CN107017647A

CN107017647A - 一种基于直流母线电压控制的双馈感应风电机组轴系扭振抑制方法

Info

Publication number: CN107017647A
Application number: CN201710429112.2A
Authority: CN
Inventors: 姚骏; 李嘉伟; 王雪微; 曾欣
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2017-06-08
Filing date: 2017-06-08
Publication date: 2017-08-04
Anticipated expiration: 2037-06-08
Also published as: CN107017647B

Abstract

本发明公开了一种基于直流母线电压控制的双馈感应风电机组轴系扭振抑制方法，包括下述步骤：通过安装在风轮轴系和发电机轴系尾部的转速传感器产生转速脉冲，通过对转速脉冲信号进行解调，获得风轮与发电机电角速度的瞬时扭转角速度差；将获得的扭转角速度差输入到附加轴系阻尼控制器中，并将附加轴系阻尼控制器输出T _damp限幅后叠加在双馈感应风电机组网侧变换器直流母线电压控制环节。本发明利用直流母线电压V _dc与DFIG电磁转矩T _e及系统有功功率P _g之间的耦合关系，通过对网侧变换器直流电压控制环节附加轴系扭振抑制策略，以实现对DFIG风电系统轴系扭振的抑制，从而提高系统轴系动态稳定性。

Description

一种基于直流母线电压控制的双馈感应风电机组轴系扭振抑制方法

技术领域

本发明涉及机组轴系扭振抑制，具体而言，涉及一种基于直流母线电压控制的双馈感应风电机组轴系扭振抑制方法，属于风力发电技术领域。

背景技术

双馈感应发电机(doubly fed induction generator，DFIG)型风电系统由于具备运行转速范围宽、励磁变换装置容量小和能够实现功率解耦调节等特点，其已成为目前大型风电场所采用的主流发电机组类型，而随着风电并网装机容量不断增长，电网受DFIG风电系统的影响程度逐渐加深。当受到风速突变或电网故障等外界扰动时，DFIG风电系统将表现出传动轴系的振荡，进而引起其输出功率的振荡，这将可能导致DFIG风电系统轴系损毁，同时导致与该风电系统强耦合的电力网络产生低频振荡，不利于含DFIG风电系统并网的电力系统稳定运行。

对于含DFIG风电系统并网的电力网络，设计其动态稳定特性控制方案时，主要从电网和风电系统自身两个角度考虑并进行设计和实施，以实现含风电并网的电力系统经济、稳定、安全运行。然而，由于风电系统所接电网电气特性不同，DFIG风电系统对电网动态稳定性的影响规律亦不同，当对电网采取附加阻尼控制策略时，可能改善原系统的特征根分布特性，引入新的振荡模式。因此，对双馈风电机组本身附加阻尼控制策略是实现机组轴系扭振抑制的最终措施。

目前，基于双馈感应风电系统自身阻尼控制的轴系扭振抑制策略已有一些解决方案，如已公开的下列文献：

[1]张琛，李征，蔡旭，高强，汪宁勃.双馈风电机组轴系扭振的稳定与控制[J].电工技术学报，2015，30(10)：301-310.

[2]Fariba Fatceh，Warren N.White，and DonGruenbacher.Mitigation oftorsional vibration vibrations in the drivetrain of DFIG-based grid-connectedwind turbine[C]//Proc.IEEE Energy Conversion Congress and Exposition(ECCE).Montreal，Canada：IEEE，2015，4159-4164.

[3]王立新，程林，孙元章，杨晓东，林毅.补偿双馈风电机组电磁转矩-转速闭环相位之后特性的传动轴系统阻尼控制[J].电网技术，2014，38(12)：3333-3340.

分析以上文献可知，目前基于双馈风电场系统自身阻尼控制策略均附加于转矩/功率控制环节。然而，随着风电并网要求的逐渐提高，越来越多附加控制策略被施加于DFIG转子侧变换器功率控制环节中，这些控制策略相互作用影响，可能导致系统转子侧变换器运行控制能力降低，削弱风电系统阻尼，甚至引发新的振荡模态。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提出一种基于直流母线电压控制的双馈感应风电机组轴系扭振抑制方法，通过在双馈风电机组网侧变换器直流电压控制环引入扭振角速度差ω_Δ为输入量的轴系阻尼控制环节，通过合理设置该阻尼控制环节中的各个参数，重新配置双馈风电系统轴系振荡所对应的电气阻尼系数，从而提高轴系动态稳定性。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于直流母线电压控制的双馈感应风电机组轴系扭振抑制方法，包括下述步骤：

A1)当轴系扭振时，通过安装在风轮轴系尾部的转速传感器和发电机轴系尾部的转速传感器产生转速脉冲，通过对转速脉冲信号进行解调，获得风轮与发电机电角速度的瞬时扭转角速度差Δω；

