速数据进行FFT分析，剔除叶片通过频率等已知频率，未知频率即为传动链固有频率。再根据固有频率设置DTD滤波器参数，对发电机原始测量转速进行移相、增益处理，进而得到处理后的滤波输出值，然后滤波输出值被直接叠加到发电机参考转矩，进而传送到变频器。即在发电机原有转矩的基础上增加了一个数值为滤波器输出值的发电机转矩，可以抑制发电机转速中频率为传动链固有频率的振荡成分，增大了传动链的阻尼，从而抑制了传动链的振荡。本发明的风力发电机组传动链振动抑制方法，能够解决传动链的阻尼较小而容易引起传动链扭矩振动的问题，结合传动链固有频率设计了DTD滤波器，在原有转矩的给定值的基础上增加一个与传动链的扭转速度相反的附加转矩，用来增加传动链的阻尼，以抑制传动链扭转振动，避免引发共振及降低风电机组传动链的疲劳载荷。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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是本发明风力发电机组传动链振动抑制方法一实施例的框图。
图2是本发明风力发电机组传动链振动抑制方法一实施例中FFT分析图。
图3是本发明风力发电机组传动链振动抑制方法一实施例滤波器伯德图。
图4是本发明风力发电机组传动链振动抑制方法经过抑制后的FFT分析图。
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。
请参见图1至图4。本实施例的一种风力发电机组传动链振动抑制方法，包括以下步骤：
S101、采集处于满发条件下的风力发电机组的发电机转速；
本步骤中，所述满发条件是指：风力发电机组的输出功率达到额定功率。
S102、对采集到的发电机转速进行分析以分析得到风力发电机组的传动链固有频率参数；
本步骤中，对于如何准确的确定传动链振动的固有频率，首先我们对正处于满发条件下运行的风电机组进行数据采集，然后对发电机转速数据进行FFT分析(快速傅里叶变换)，剔除叶片通过频率、叶片通过频率的倍频、单个叶片的通过频率等已知频率，未知频率即为传动链固有频率。
S103、判断所述固有频率参数是否大于预设的阈值；
S104、若大于预设的阈值，则需要对传动链振荡进行抑制，将发电机转速以及固有频率参数输送至DTD滤波器，经滤波器移相、增益处理后得到滤波输出值；
本步骤包括以下子步骤：
S1041、根据固有频率得到DTD滤波器的谐振频率，所述DTD滤波器的谐振频率通过以下公式得到：
ω0＝2·π·f0，其中，ω0表示DTD滤波器的谐振频率，f0表示固有频率。
S1042、根据DTD滤波器的谐振频率得到谐振频率的相位角，所述谐振频率的相位角通过以下公式得到：
其中，τ表示滤波器的时间常数，可以用于补偿系统的时间滞后，但是在正常情况下应接近于零，表示谐振频率的相位角。
S1043、根据DTD滤波器的谐振频率ω0、滤波器的时间常数τ、人为设置的滤波器阻尼系数ξ、发电机原始测量转速s得到经过移相、增移处理后的滤波输出值，所述移相、增益处理后的滤波输出值通过以下公式得到：
其中，f0表示固有频率或者取固有频率附近的值，ω0表示DTD滤波器的谐振频率，τ表示滤波器的时间常数，λ表示滤波器的增益系数，表示谐振频率的相位角，ξ＝D，表示滤波器阻尼系数，G(s)表示经滤波器移相、增益处理后得到滤波输出值,s为发电机原始测量转速。
S105、利用转矩控制器对经过DTD滤波器处理后而得到的滤波输出值和发电机原有转矩进行叠加，再传送到变频器；本发明实施方式，对于如何准确的确定传动链振动的固有频率，首先我们对正处于满发条件下运行的风电机组进行数据采集，然后对采集的发电机转速数据进行FFT分析，剔除叶片通过频率等已知频率，未知频率即为传动链固有频率。再根据固有频率设置DTD滤波器参数，对发电机原始测量转速进行移相、增益处理，进而得到处理后的滤波输出值，然后滤波输出值被直接叠加到发电机参考转矩，进而传送到变频器。即在发电机原有转矩的基础上增加了一个数值为滤波器输出值的发电机转矩，可以抑制发电机转速中频率为传动链固有频率的振荡成分，增大了传动链的阻尼，从而抑制了传动链的振荡。本发明的风力发电机组传动链振动抑制方法，能够解决传动链的阻尼较小而容易引起传动链扭矩振动的问题，结合传动链固有频率设计了DTD滤波器，在原有转矩的给定值的基础上增加一个与传动链的扭转速度相反的附加转矩，用来增加传动链的阻尼，以抑制传动链扭转振动，避免引发共振及降低风电机组传动链的疲劳载荷。
