CN110080943A - 双馈电机传动链扭振主动控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了风力发电领域内的双馈电机传动链扭振主动控制方法，用PID控制和扭转载荷控制相结合进行传动链扭转振动的抑制。本发明可在保证输出功率不变的前提下，达到抑制传动链扭振的目的。

Description

双馈电机传动链扭振主动控制方法
技术领域
本发明涉及风力发电领域，具体涉及一种双馈电机传动链扭振主动控制方法。
背景技术
现如今，风力发电在世界范围内迅速发展，在过去几十年中，双馈风力发电已成为世界风能发电的主流。由于风机所处环境恶劣，冲击载荷大，容易引起很多故障，风电机组传动链的扭转振动是最严重的问题之一。扭转振动会导致齿轮箱产生明显的应力和疲劳，机械部件的扭转振动可以传递给电力振荡，导致风机和电力系统之间的潜在共振。在严重的情况下，风电机组会损坏并导致电网故障。由此可见，传动链的扭转振动不仅直接影响到风电机组的安全运行，而且也影响到网络系统的稳定性。因此，降低传动链的扭转振动显得尤为重要和紧迫。
近年来，一些学者对风电机组传动链的控制进行了研究。其中王世谦、尹远各自研究通过控制有功功率和无功功率来控制双馈发电机；杜健、王宇琨等研究了风电机组电网故障下的控制策略；苏阳阳、王晓东、杨超等研究了通过变桨角控制传动链的机械扭矩来抑制扭振；Beltran B,Benbouzid M E H,Ahmed-Ali T等通过将二阶模式阻尼频率加到额定风速以上的转矩控制上，以抑制传动链的转矩波动；Licari J,Ugalde Loo C E,EkanayakeJ,et al等采用自适应改变变桨控制器参数的方法来抑制传动链的转矩脉动。虽然这些方法在增加阻尼和减小扭振方面发挥了一定的作用，但大多数的研究都是在电网故障或机械转矩的情况下进行的，很少涉及电网正常运行时传动链的长期低振幅和低频扭振。
发明内容
本发明意在提供双馈电机传动链扭振主动控制方法，以在保证输出功率不变的前提下，达到抑制传动链扭振的目的。
为达到上述目的，本发明的基础技术方案如下：双馈电机传动链扭振主动控制方法，用PID控制和扭转载荷控制相结合进行传动链扭转振动的抑制。
通过本方案的PID和扭转载荷联合控制的方法，对抑制传动链的扭转振动有很好的抑制效果，在复杂的风力条件下也具有良好的控制效果，具有普遍适用性。
进一步，扭转载荷控制步骤包括用扭振负载控制器提高电磁转矩阻尼转矩。这样可以实现在机组输出功率稳定的前提下，达到抑制扭振的目的。
进一步，用扭振负载控制器提高电磁转矩阻尼转矩步骤为将传动链的扭转角作为反馈信号，通过扭振负载控制器形成阻尼转矩，阻尼转矩施加于传动链上。这样将叶轮相对于发电机转子的角位移作为输入，从而得到更加准确的附加阻尼转矩，进而对传动链的扭振进行更加精准的控制。
进一步，扭振负载控制器包括带通滤波器和陷波滤波器。这样通过带通滤波器和陷波滤波器连接形成转矩反馈回路，与PID控制一起形成了对传动链扭振的双通道主动阻尼控制。
进一步，通过扭振负载控制器形成阻尼转矩的步骤包括用带通滤波器产生脉动转矩，再通过陷波滤波器避免风轮速度的多段横移频率。这样使得形成的附加阻尼转矩可更精准的用于传动链扭振的改善。
进一步，PID控制步骤为在传动链上附加一个带频差的比例积分微分阻尼项以消除系统偏差，使系统振荡和偏差减小。这样可减小风机与轴系之间的频差引起的扭振。