A2)将步骤A1)获得的扭转角速度差Δω输入到附加轴系阻尼控制器中，并将附加轴系阻尼控制器输出T_damp限幅后叠加在双馈感应风电机组网侧变换器直流母线电压控制环节；

其中附加轴系阻尼控制器输出T_damp按如下步骤确定：

A2.1)将双馈感应风电机组轴系等效为两质量块模型，在此基础上，建立机组电磁转矩增量ΔT_e与直流母线电压增量ΔV_dc之间的传递函数；

A2.2)根据传递函数确定轴系扭振频率ω_osc附近幅值及相位特性；

A2.3)根据步骤A2.2)所确定的幅值及相位特性，配置附加轴系阻尼控制器相位补偿、隔直及增益三项环节参数，其中，附加轴系阻尼控制器传递函数如下所示：

式中，K_dcc为相位补偿项；T_dc1和T_dc2分别为其超前/滞后校正时间常数；K_dci为隔直项；T_dcw为隔直环节时间常数，通常为1～20s；K_dcd为阻尼控制器增益；

A2.4)根据步骤A2.3)得到的附加轴系阻尼控制器传递函数，即得到附加轴系阻尼控制器输出T_damp，即T_damp＝K_dc·Δω_Δ。

步骤A2)将附加轴系阻尼控制器输出T_damp限幅后叠加在双馈感应风电机组网侧变换器直流母线电压控制环节，是指以直流母线电压以及附加轴系阻尼控制器输出T_damp之和作为直流母线电压给定值叠加在双馈感应风电机组网侧变换器直流母线电压控制环节上，其中电压环以PI作为调节器，输出为网侧变换器网侧电流d轴分量给定

双馈风电机组两质量块轴系固有扭振频率ω_osc按下式确定：

式中，ω_osc为双馈风电机组两质量块轴系固有扭振频率；ω_b为系统基准角速度；K_m为机组等效刚度；H_t和H_g分别为风轮和发电机惯性时间常数。

步骤A2.3)中，超前/滞后校正时间常数T_dc1和T_dc2根据下式确定：

式中，m为相位补偿环节；为相位补偿角。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明从DFIG电磁转矩T_e产生的角度出发，利用直流母线电压V_dc与DFIG电磁转矩T_e及系统有功功率P_g之间的耦合关系，通过对网侧变换器直流电压控制环节附加轴系扭振抑制策略，以实现对DFIG风电系统轴系扭振的抑制，从而提高系统轴系动态稳定性。

附图说明

图1—含轴系阻尼控制环节的传递函数关系图。

图2—含轴系阻尼控制环节的网侧变换器直流母线电压-电流环控制框图。

图3—风速为6m/s时采用本发明所提控制策略前后轴系扭振仿真波形图。

图4—风速为8m/s时采用本发明所提控制策略前后轴系扭振仿真波形图。

图5—风速为10m/s时采用本发明所提控制策略前后轴系扭振仿真波形图。

图6—风速为12m/s时采用本发明所提控制策略前后轴系扭振仿真波形图。

图7—风速为14m/s时采用本发明所提控制策略前后轴系扭振仿真波形图。

图8—风速为16m/s时采用本发明所提控制策略前后轴系扭振仿真波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方案作详细描述。

如图1所示，附加轴系阻尼控制环节的传递函数为K_dc(s)，DFIG电磁转矩增量ΔT_e与直流母线电压增量ΔV_dc间的传递函数为G_dc(s)，则DFIG电磁转矩增量ΔT_e与角速度差增量Δω_Δ的传递关系频域表达式为：

ΔT_e(jω)＝R(jω)·Δω_Δ-K_dc(jω)·G_dc(jω)·Δω_Δ

设轴系振荡频率ω_osc对应的R(s)相位角为α_osc、-G_dc(s)的相位角为θ_d'_{c_osc}、K_dc(s)的相位角为则总电气阻尼转矩系数D_edc可表示为：

式中，D_edc0为由传递函数R(s)确定的与系统固有属性有关的电气阻尼转矩系数，而D_{edc_damp}则为由传递函数K_dc(s)·G_dc(s)确定的系统新增电气阻尼转矩系数。

某一稳定运行点下，DFIG电磁转矩增量ΔT_e与直流母线电压增量ΔV_dc间的传递关系G_dc(s)为确定表达式，其幅值和相角特性无法改变。然而，通过合理设置轴系阻尼控制环节K_dc(s)的参数，可以改变传递函数K_dc(s)·G_dc(s)的特性，使得由该项传递函数决定的新增电气阻尼转矩系数D_{edc_damp}为负，由此可增大轴系振荡阻尼，提高轴系动态稳定性。结合图2，本发明的具体实施步骤如下：