请继续参见图2至图4，具体结合实例，本实例中以2MW风场的某台风机的发电机转速进行FFT分析，采集该风力发电机在满发条件下的发电机转速信号，然后将该发电机转速信号进行FFT分析，FFT分析图详见图2，由图2中可看出此频率范围内一共有五个频率，其中，位于0到0.5Hz之间的为单个叶片通过频率，0.75Hz的为多个叶片通过频率，1.5Hz为通过频率的倍频，这三个频率均为已知频率，1.675Hz和2.492Hz为固有频率，由图2可看出，1.675Hz固有频率的振动幅度偏高，达到2.189rpm,于是取固有频率1的近似值1.68Hz作为DTD滤波器的中心频率，设计合适的滤波器。因此需要对其进行抑制，下面以一组滤波器例子显示了DTD滤波器的幅频特性和相频特性。其中：中心频率f0＝1.68Hz、增益系数λ＝1、阻尼系数ξ＝0.1、时间常数τ＝0.001，该DTD滤波器Bode图请参见图3。
请参见图4，为风机使能DTD滤波器以后，在正常运行时，重新采集满发数据，对发电机转速进行FFT分析的分析图。由图4很明显的看出：1.68Hz附近的振幅均明显减小，效果显著，说明本发明方法在实际运用中安全有效。
本发明还公开了一种风力发电机组传动链振动抑制装置，包括：
采集模块，用于采集处于满发条件下的风力发电机组的发电机转速；
固有频率分析模块，用于对采集到的发电机转速进行分析以分析得到风力发电机组的传动链固有频率参数；
对于如何准确的确定传动链振动的固有频率，首先我们对正处于满发条件下运行的风电机组进行数据采集，然后对采集的发电机转速数据进行FFT分析(快速傅里叶变换)，剔除叶片通过频率、叶片通过频率的倍频、单个叶片的通过频率等已知频率，未知频率即为传动链固有频率。
DTD滤波器，用于将发电机转速进行处理，经滤波器移相、增益处理后得到滤波输出值；其中：
滤波器根据固有频率得到DTD滤波器的谐振频率，所述DTD滤波器的谐振频率通过以下公式得到：
ω0＝2·π·f0，其中，ω0表示DTD滤波器的谐振频率，f0表示固有频率。
根据DTD滤波器的谐振频率得到谐振频率的相位角，所述谐振频率的相位角通过以下公式得到：
其中，τ表示滤波器的时间常数，可以用于补偿系统的时间滞后，但是在正常情况下应接近于零，表示谐振频率的相位角。
根据DTD滤波器的谐振频率ω0、滤波器的时间常数τ、人为设置的滤波器阻尼系数ξ、发电机原始测量转速s得到经过移相、增益处理后的滤波输出值，所述移相、增移后的滤波输出值通过以下公式得到：
其中，f0表示固有频率，ω0表示DTD滤波器的谐振频率，τ表示滤波器的时间常数，λ表示滤波器的增益系数，表示谐振频率的相位角，ξ＝D，表示滤波器阻尼系数，G(s)表示经滤波器移相、增益处理后得到滤波输出值,s为发电机原始测量转速。
转矩控制器，用于对经过DTD滤波器处理后而得到的滤波输出值和发电机原有转矩进行叠加，再传送到变频器；
本发明实施方式，对于如何准确的确定传动链振动的固有频率，首先我们对正处于满发条件下运行的风电机组进行数据采集，然后对采集的发电机转速数据进行FFT分析，剔除叶片通过频率等已知频率，未知频率即为传动链固有频率。再根据固有频率设置DTD滤波器参数，对发电机原始测量转速进行移相、增益处理，进而得到处理后的滤波输出值，然后滤波输出值被直接叠加到发电机参考转矩，进而传送到变频器。即在发电机原有转矩的基础上增加了一个数值为滤波器输出值的发电机转矩，可以抑制发电机转速中频率为传动链固有频率的振荡成分，增大了传动链的阻尼，从而抑制了传动链的振荡。本发明的风力发电机组传动链振动抑制方法，能够解决传动链的阻尼较小而容易引起传动链扭矩振动的问题，结合传动链固有频率设计了DTD滤波器，在原有转矩的给定值的基础上增加一个与传动链的扭转速度相反的附加转矩，用来增加传动链的阻尼，以抑制传动链扭转振动，避免引发共振及降低风电机组传动链的疲劳载荷。