进一步，还包括仿真建模分析步骤，仿真建模分析步骤为用分析软件对双馈风电机组传动链进行建模与仿真分析。这样可对方案进行实际使用情况的仿真分析，进而验证方案的实用性、有效性。
进一步，建模与仿真分析步骤包括对恒定风速下的仿真分析及对湍流风速下的仿真分析。这样对电网正常运行时传动链的扭振控制情况进行更准确的仿真分析，有利于得到更加准确可靠的分析结果。
进一步，恒定风速下的仿真分析以及湍流风速下的仿真分析均包括对传动轴上的机械转矩、扭转角度、电磁转矩阻尼转矩的参考值、电磁转矩阻尼转矩的给定值、有功功率的分析。这样的仿真分析更加贴合实际情况，对方案的仿真分析结果更加准确可靠，更符合风力发电中双馈电机传动链扭振控制的实际情况。
进一步，分析软件为Matlab/Simulink。
附图说明
图1为本发明实施例中风电机组传动链模型框图；
图2为本发明实施例中传动链的频域特性图；
图3为本发明实施例中传动链阻尼控制框图；
图4为本发明实施例中BPF的bode图；
图5为本发明实施例中BRF的bode图；
图6为本发明实施例中恒定风速下传动轴上的机械转矩仿真结果图；
图7为本发明实施例中恒定风速下扭转角度(θs)仿真结果图；
图8为本发明实施例中恒定风速下电磁转矩阻尼转矩的参考值仿真结果图；
图9为本发明实施例中恒定风速下电磁转矩阻尼转矩的给定值仿真结果图；
图10为本发明实施例中恒定风速下有功功率仿真结果图；
图11为本发明实施例中湍流风速下传动轴上的机械转矩仿真结果图；
图12为本发明实施例中湍流风速下扭转角度(θs)仿真结果图；
图13为本发明实施例中湍流风速下电磁转矩阻尼转矩的参考值仿真结果图；
图14为本发明实施例中湍流风速下电磁转矩阻尼转矩的给定值仿真结果图；
图15为本发明实施例中湍流风速下有功功率仿真结果图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
实施例基本如附图1所示：双馈电机传动链扭振主动控制方法，用PID控制和扭转载荷控制相结合进行传动链扭转振动的抑制。扭转载荷控制步骤包括用扭振负载控制器提高电磁转矩阻尼转矩。用扭振负载控制器提高电磁转矩阻尼转矩步骤为将传动链的扭转角作为反馈信号，通过扭振负载控制器形成阻尼转矩，阻尼转矩施加于传动链上。扭振负载控制器包括带通滤波器和陷波滤波器。通过扭振负载控制器形成阻尼转矩的步骤包括用带通滤波器产生脉动转矩，再通过陷波滤波器避免风轮速度的多段横移频率。
PID控制步骤为在传动链上附加一个带频差的比例积分微分阻尼项以消除系统偏差，使系统振荡和偏差减小。
还包括仿真建模分析步骤，仿真建模分析步骤为用Matlab/Simulink对双馈风电机组传动链进行建模与仿真分析。建模与仿真分析步骤包括对恒定风速下的仿真分析及对湍流风速下的仿真分析。恒定风速下的仿真分析以及湍流风速下的仿真分析均包括对传动轴上的机械转矩、扭转角度、电磁转矩阻尼转矩的参考值、电磁转矩阻尼转矩的给定值、有功功率的分析。
具体实施过程如下：
风电机组传动链模型
双馈风力发电机组传动链主要由风轮、变桨控制系统、主轴前轴承、低速轴、变速箱、高速轴、发电机等组成。风轮吸收的机械能通过低速轴传递给变速箱，变速箱的高速输出端与发电机通过高速轴连接。
双馈风力发电机组的叶轮和发电机转子通常由齿轮箱连接。齿轮箱提高了整个轴系灵活性。本方案采用双质量模型对双馈风力发电机组传动系统进行了仿真，能够准确反映传动链的扭转振动。双质量块轴系模型将叶轮和轮毂视为一个质量块，发电机和齿轮箱视为一个质量块，基本原理图如图1所示。
根据运动学基本方程式可以得到风电机组双质量传动链运动方程的数学模型为：
