CN107437911B - 抑制双馈风力发电机系统共振的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制双馈风力发电机系统共振的方法及装置，该方法包括根据双馈风力发电机的转速判断发电机的定子与转子的电磁振动与发电机的机械振动是否发生共振；当发电机的定子与转子的电磁振动与发电机的机械振动发生共振时，生成一个与共振时的谐振频率对应的转矩信号；控制发电机自身产生一个与所述转矩信号相对应的电磁振动以抵消发电机的机械振动。该方法在不需要增加任何硬件以及发电机的吊装工作量的同时，能够有效地消除发电机的振动，解决了双馈发电机系统机械振动与定、转子铁芯的电磁共振问题，极大地节约了人力与物力成本。

Description

抑制双馈风力发电机系统共振的方法及装置

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，尤其涉及一种抑制双馈风力发电机系统共振的方法及装置。

背景技术

风力发电作为一种不污染、利用可再生资源的环保型发电方式，成为最具发展潜力的可再生能源技术之一。已成为世界各国竞相发展的热点和重点，市场前景广阔。随着风电力发电机组数量的增多以及容量的增加，风机质量问题越来越突出，作为风机关键部件的发电机，其可靠性更加受到广大风电业主、相关技术研发人员重视，其中，风力发电机的振动成为影响其可靠性的重要因素。

风力发电机的振动包括机械振动与电磁力振动。一方面，由于大部分双馈风力发电机主要安装在高空风机机舱罩里的弹性支撑平台上，因此容易产生较大的机械振动。另一方面，由于发电机定子、转子磁场的相互作用而引发的周期性的电磁力，也会反应在发电机活动部件的剧烈振动上。如果定子、转子机械本身的固有频率与定子、转子铁芯的电磁力振动频率相接近，还容易发生共振。共振会降低发电机效率、加速轴承磨损，使发电机的固定元件发生松动等，产生安全隐患，致使风机停机脱网，影响风电厂的生产效率与经济效益，更有可能造成安全事故。

目前，已经分别针对风力发电机的机械振动与电磁力振动提出了一些解决方案，但缺少涉及双馈风力发电机系统发生共振时的应对方法。在实践中，一旦风机吊装完成测试时发现发电机存在共振问题，则一般在发电机本体上解决该问题，即把发电机吊装下，修完后再吊装上去，由此而耗费大量的人力和物力。

综上，亟需一种针对双馈风力发电机系统的机械振动与电磁力振动的共振的处理方法以解决上述问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一是需要提供一种针对双馈风力发电机系统的机械振动与电磁力振动的共振的处理方法。

为了解决上述技术问题，本申请的实施例首先提供了一种抑制双馈风力发电机系统共振的方法，包括根据双馈风力发电机的转速判断发电机的定子与转子的电磁振动与发电机的机械振动是否发生共振；当发电机的定子与转子的电磁振动与发电机的机械振动发生共振时，生成一个与共振时的谐振频率对应的转矩信号；控制发电机自身产生一个与所述转矩信号相对应的电磁振动以抵消发电机的机械振动。

优选地，根据双馈风力发电机的转速判断发电机的定子与转子的电磁振动与发电机的机械振动是否发生共振，包括：断开双馈风力发电机系统与电网的连接；控制双馈风力发电机系统的变浆角度，使发电机转子的转速稳定在设定的转速值；调节发电机转子的励磁电流频率的同时检测转子的转速，从所述转速中提取表征发电机机械振动的信号；根据所述信号判断发电机的定子与转子的电磁振动与发电机的机械振动是否发生共振。

优选地，表征发电机机械振动的信号包括1倍电网电压频率的谐波分量信号。

优选地，从所述转速中提取表征发电机机械振动的信号，包括：利用陷波器滤除所述转速中1倍电网电压频率的谐波分量信号得到其他谐波分量信号；以所述转速减去所述其他谐波分量信号得到表征发电机机械振动的信号。

优选地，根据所述信号判断发电机的定子与转子的电磁振动与发电机的机械振动是否发生共振，包括：当所述表征发电机机械振动的信号的峰值大于等于设定的界限值时，则判断发电机的定子与转子的电磁振动与发电机的机械振动发生共振；当所述表征发电机机械振动的信号的峰值小于设定的界限值时，重复调节转子的励磁电流频率以及基于转子的转速判断发电机的定子与转子的电磁振动与发电机的机械振动是否发生共振。

