CN108808733A - 一种消除鼠笼型风力发电机电磁转矩过冲现象的控制方法 - Google Patents

一种消除鼠笼型风力发电机电磁转矩过冲现象的控制方法 Download PDF

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Abstract

一种消除鼠笼型风力发电机电磁转矩过冲现象的控制方法，所述方法是通过对鼠笼型风力发电机的无功补偿装置中电压控制回路的电压进行控制的电磁转矩自动调整控制方法，所述方法包括：通过安装在鼠笼型风力发电机转子上的电流互感器测量得到转子电流计算电磁转矩；对电磁转矩进行线性外推，计算出电磁转矩的平均变化率，通过电磁转矩控制值，计算无功补偿装置电压控制回路的电压控制值，进一步计算无功补偿装置中晶闸管导通角，通过控制晶闸管的导通消除鼠笼型风力发电机故障恢复期间的电磁转矩过冲现象。通过基于线性预测改进的电磁转矩自动调整控制方法，消除故障恢复过程中鼠笼型风力发电机的电磁转矩过冲现象。

Description

一种消除鼠笼型风力发电机电磁转矩过冲现象的控制方法
技术领域
本发明属于风力发电机组控制技术领域，涉及一种带有无功补偿装置(STATCOM)的鼠笼型风力发电机在故障恢复过程中消除电磁转矩过冲现象的控制方法，具体涉及一种消除鼠笼型风力发电机电磁转矩过冲现象的控制方法。
背景技术
现在关于(双馈、永磁)变速型风力发电机的电磁转矩控制的研究已经很多。但是，现在有关定速型的鼠笼型风力发电机的电磁转矩控制的研究还很少。已经安装的风电场中风力发电机大部分是鼠笼型风力发电机。因此，有必要研究鼠笼型风力发电机的电磁转矩控制方法，从而减少当电磁转矩突然增大时传动系统中机械部分所受的冲击力。鼠笼型风力发电机直接连接到电网，中间不经过任何变流器，因此，容易受到电网的影响。当电网发生故障时，电网的电压和频率都会影响到鼠笼型风力发电机的电磁转矩。而且，由于鼠笼型风力发电机的电磁转矩是转子电流的函数，而转子电流与端电压成正比，所以当电网发生故障时，由于机端电压波动，鼠笼型风力发电机中的电磁转矩也将发生较大的波动，甚至产生电磁转矩过冲现象。
此外，受瞬间电磁转矩突变的影响，变速箱等传动系统的敏感部件将受到非常大的机械冲击力。产生的变速箱的扭矩过载将对传动齿轮造成损害，导致变速箱的寿命下降。特别是当故障发生时，鼠笼型风力发电机的电磁转矩增加超过额定值时，将损坏齿轮箱。而损伤的程度取决于电磁转矩超过额定值的多少以及过载持续时间长短。在鼠笼型风力发电机机端安装无功补偿装置(STATCOM)可有效地补偿机端电压的跌落，使电磁转矩的变化过程更加平稳，这样也会显著降低变速箱的疲劳，从而延长其使用寿命。因此，很多鼠笼型风力发电机已经在机端安装了STATCOM，从而实现电磁转矩的控制。
现在安装STATCOM的鼠笼型风力发电机常见控制控制方法，是在故障期间注入最大无功电流。虽然这样增加了暂态稳定裕度和低电压穿越能力，但也产生了较大的电磁转矩，甚至可能导致电磁转矩过冲现象。
发明内容
为解决上述问题，提供一种消除鼠笼型发电机电磁转矩过冲现象的控制方法，针对带有无功补偿装置的鼠笼型风力发电机在故障过程中消除电磁转矩过冲现象的控制方法。
本发明的目的是以下述方式实现的：
一种消除鼠笼型风力发电机电磁转矩过冲现象的控制方法，所述方法是通过对鼠笼型风力发电机的无功补偿装置中电压控制回路的电压进行控制的电磁转矩自动调整控制方法，所述方法包括：
步骤1：通过安装在鼠笼型风力发电机转子上的电流互感器测量得到转子电流Id计算电磁转矩τem；
步骤2：对电磁转矩τem进行线性外推，计算出电磁转矩的平均变化率r，基于线性外推计算出下一时间间隔的电磁转矩值τem(t0+Tpred)；假设当前时间为t0，Tpred为电磁转矩的测量时间间隔；
步骤3：将系统的额定电磁转矩值作为整定值，将下一时间间隔的电磁转矩与整定值最大、最小限幅比较，将电磁转矩限定在最大、最小限幅范围内，输出电磁转矩控制值τC；