本发明还公开了一种风力发电机组传动链控制系统，包括实施例的风力发电机组传动链振动抑制装置。
本发明还公开了一种风力发电机组，包括所述的风力发电机组传动链控制系统。
本发明可以准确的确定传动链的固有频率，再设计出相应的DTD滤波器来抑制传动链振荡，大大提高DTD滤波器的有效性。
以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种风力发电机组传动链振动抑制方法，包括以下步骤：
采集处于满发条件下的风力发电机组的发电机转速；
对采集到的发电机转速进行分析以分析得到风力发电机组的传动链固有频率参数；
将发电机原始测量转速以及固有频率参数输送至DTD滤波器，经滤波器移相、增益处理后得到滤波输出值；
然后滤波输出值被直接叠加到发电机参考转矩，进而传送到变频器，即在发电机原有转矩的基础上增加了一个数值为滤波器输出值的附加转矩，可以抑制发电机转速中频率为传动链固有频率的振荡成分，增大了传动链的阻尼，从而抑制了传动链的振荡。
2.如权利要求1所述的风力发电机组传动链振动抑制方法，其特征在于：在对采集到的发电机转速信号进行分析以分析得到风力发电机组的传动链固有频率参数的步骤中，具体对采集到的发电机转速进行FFT分析，剔除已知频率，从而得到传动链固有频率参数。
3.如权利要求1所述的风力发电机组传动链振动抑制方法，其特征在于：在将发电机转速以及固有频率参数输送至DTD滤波器，经滤波器移相、增益处理后得到滤波输出值的步骤中，通过公式得到移相、增益处理后的滤波输出值；其中，ω0＝2·π·f0，f0取固有频率附近值，ω0表示DTD滤波器的谐振频率，τ表示滤波器的时间常数，λ表示滤波器的增益系数，表示谐振频率的相位角，ξ＝D，表示滤波器阻尼系数，G(s)表示经滤波器移相、增益处理后得到的滤波输出值。
4.如权利要求1所述的风力发电机组传动链振动抑制方法，其特征在于，在对采集到的发电机转速进行分析以分析得到风力发电机组的传动链固有频率参数的步骤之后，还包括：
判断所得固有频率振荡幅值是否大于预设的阈值，若大于预设的阈值，则将所述固有频率参数输送至DTD滤波器。
5.一种风力发电机组传动链振动抑制装置，包括：
采集模块，用于采集处于满发条件下的风力发电机组的发电机转速；
固有频率分析模块，用于对采集到的发电机转速进行分析以分析得到风力发电机组的传动链固有频率参数；
DTD滤波器，用于将发电机转速进行处理，经滤波器移相、增益处理后得到滤波输出值；
转矩控制器，用于对经过DTD滤波器处理后而得到的滤波输出值和发电机原有转矩进行叠加，再传送到变频器系统。
6.如权利要求5所述的风力发电机组传动链振动抑制装置，其特征在于：所述固有频率分析模块还用于对采集到的发电机转速进行FFT分析，剔除已知频率，从而得到传动链固有频率参数。
7.如权利要求5所述的风力发电机组传动链振动抑制装置，其特征在于：所述DTD滤波器还用于通过公式得到移相、增益处理后的滤波输出值；其中，ω0＝2·π·f0，f0表示固有频率，ω0表示DTD滤波器的谐振频率，τ表示滤波器的时间常数，λ表示滤波器的增益系数，表示谐振频率的相位角，ξ＝D，表示滤波器阻尼系数，G(s)表示经滤波器移相、增益处理后得到滤波输出值。
8.如权利要求5所述的风力发电机组传动链振动抑制装置，其特征在于：还包括一判断模块，用于对固有频率分析模块分析得到的固有频率进行判断，以判断分析得到的固有频率是否大于预设的阈值；
所述DTD滤波器，将大于预设阈值的固有频率设为中心频率，对发电机转速进行处理以得到移相、增益处理后得到滤波输出值。
9.一种风力发电机组传动链控制系统，其特征在于：包括上述5至8任一项所述的风力发电机组传动链振动抑制装置。
10.一种风力发电机组，包括如权利要求9所述的风力发电机组传动链控制系统。
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