优选地，根据如下表达式生成与共振时的谐振频率对应的转矩信号：

其中，ω_σ为谐振角频率，ω_σ＝2πf_σ，f_σ为谐振频率，P为发电机的有功功率。

优选地，控制发电机自身产生一个与所述转矩信号相对应的电磁振动以抵消发电机的机械振动，包括：根据发电机的最优功率曲线获取与所述转矩信号对应的谐振电流指令；将所述谐振电流指令的相位取反后叠加到控制发电机输出转矩的驱动电流指令上；采用比例谐振调节器跟踪所述驱动电流指令来使发电机自身产生一个与所述转矩信号相位相反、幅值相等的输出信号。

优选地，比例谐振调节器的表达式如下所示：

其中，K_p为传统的PI调节器的比例系数，K_i为传统的PI调节器的积分系数；K_r1和K_r2均为谐振环节的系数；ω_σ为谐振角频率。

优选地，采用变流器调节转子的励磁电流频率。

本申请的实施例还提供了一种抑制双馈风力发电机系统共振的装置，包括：状态判断模块，其根据双馈风力发电机的转速判断发电机的定子与转子的电磁振动与发电机的机械振动是否发生共振；转矩生成模块，其当发电机的定子与转子的电磁振动与发电机的机械振动发生共振时，生成一个与共振时的谐振频率对应的转矩信号；跟踪输出模块，其控制发电机自身产生一个与所述转矩信号相对应的电磁振动以抵消发电机的机械振动。

与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：

利用发电机转速信号控制发电机自身产生一个与定子铁芯机械振动相位相反，幅值大小一致的电磁振动来抵消机械振动，在不需要增加任何硬件以及发电机的吊装工作量的同时，能够有效地消除发电机的振动，解决了双馈发电机系统机械振动与定、转子铁芯的电磁共振问题，大大节约了人力与物力成本。

本发明的其他优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本申请的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。其中，表达本申请实施例的附图与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，但并不构成对本申请技术方案的限制。

图1为根据本发明一实施例的抑制双馈风力发电机系统共振的方法的流程示意图；

图2为双馈风力发电机的原理示意图；

图3为根据本发明一实施例的使发电机自身产生一个用于抵消机械振动的电磁振动的方法的流程示意图；

图4为根据本发明一实施例的抑制双馈风力发电机系统共振的方法的原理框图；

图5a-图5d为根据本发明一示例的仿真试验示意图；

图6为根据本发明另一实施例的抑制双馈风力发电机系统共振的装置的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本申请实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

引起风力发电机产生振动的原因包括机械振动与电磁力振动。如果定子、转子机械本身固有的机械振动频率与定子、转子铁芯的电磁力振动频率接近，就有可能发生电磁共振。

由于双馈风力发电机直接连接电网，而发电机的定子必须向电网输送频率在50Hz附近的电能，同时发电机的转子的电能频率也固定为定子频率的1/s，s为发电机的转差率，所以发电机的定子、转子铁芯的电磁振动频率基本固定。即定子铁芯的电磁振动频率只能在50Hz附近，转子铁芯的电磁振动频率一般为0～15Hz。而由于发电机的编码器固定在发电机转轴上，因此定子铁芯的电磁振动频率会叠加到发电机转子的转速信号上。

本发明的实施例中提出一种从发电机的转速信号中获取表征共振的信息来抑制双馈风力发电机系统共振的方法，如图1所示，该方法包括：

步骤S110、根据双馈风力发电机的转速判断发电机的定子与转子的电磁振动与发电机的机械振动是否发生共振。

步骤S120、当发电机的定子与转子的电磁振动与发电机的机械振动发生共振时，生成一个与共振时的谐振频率对应的转矩信号。

步骤S130、控制发电机自身产生一个与该转矩信号相对应的电磁振动以抵消发电机的机械振动。

具体的，在步骤S110中，首先断开双馈风力发电机系统与电网的连接，即使发电机退出并网发电的状态。然后，利用风电机组的控制系统控制双馈风力发电机的变浆角度，使发电机转子的转速稳定在设定的转速值上。接下来，调节发电机转子的励磁电流频率的同时检测发电机转子的转速，从转速信号中提取表征发电机机械振动的信号。