步骤4：通过电磁转矩控制值τC，计算无功补偿装置电压控制回路的电压控制值，进一步计算无功补偿装置中晶闸管导通角，通过控制晶闸管的导通消除鼠笼型风力发电机故障恢复期间的电磁转矩过冲现象。
所述步骤1的具体步骤为：通过安装在鼠笼型风力发电机转子上的电流互感器测量得到转子电流Id，由τem＝Cm×Id计算得到电磁转矩τem，其中Cm为鼠笼型风力发电机的转矩系数；
所述步骤2的具体步骤为：根据电磁转矩τem以及τem的变化趋势对电磁转矩τem进行线性外推，计算出电磁转矩的平均变化率r，假设当前时间为t0，则平均变化率r的计算公式为其中，τem(t0)为t0时刻的电磁转矩，τem(t0-Tpred)为上一测量时间间隔测量到的电磁转矩，Tpred为电磁转矩的测量时间间隔；
根据计算出的电磁转矩的平均变化率r和当前时刻的电磁转矩基于线性外推计算出下一时间间隔的电磁转矩值τem(t0+Tpred)，τem(t0+Tpred)＝τem(t0)+rTpred。
所述步骤3的具体步骤为：
将计算出的下一时间间隔的电磁转矩作为下一时间间隔的电磁转矩的实时值，对发电机故障恢复中的电磁转矩进行提前控制，增加系统中对电磁转矩控制的灵敏度并减少响应时间，并将系统的额定电磁转矩值作为整定值，并将整定值的1.2倍和0.8倍的额定转矩设置为电磁转矩的最大、最小限幅，将计算出的下一个时间间隔的实时电磁转矩与整定值的最大最小限幅进行比较，对电磁转矩控制将其限定在最大、最小限幅范围内，将控制之后的电磁转矩控制值τC计算得出，其中m是用来修正实时测量电磁转矩的比例因数，τem(t0+Tpred)是基于线性外推计算出的下一时间间隔的电磁转矩值；如果τem(t0+Tpred)大于最大限幅τmax时，即下一时间间隔的电磁转矩值大于最大限幅时，将一直对下一时间间隔的电磁转矩值τem(t0+Tpred)经过乘以N次(1-m)系数直至其限制在最大限幅之内，才把电磁转矩值控制值τC输出；如果τem(t0+Tpred)小于最小限幅τmin时，会一直对下一时间间隔的电磁转矩值τem(t0+Tpred)经过乘以N次(1+m)系数直至其限制在大于最小限幅之内，才把电磁转矩值控制值τC输出；如果τem(t0+Tpred)大于最小限幅τmin且小于最大限幅τmax时，输出电磁转矩值控制值τC等于下一时间间隔的电磁转矩值τem(t0+Tpred)。
所述步骤4的具体步骤为：
计算得到电磁转矩值控制值τC之后，进一步通过电磁转矩与电压的关系式计算无功补偿装置电压控制回路的电压控制值Vdef；其中τC为电磁转矩值控制值，α为电机结构常数，s为转差率，R、X为鼠笼型风力发电机电阻、漏抗；
通过电压控制值Vdef计算无功补偿装置中晶闸管的导通角θ，其中Vm为晶闸管额定电压；m是导通电压脉波数，m的值取晶闸管控制系统的开关频率；
通过控制晶闸管的导通使无功补偿装置的输出电压等于电压控制值Vdef；此时电磁转矩限定在最大、最小限幅值范围内，消除了鼠笼型风力发电机故障恢复期间的电磁转矩过冲现象。
本发明的有益效果：通过对鼠笼型风力发电机机端的无功补偿装置增加一个控制环节，通过基于线性预测改进的电磁转矩自动调整控制方法，消除故障恢复过程中鼠笼型风力发电机的电磁转矩过冲现象。
附图说明
图1为本发明所提供的消除鼠笼型发电机电磁转矩过冲现象控制方法的流程示意图。
图2为本发明的电磁转矩控制方法运用于无功补偿装置电压控制回路原理图；
图3为鼠笼型风力发电机的转速图；
图4为鼠笼型风力发电机的电磁转矩τem变化图；
具体实施方式
一种消除鼠笼型风力发电机电磁转矩过冲现象的控制方法，所述方法是通过对鼠笼型风力发电机的无功补偿装置电压控制回路的电压进行控制的电磁转矩自动调整控制方法，所述方法包括：
通过安装在鼠笼型风力发电机转子上的电流互感器测量得到转子电流Id，由τem＝Cm×Id计算得到电磁转矩τem，其中Cm为鼠笼型风力发电机的转矩系数；