化简可得：
式中Jt、Jg分别为叶轮和发电机转子的惯量，ωt、ωg分别为叶轮和发电机转子的角速度，Tt、Te分别为机械转矩和发电机的电磁转矩阻尼转矩，θs为传动链的扭转角，Ds、ks分别为传动链的阻尼系和刚度系数。
控制系统的目标是控制电机的速度和角度，控制角度和速度的唯一方法是控制电机的电磁转矩阻尼转矩。本方案提出的控制方法是通过控制电磁转矩阻尼转矩从而达到抑制传动链的扭转振动。
传送链主动控制方法
在电网正常运行情况下，本方案提出了一种扭振控制方法，即以扭转角(θs)作为反馈信号，通过扭振负载控制器提高电磁转矩阻尼转矩，可以实现在机组输出功率稳定的前提下，达到抑制扭振的目的。
扭振特性的分析
根据传动链的双质量块模型，叶轮相对于发电机转子角位移(θs)的运动方程为：
该公式表明θs以二阶振荡的形式运动。运动方程的极点如下：
λ1,2＝-ξωn±jωξ
式中，是传动链的自然振荡频率，是传动链的阻尼比，是考虑系统阻尼后的实际振荡频率，由此可见，传动链的实际扭振频率与系统参数Ds，Ks，Jt，Jg密切相关。
通过方程式(3)，可以进一步推导出以Tt和Te为输入变量的传递函数，如公式(4)和(5)所示。
根据方程(4)和(5)所示的传递函数，可以得到从Tt和Te到θs的传动链的频域特性(如图2所示)。可以看出，无论输入量是电磁转矩阻尼转矩扰动还是机械转矩扰动，共振频率附近的传动链振幅增益都很高，即两个输入都能激发传动链的扭振，同时，也可以看出电传动链系统的大小。电磁转矩阻尼转矩作为输入端在共振频率下比机械转矩大，因此电磁转矩阻尼转矩的扰动会引起更严重的扭振。
传动链控制原理
如图3所示，传动链阻尼控制方法为在PID控制的基础上，增加一个由BPF(带通滤波器，后文简称BPF)和BRF(陷波滤波器，后文简称BRF)连接的转矩反馈回路，实现了双通道主动阻尼控制，在驱动链的固有振动频率附近增加了附加转矩和BPF的主要功能是产生脉动转矩，BRF主要是为了避免风轮速度的多段横移频率。通过PID控制，快速准确地消除了系统的偏差，恢复了设定值，使系统的振荡和偏差减小。
在风电机组传动链的扭振控制中，发电机转矩的变化对其转速和输出功率有很大的影响。如果发电机转矩变化过大，可能导致系统失稳，因此，和应限制在一定范围内，然后叠加到原始扭矩参考值上，实际情况下，和的值根据传动链传动轴的尺寸大小进行确定。
通过图3可以得到如下等式：
为电磁转矩阻尼转矩给定值，和为补偿电磁转矩阻尼转矩。BPF和BRF之间的传递函数如下：
式中K为控制增益，ω为带通滤波器的中心频率，ζf为滤波器阻尼比。
其中
式中，ζ和ζtot分别是传动链系统的固有阻尼比和增加阻尼控制后的阻尼比。
仿真结果及分析
为了验证本方案提出的主动控制策略，利用Matlab/Simulink对1.5MW双馈风电机组传动链进行了建模与仿真。风电机组参数见表1。
表1 1.5MW双馈风电机组参数
表2 1.5MW双馈风电机组传动链参数
参数 数值
风轮转动惯量(J<sub>t</sub>) 4.45×10<sup>6</sup>
发电机转动惯量 8.45×10<sup>5</sup>kg·
传动链阻尼(D<sub>s</sub>) 1.72×10<sup>5</sup>N·
传动链刚度(K<sub>s</sub>) 3.03×10<sup>8</sup>N·
BPF和BRF的传递函数如下所示，
根据传递函数可以得到在相应的bode图，如图4、图5所示。
恒定风速下的仿真及结果分析