需要注意的是，设定的转速值一般为低发电机的同步转速，可以根据发电机的极对数进行选取。举例而言，若极对数为3，则设定的转速值的范围为700-900r/min，若极对数为2，则设定的转速值的范围为1200-1400r/min。

一边采用设置于转子侧的变流器调节转子的励磁电流频率，一边检测转子的转速，并从转子的转速中提取1倍电网电压频率的谐波分量信号以表征电磁力作用下的发电机的机械振动。

具体的，利用陷波器滤除该转速中的1倍电网电压频率的谐波分量信号，得到其他谐波分量信号后，再以该转速信号减去其他谐波分量信号得到表征发电机机械振动的信号。在本发明的一个实施例中，所采用的陷波器的传递函数如表达式(1)所示：

式中，ω₀为陷波器的角频率，Q为品质因数。当ω₀＝50Hz，Q＝0.707时，可滤除转速信号中50Hz的谐波分量信号。

根据提取得到的谐波分量信号判断发电机的定子与转子的电磁振动与发电机的机械振动是否发生共振。具体包括，如果发电机的定子与转子的电磁振动与发电机的机械振动发生了共振，则将引起发电机的剧烈的振动，因此表征发电机机械振动的信号的峰值将变大，所以，当表征发电机机械振动的信号的峰值大于等于设定的界限值时，则判断发电机的定子与转子的电磁振动与发电机的机械振动发生共振。其中，设定的界限值一般根据未发生共振时的表征发电机机械振动的信号的幅值来确定，例如可以将5倍于未发生共振时的表征发电机机械振动的信号的幅值确定为设定的界限值。

当表征发电机机械振动的信号的峰值小于设定的界限值时，说明此时发电机的定子与转子的电磁振动与发电机的机械振动未发生共振，则重复调节转子的励磁电流频率以及基于转子的转速信号判断发电机的定子与转子的电磁振动与发电机的机械振动是否发生共振的过程，直至系统发生电磁共振。

在判断发电机的定子与转子的电磁振动与发电机的机械振动发生共振后，根据转子的转速、转子的励磁电流频率以及定子输出的电压的频率的关系模型确定谐振的频率，即双馈风力发电机系统的固有振动频率。

具体的，建立转子的转速、转子的励磁电流频率以及定子输出的电压的频率的关系模型。然后根据得到的关系模型确定发生共振时定子输出的电压的频率，该定子输出的电压的频率即为双馈风力发电机系统的固有振动频率。

图2为双馈风力发电机的原理示意图，如图所示，f₁和f₂分别表示双馈风力发电机的定子输出的电压的频率以及转子的励磁电流频率。n₁为定子磁场的转速，即同步转速。n₂为转子磁场相对于转子的转速，n_r为双馈风力发电机转子的转速，p发电机的极对数。

当双馈风力发电机稳定运行时，其定子、转子的旋转磁场相对静止，即n₁、n₂和n_r具有如表达式(2)所示的关系：

n₁＝n₂+n_r (2)

且由于f₁＝n₁p/60，f₂＝n₂p/60，则有：

从表达式(3)可知，当发电机转子的转速n_r不变化时，通过调节转子的励磁电流频率f₂能够改变定子输出的电压频率f₁，即在本发明的实施例中通过调节转子的励磁电流频率获取不同的定子铁芯的输出的电压频率，进而使得电机的定子与转子的电磁振动与发电机的机械振动发生共振是可行的。

当发电机的定子与转子的电磁振动与发电机的机械振动发生共振时，根据表达式(3)可以计算得到谐振频率f_σ＝n_rp/60+f₂′，其中f_σ为发电机的定子与转子的电磁振动与发电机的机械振动发生共振时的谐振频率，f₂′为发生共振时的转子的励磁电流频率。进一步根据ω_σ＝2πf_σ计算得到谐振角频率。