根据电磁转矩τem以及τem的变化趋势对电磁转矩τem进行线性外推，计算出电磁转矩的平均变化率r，假设当前时间为t0，则平均变化率r的计算公式为其中，τem(t0)为t0时刻的电磁转矩值，τem(t0-Tpred)为上一测量时间间隔测量到的电磁转矩的测量值，Tpred为电磁转矩的测量时间间隔；
根据计算出的电磁转矩的平均变化率r和当前时刻的电磁转矩基于线性外推计算出下一时间间隔的电磁转矩值τem(t0+Tpred)，τem(t0+Tpred)＝τem(t0)+rTpred；
将计算出的下一时间间隔的电磁转矩作为下一时间间隔的电磁转矩的实时值，对发电机故障恢复中的电磁转矩进行提前控制，增加系统中对电磁转矩控制的灵敏度并减少响应时间，并将系统的额定电磁转矩值作为整定值，并将整定值的1.2倍和0.8倍的额定转矩设置为电磁转矩的最大、最小限幅，将计算出的下一个时间间隔的实时电磁转矩与整定值的最大最小限幅进行比较，对电磁转矩控制将其限定在最大、最小限幅范围内，将控制之后的电磁转矩控制值τC计算得出，其中m是用来修正实时测量电磁转矩的比例因数，τem(t0+Tpred)是基于线性外推计算出的下一时间间隔的电磁转矩值；如果τem(t0+Tpred)大于最大限幅τmax时，即下一时间间隔的电磁转矩值大于最大限幅时，将一直对下一时间间隔的电磁转矩值τem(t0+Tpred)经过乘以N次(1-m)系数直至其限制在最大限幅之内，才把电磁转矩值控制值τC输出；如果τem(t0+Tpred)小于最小限幅τmin时，一直对下一时间间隔的电磁转矩值τem(t0+Tpred)经过乘以N次(1+m)系数直至其限制在大于最小限幅之内，才把电磁转矩值控制值τC输出；如果τem(t0+Tpred)大于最小限幅τmin且小于最大限幅τmax时，输出电磁转矩值控制值τC等于下一时间间隔的电磁转矩值τem(t0+Tpred)；
计算得到电磁转矩值控制值τC之后，进一步通过电磁转矩与电压的关系式计算无功补偿装置电压控制回路的电压控制值Vdef；其中τC为电磁转矩值控制值，α为电机结构常数，s为转差率，R、X为鼠笼型风力发电机电阻、漏抗；
通过电压控制值Vdef计算无功补偿装置中晶闸管的导通角θ，其中Vm为晶闸管额定电压；m是导通电压脉波数，m的值取晶闸管控制系统的开关频率；
如图2所示，通过控制晶闸管的导通使无功补偿装置的输出电压等于电压控制值Vdef；此时电磁转矩限定在最大、最小限幅值范围内，消除了鼠笼型风力发电机故障恢复期间的电磁转矩过冲现象。
利用电力系统仿真软件PSCAD验证了本专利所提方法的有效性，该仿真电路如图2所示。在3秒时，鼠笼型风力发电机机端发生三相短路，持续350毫秒。应用本专利所提的基于线性预测的改进ETSPAA控制方法，控制鼠笼型风力发电机故障期间的电磁转矩，图3为鼠笼型风力发电机的转速图。
图4为鼠笼型风力发电机的电磁转矩τem变化图。可以看出在故障之前，电磁转矩为额定值。当故障发生期间，由于发电机的机端电压将为零，此时电磁转矩也减小到零。故障清除后，电磁转矩快速瞬变，电磁转矩的值会快速达到最大限幅1.2pu。当电压恢复到额定值时，τem保持1.2pu直到转速恢复到额定转速即整个恢复过程结束，之后电磁转矩才回到额定值。因此，本专利所提的方法可以让电磁转矩不超过1.2pu的最大限幅，从而有效地消除了鼠笼型风力发电机故障恢复期间的电磁转矩过冲现象。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种消除鼠笼型风力发电机电磁转矩过冲现象的控制方法，其特征在于：所述方法是通过对鼠笼型风力发电机的无功补偿装置中电压控制回路的电压进行控制的电磁转矩自动调整控制方法，所述方法包括：
步骤1：通过安装在鼠笼型风力发电机转子上的电流互感器测量得到转子电流Id计算电磁转矩τem；