A1)通过安装在风轮轴系尾部和发电机轴系尾部的传感器产生转速脉冲，通过对传感器转速脉冲信号进行解调，获得风轮与发电机电角速度的瞬时扭转角速度差Δω；

A2)将步骤A1)获得的扭转角速度差Δω输入附加轴系阻尼控制器中，并将控制器输出T_damp限幅后叠加在双馈感应风力发电机组网侧变换器直流电压控制环节。具体地，本方法采用直流电压控制环，以直流母线电压以及附加轴系阻尼控制器输出T_damp之和作为直流母线电压给定值，电压环以PI作为调节器，输出为网侧变换器网侧电流d轴分量给定

其中，本发明所述的附加阻尼控制器具体实施步骤如下：

A2.1)将双馈感应风电机组轴系系统等效为两质量模型，在此基础上，建立机组电磁转矩增量ΔT_e与直流母线电压增量ΔV_dc之间的传递函数模型；

A2.2)根据传递函数确定其轴系扭振频率ω_osc附近幅值及相位特性；

A2.3)根据步骤A2.2)所确定的幅值及相位特性，配置附加阻尼控制器相位补偿、隔直及增益三项环节参数，其中，附加阻尼控制器传递函数如下所示：

式中，K_dcc为相位补偿项；T_dc1和T_dc2分别为其超前/滞后校正时间常数；K_dci为隔直项；T_dcw为隔直环节时间常数(通常为1～20s)；K_dcd为阻尼控制器增益。

A2.4)将附加阻尼控制器输出T_damp限幅后叠加在风力机正常运行控制中的直流母线电压控制环节上，即：

T_damp＝K_dc·Δω_Δ

此时，双馈感应风电机组两质量块传动链模型的固有轴系扭振频率ω_osc可按下式确定：

而附加阻尼补偿环节中超前/滞后校正时间常数T_dc1和T_dc2可由下式确定：

式中，m为相位补偿环节；为相位补偿角。

图3-图8分别显示了不同运行工况下采用本发明所提出的的控制策略前后轴系扭振模态对应的阻尼比及系统仿真波形图。通过图3-图8可知：当DFIG风电系统运行初始风速从6m/s逐渐增加到16m/s时，系统发生三相对称短路故障后，通过采用本发明提出的轴系扭振抑方法，DFIG风电系统轴系扭振模态所对应的阻尼比ξ分别从0.0248、0.0262、0.0280、0.0097、0.0099以及0.0098增加到0.0270、0.0276、0.0297、0.0153、0.0133以及0.0145，双馈风电机组轴系振荡阻尼得到提升，风力机转速ω_t、DFIG转子转速ω_g及二者间扭转角θ动态过渡时间有所降低，同时，系统并网有功功率P_g的振荡特性得到改善，由此可见本方法取得了预期的效果。

本发明以直流母线电压的稳定为前提，利用直流母线电压增量与双馈感应风电机组电磁转矩增量间的耦合关系，通过对网侧变换器直流母线电压控制环引入以扭振角速度差为输入量的轴系阻尼控制环节，通过合理设置该阻尼控制环节中的各个参数，提高双馈感应风电机组轴系振荡模态所对应的电阻尼系数，从而提高轴系动态稳定性，有效抑制轴系扭振幅度，延长机组使用寿命。

最后需要说明的是，本发明的上述实例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims

1.一种基于直流母线电压控制的双馈感应风电机组轴系扭振抑制方法，其特征在于，包括下述步骤：

其中附加轴系阻尼控制器输出T_damp按如下步骤确定：

式中，K_dcc为相位补偿项；T_dc1和T_dc2分别为其超前/滞后校正时间常数；K_dci为隔直项；T_dcw为隔直环节时间常数；K_dcd为阻尼控制器增益；

2.根据权利要求1所述的基于直流母线电压控制的双馈感应风电机组轴系扭振抑制方法，其特征在于，步骤A2)将附加轴系阻尼控制器输出T_damp限幅后叠加在双馈感应风电机组网侧变换器直流母线电压控制环节，是指以直流母线电压以及附加轴系阻尼控制器输出T_damp之和作为直流母线电压给定值叠加在双馈感应风电机组网侧变换器直流母线电压控制环节上，其中电压环以PI作为调节器，输出为网侧变换器网侧电流d轴分量给定

3.根据权利要求1所述的基于直流母线电压控制的双馈感应风电机组轴系扭振抑制方法，其特征在于，双馈风电机组两质量块轴系固有扭振频率ω_osc按下式确定：

4.根据权利要求1所述的基于直流母线电压控制的双馈感应风电机组轴系扭振抑制方法，其特征在于，步骤A2.3)中，超前/滞后校正时间常数T_dc1和T_dc2根据下式确定：

T_dc2＝α_cT_dc1

式中，m为相位补偿环节；为相位补偿角。