在步骤S120中，根据表达式(4)生成与共振时的谐振频率(谐振角频率)对应的转矩信号：

式中，ω_σ为谐振角频率，P为发电机的有功功率。

在步骤S130中，控制发电机自身产生一个与上述转矩信号相对应的电磁振动以抵消发电机的机械振动，具体包括，如图3所示：

步骤S310、根据发电机的最优功率曲线获取与转矩信号对应的谐振电流指令。

步骤S320、将谐振电流指令的相位取反后叠加到控制发电机输出转矩的驱动电流指令上。

步骤S330、采用比例谐振调节器跟踪驱动电流指令来使发电机自身产生一个与上述转矩信号相位相反、幅值相等的输出信号。

下面结合图4的原理框图详细说明上述各步骤。

如图4所示，变流器检测电网三相电压u_labc，u_labc经过静止坐标系到同步坐标系的变换，得到网压的d轴、q轴分量u_ld，u_lq，网压u_lq分量以及u_{d_ref}＝0经过锁相环后，得电网角频率ω₁，电网相位角θ₁。ω_r为发电机转子的角频率。θ_r为转子位置角。θ₁与θ_r用于其他分支中静止坐标系到同步坐标系变换时的输入量。

转子变流器检测三相输出电流i_rabc，经过静止坐标系到同步坐标系的变换，得到转子电流的q轴、d轴分量，i_rq，i_rd。i_rq，i_rd为其他分支提供反馈的转子电流的d、q轴分量。

利用变流器和陷波器，一边调节转子的励磁电流频率，一边检测转子的转速，并根据提取的1倍电网电压频率的谐波分量信号判断发电机是否发生共振，进而确定发生共振时的谐振角频率ω_σ，利用表达式(4)计算出与共振时的谐振频率对应的转矩信号T，然后查发电机最优功率曲线得相应的谐振电流指令i_{iq_σ}，把该谐振电流指令的相位取反后叠加到转矩电流指令上。为转子指令电压的d、q轴分量，为无功功率指令值。利用比例谐振器PIR跟踪叠加后的驱动电流指令。

因为传统的PI调节器只能输出直流量，对于交流量无法实时跟踪，无法对负序电压引起的交流扰动量实现无误差调节，因此为了实现无误差调节，在本发明的实施例中构造比例谐振调节器使实际值完全跟踪转矩指令值，从而产生一个与机械振动相位相反，幅值大小一致的电磁振动来抵消发电机本身的机械振动。

本发明实施例中的比例谐振调节器如表达式(5)所示：

式中，K_p为传统的PI调节器的比例系数；K_i为传统的PI调节器的积分系数；K_r1和K_r2均为谐振环节的系数；ω_σ为谐振角频率。

上式中，各系数可根据发电机的参数、变流器机侧的滤波电抗器等部件的参数进行调整。在本发明的一个实施例中，K_p和K_i分别取1和0.01.K_r1和K_r2均取0.002。

需要注意的是，双馈风力发电机系统发生共振时的谐振频率f_σ(ω_σ＝2πf_σ)一般处于如下范围内，定子是正负45Hz之间，转子是正负15Hz之间。只有根据表达式(3)确定得到的谐振频率位于上述范围内时才需要关心，才会采用如表达式(5)所示的比例谐振调节器进行调节，如果不在上述范围内，则忽略该谐振频率，不做任何处理。

本发明实施例的方法利用发电机转速信号控制发电机自身产生一个与定子铁芯机械振动相位相反，幅值大小一致的电磁振动来抵消机械振动，不需要增加任何硬件以及发电机的吊装工作量，大大节约了人力与物力成本。

本发明实施例的方法能够有效消除发电机振动，解决了双馈发电机机械振动与定、转子铁芯的电磁共振问题，能够有效避免双馈发电机组带病工作损坏系统的其它部件，以及减少风电机组脱网的时间并提高风资源利用率。

本发明实施例的方法控制算法简单、可靠、稳定性高。降低成本的同时也有效地提高了风电机组的使用寿命。

以下通过仿真试验验证了该方法的有效性，

如图5所示，在图5a和图5b中，横轴为时间，单位为s，纵轴为转速，单位为r/min。其中，图5a为没有加入本发明实施例的算法的发电机的转速，图5b为加入了本发明实施例的算法的发电机的转速，可以看出，采用了本发明实施例的算法后，发电机系统的振动明显降低，运行更加稳定。