步骤2：对电磁转矩τem进行线性外推，计算出电磁转矩的平均变化率r，基于线性外推计算出下一时间间隔的电磁转矩值τem(t0+Tpred)；假设当前时间为t0，Tpred为电磁转矩的测量时间间隔；
步骤3：将系统的额定电磁转矩值作为整定值，将下一时间间隔的电磁转矩与整定值最大、最小限幅比较，将电磁转矩限定在最大、最小限幅范围内，输出电磁转矩控制值τC；
步骤4：通过电磁转矩控制值τC，计算无功补偿装置电压控制回路的电压控制值，进一步计算无功补偿装置中晶闸管导通角，通过控制晶闸管的导通消除鼠笼型风力发电机故障恢复期间的电磁转矩过冲现象。
2.如权利要求1所述的鼠笼型风力发电机电磁转矩过冲现象的控制方法，其特征在于：所述步骤1的具体步骤为：通过安装在鼠笼型风力发电机转子上的电流互感器测量得到转子电流Id，由τem＝Cm×Id计算得到电磁转矩τem，其中Cm为鼠笼型风力发电机的转矩系数。
3.如权利要求1所述的鼠笼型风力发电机电磁转矩过冲现象的控制方法，其特征在于：所述步骤2的具体步骤为：根据电磁转矩τem以及τem的变化趋势对电磁转矩τem进行线性外推，计算出电磁转矩的平均变化率r，假设当前时间为t0，则平均变化率r的计算公式为其中，τem(t0)为t0时刻的电磁转矩，τem(t0-Tpred)为上一测量时间间隔测量到的电磁转矩，Tpred为电磁转矩的测量时间间隔；
根据计算出的电磁转矩的平均变化率r和当前时刻的电磁转矩基于线性外推计算出下一时间间隔的电磁转矩值τem(t0+Tpred)，τem(t0+Tpred)＝τem(t0)+rTpred。
4.如权利要求1所述的鼠笼型风力发电机电磁转矩过冲现象的控制方法，其特征在于：所述步骤3的具体步骤为：
将计算出的下一时间间隔的电磁转矩作为下一时间间隔的电磁转矩的实时值，对发电机故障恢复中的电磁转矩进行提前控制，增加系统中对电磁转矩控制的灵敏度并减少响应时间，并将系统的额定电磁转矩值作为整定值，并将整定值的1.2倍和0.8倍的额定转矩设置为电磁转矩的最大、最小限幅，将计算出的下一个时间间隔的实时电磁转矩与整定值的最大最小限幅进行比较，对电磁转矩控制将其限定在最大、最小限幅范围内，将控制之后的电磁转矩控制值τC计算得出，其中m是用来修正实时测量电磁转矩的比例因数，τem(t0+Tpred)是基于线性外推计算出的下一时间间隔的电磁转矩值；如果τem(t0+Tpred)大于最大限幅τmax时，即下一时间间隔的电磁转矩值大于最大限幅时，将一直对下一时间间隔的电磁转矩值τem(t0+Tpred)经过乘以N次(1-m)系数直至其限制在最大限幅之内，才把电磁转矩值控制值τC输出；如果τem(t0+Tpred)小于最小限幅τmin时，会一直对下一时间间隔的电磁转矩值τem(t0+Tpred)经过乘以N次(1+m)系数直至其限制在大于最小限幅之内，才把电磁转矩值控制值τC输出；如果τem(t0+Tpred)大于最小限幅τmin且小于最大限幅τmax时，输出电磁转矩值控制值τC等于下一时间间隔的电磁转矩值τem(t0+Tpred)。
5.如权利要求1所述的鼠笼型风力发电机电磁转矩过冲现象的控制方法，其特征在于：所述步骤4的具体步骤为：
计算得到电磁转矩值控制值τC之后，进一步通过电磁转矩与电压的关系式计算无功补偿装置电压控制回路的电压控制值Vdef；其中τC为电磁转矩值控制值，α为电机结构常数，s为转差率，R、X为鼠笼型风力发电机电阻、漏抗；
通过电压控制值Vdef计算无功补偿装置中晶闸管的导通角θ，其中Vm为晶闸管额定电压；m是导通电压脉波数，m的值取晶闸管控制系统的开关频率；
控制晶闸管的导通使无功补偿装置的输出电压等于电压控制值Vdef；此时电磁转矩限定在最大、最小限幅值范围内，消除了鼠笼型风力发电机故障恢复期间的电磁转矩过冲现象。
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