从仿真结果中可以得到，在恒定风速下，仿真结果图6和图7表明，只有PID调节控制时，抑制传动链扭转振动的效果并不明显，PID调节和扭转载荷联合控制的方法，对抑制传动链的扭转振动有很好的效果；仿真结果图8、图9和图10表明，PID调节控制和PID调节与扭转载荷相结合控制下，电磁转矩阻尼转矩和有功功率的仿真曲线基本上是一致的，这表明本方案提出的控制策略能够有效抑制传动链的扭转振动，而不影响功率输出。
湍流风速下的仿真及结果分析
从仿真结果中可以得到，在湍流风条件下，仿真结果图11、图12和图13表明，PID和扭转载荷联合控制的方法，对抑制传动链的扭转振动也有很好的抑制效果；这表明了本文提出的控制方法，在复杂的风力条件下也具有良好的控制效果，具有普遍适用性；仿真结果图14、图15表明，PID调节控制和PID调节与扭转载荷相结合控制下，电磁转矩阻尼转矩和有功功率的仿真曲线基本上是一致的，这表明本文提出的控制策略能够有效抑制传动链的扭转振动，而不影响功率输出。
通过上述仿真分析可见，本方案对双馈风电机组传动系统进行分析，建立了传动链的双质量模型，发现电磁转矩阻尼转矩扰动会导致驱动链的扭转振动比机械转矩更严重。为了减少电网正常运行过程中传动链的扭转振动，设计了基于BPF和BRF的扭转负荷控制器，以扭转角(θs)作为反馈信号，提出了一种PID调节与扭转载荷相结合的控制方法，以抑制传动链的扭转振动。仿真结果表明，与仅采用PID调节相比，PID调节与扭转载荷相结合的控制方法有更好的抑制效果。

Claims (10)

1.双馈电机传动链扭振主动控制方法，其特征在于：用PID控制和扭转载荷控制相结合进行传动链扭转振动的抑制。
2.根据权利要求1所述的双馈电机传动链扭振主动控制方法，其特征在于：所述扭转载荷控制步骤包括用扭振负载控制器提高电磁转矩阻尼转矩。
3.根据权利要求2所述的双馈电机传动链扭振主动控制方法，其特征在于：所述用扭振负载控制器提高电磁转矩阻尼转矩步骤为将传动链的扭转角作为反馈信号，通过扭振负载控制器形成阻尼转矩，阻尼转矩施加于传动链上。
4.根据权利要求3所述的双馈电机传动链扭振主动控制方法，其特征在于：所述扭振负载控制器包括带通滤波器和陷波滤波器。
5.根据权利要求4所述的双馈电机传动链扭振主动控制方法，其特征在于：所述通过扭振负载控制器形成阻尼转矩的步骤包括用带通滤波器产生脉动转矩，再通过陷波滤波器避免风轮速度的多段横移频率。
6.根据权利要求5所述的双馈电机传动链扭振主动控制方法，其特征在于：所述PID控制步骤为在传动链上附加一个带频差的比例积分微分阻尼项以消除系统偏差，使系统振荡和偏差减小。
7.根据权利要求6所述的双馈电机传动链扭振主动控制方法，其特征在于：还包括仿真建模分析步骤，所述仿真建模分析步骤为用分析软件对双馈风电机组传动链进行建模与仿真分析。
8.根据权利要求7所述的双馈电机传动链扭振主动控制方法，其特征在于：所述建模与仿真分析步骤包括对恒定风速下的仿真分析及对湍流风速下的仿真分析。
9.根据权利要求8所述的双馈电机传动链扭振主动控制方法，其特征在于：所述恒定风速下的仿真分析以及湍流风速下的仿真分析均包括对传动轴上的机械转矩、扭转角度、电磁转矩阻尼转矩的参考值、电磁转矩阻尼转矩的给定值、有功功率的分析。
10.根据权利要求9所述的双馈电机传动链扭振主动控制方法，其特征在于：所述分析软件为Matlab/Simulink。
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