在图5c和图5d中，横轴为时间，单位为s，纵轴为有功功率，单位为kw。其中，图5c为没有加入本发明实施例的算法的发电机的有功功率，图5d为加入了本发明实施例的算法的发电机的有功功率，可以看出，采用了本发明实施例的算法后，发电机系统的功效稳定，效率得到提高。

在本发明的另一实施例中还提出一种抑制双馈风力发电机系统共振的装置，如图6所示，该装置包括：

状态判断模块61执行前述实施例中步骤S110的操作，转矩生成模块62执行前述实施例中步骤S120的操作，跟踪输出模块63执行前述实施例中步骤S130的操作，此处不再赘述。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种抑制双馈风力发电机系统共振的方法，包括：

根据双馈风力发电机的转速判断发电机的定子与转子的电磁振动与发电机的机械振动是否发生共振；

当发电机的定子与转子的电磁振动与发电机的机械振动发生共振时，生成一个与共振时的谐振频率对应的转矩信号；

控制发电机自身产生一个与所述转矩信号相对应的电磁振动以抵消发电机的机械振动；

其中，所述根据双馈风力发电机的转速判断发电机的定子与转子的电磁振动与发电机的机械振动是否发生共振，包括：

断开双馈风力发电机系统与电网的连接；

控制双馈风力发电机系统的变浆角度，使发电机转子的转速稳定在设定的转速值；

调节发电机转子的励磁电流频率的同时检测转子的转速，从所述转速中提取表征发电机机械振动的信号；

根据所述信号判断发电机的定子与转子的电磁振动与发电机的机械振动是否发生共振。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述表征发电机机械振动的信号包括1倍电网电压频率的谐波分量信号。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述从所述转速中提取表征发电机机械振动的信号，包括：

利用陷波器滤除所述转速中1倍电网电压频率的谐波分量信号得到其他谐波分量信号；

以所述转速减去所述其他谐波分量信号得到表征发电机机械振动的信号。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据所述信号判断发电机的定子与转子的电磁振动与发电机的机械振动是否发生共振，包括：

当所述表征发电机机械振动的信号的峰值大于等于设定的界限值时，则判断发电机的定子与转子的电磁振动与发电机的机械振动发生共振；

当所述表征发电机机械振动的信号的峰值小于设定的界限值时，重复调节转子的励磁电流频率以及基于转子的转速判断发电机的定子与转子的电磁振动与发电机的机械振动是否发生共振。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据如下表达式生成与共振时的谐振频率对应的转矩信号：

其中，ω_σ为谐振角频率，ω_σ＝2πf_σ，f_σ为谐振频率，P为发电机的有功功率。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述控制发电机自身产生一个与所述转矩信号相对应的电磁振动以抵消发电机的机械振动，包括：

根据发电机的最优功率曲线获取与所述转矩信号对应的谐振电流指令；

将所述谐振电流指令的相位取反后叠加到控制发电机输出转矩的驱动电流指令上；

采用比例谐振调节器跟踪所述驱动电流指令来使发电机自身产生一个与所述转矩信号相位相反、幅值相等的输出信号。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述比例谐振调节器的表达式如下所示：

其中，K_p为传统的PI调节器的比例系数，K_i为传统的PI调节器的积分系数；K_r1和K_r2均为谐振环节的系数；ω_σ为谐振角频率。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用变流器调节转子的励磁电流频率。

9.一种抑制双馈风力发电机系统共振的装置，包括：

状态判断模块，其根据双馈风力发电机的转速判断发电机的定子与转子的电磁振动与发电机的机械振动是否发生共振，包括：

断开双馈风力发电机系统与电网的连接；

控制双馈风力发电机系统的变浆角度，使发电机转子的转速稳定在设定的转速值；

调节发电机转子的励磁电流频率的同时检测转子的转速，从所述转速中提取表征发电机机械振动的信号；

根据所述信号判断发电机的定子与转子的电磁振动与发电机的机械振动是否发生共振；

转矩生成模块，其当发电机的定子与转子的电磁振动与发电机的机械振动发生共振时，生成一个与共振时的谐振频率对应的转矩信号；

跟踪输出模块，其控制发电机自身产生一个与所述转矩信号相对应的电磁振动以抵消发电机的机械振动。