CN111987956A - 一种直驱式风电机组转矩脉动抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种直驱式风电机组转矩脉动抑制方法，涉及风力发电技术领域。本发明对于电磁转矩脉动，采取谐波电压补偿的抑制方法：利用低通滤波器提取高次谐波电流分量，计算谐波电压补偿值并叠加到参考电压中，抵消谐波分量。对于气动转矩脉动，采用独立变桨距控制方法，并建立权系数分配器，通过权系数分配的数学模型计算得到不同叶片对应的桨距角，将其作用到变桨机构上，减小由于桨距角波动引发的气动转矩脉动。最后，在谐波电压补偿法的基础上，设立转速控制器，将发电机的实际转速和额定转速的差值作为偏差量，引入到转速控制器的输入端，其输出端为统一桨距角参考值，再结合独立变桨距控制方法，实现气动转矩脉动和电磁转矩脉动的协同抑制。

Description

一种直驱式风电机组转矩脉动抑制方法

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种直驱式风电机组转矩脉动抑制方法。

背景技术

风电机组先后经历了恒速恒频、变速恒频两个阶段。恒速恒频阶段，风电机组在运行过程中转速保持不变，输出稳定的交流电。这种运行方式的优势在于结构简单、可靠性高，但由于限制了转速不变，风速不断变化，导致风能利用率普遍较低。变速恒频阶段则是建立在恒速恒频的基础上，发电机转速可变，仍可输出稳定的交流电。变速恒频由于其转速可变性，使得风速适应范围更宽，输出功率可控性更强，大大提高了风能转换效率和机组的运行效率，将逐步取代恒速恒频方式，成为目前风力发电应用的主要技术。根据发电机种类的不同，变速恒频技术主要依赖于双馈式风电机组和直驱式风电机组。双馈式风电机组的结构特点在于，将低速轴与高速轴之间通过齿轮箱相连，实现增速功能。但在增速过程中，由于齿轮频繁摩擦产生大量热量，降低了能量传递效率，甚至引发机舱内温度上升，对其他部件运行的可靠性产生了不利影响。直驱式风电机组则采用风轮直接驱动多极低速永磁同步发电机发电，省去了齿轮箱这一极易损耗部件，增加了系统的稳定性，再通过功率变换电路将电能转换后并入电网，大大提高了系统工作效率。

直驱式风电机组作为一个复杂多变量的强耦合非线性时变系统，在运行时会产生较强的转矩脉动，根据转矩脉动的来源不同，风电机组的转矩脉动主要可表现为气动转矩脉动和电磁转矩脉动两方面。受到风速频繁波动的影响，叶片处于不同方位时桨距角也随之波动，使得叶片受力不平衡，产生了较大的气动转矩脉动。此外，发电机在运行过程中由于气隙磁场分布不均匀或者逆变器非线性等特性，导致定子电流中存在大量谐波，在低速运转时产生较大的电磁转矩脉动，通过传动轴作用到负载上，成为风电机组安全运行的重大隐患。。因此，要想保证风电机组的寿命和长期稳定运行，首要的就是要减小因转矩脉动引发的风电机组不平衡振动。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种直驱式风电机组转矩脉动抑制方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种直驱式风电机组转矩脉动抑制方法，包括以下步骤：

步骤1：通过对永磁同步发电机(PMSG)的电压和电流进行dq旋转坐标变换；

所述永磁同步发电机在dq同步旋转坐标系下的电压、电流的数学关系方程式为：

其中，i_d和i_q分别为d轴和q轴电流；u_d和u_q分别为d轴和q轴电压；R_s为定子电阻；ω为发电机的电角频率；L_d和L_q分别为d轴和q轴电感；ψ_f为永磁体磁链；

步骤2：建立电磁转矩的数学模型，分析电磁转矩与谐波电流之间的关系；

步骤2.1：根据瞬时功率理论，谐波的电磁转矩与感应电动势和三相电流的关系如下：

其中，T_e为电磁转矩；t为电机运行时刻；ω_r为发电机的机械角速度；ω_e为发电机的电角速度，且ω_e＝n_pω_r，n_p为电机极对数，；e_a、e_b、e_c为三相反电势；i_a、i_b、i_c为三相电流；T₀为基波转矩，T_n是电磁转矩的n次谐波分量，其中n＝0,1,2…；

步骤2.2：设感应电动势基波与各次谐波的幅值分别为E_m1、E_m(6k±1)(k＝1,2,3...)，电流基波与各次谐波幅值分别为I_m1、I_m(6k±1)(k＝1,2,3...)，计算电磁转矩的谐波分量；

步骤2.3：当感应电动势和定子电流中存在5、7次谐波时，电磁转矩中将产生6的倍数次谐波分量；将电磁转矩看成6n次转矩脉动的因数，由电磁转矩和转速的关系可以分析得出：

其中，J_g为电机转动惯量；

步骤3：采用谐波电压补偿的抑制方法，设计谐波电流提取、谐波电压计算和谐波电压补偿三个环节；

所述谐波电流提取是将三相电流经过坐标变换，转换到dq旋转坐标系下，再通过低通滤波器提取出谐波电流分量，数学表达式如下：

5次谐波电流分量，即5次旋转坐标系下的电流方程为：

其中，θ₁、θ₅、θ₇为基波、5次、7次谐波的初始相位角；

7次谐波电流分量，即7次旋转坐标系下的电流方程为：

所述谐波电压计算环节是根据电流与电压的关系，得到谐波电流对应的谐波稳态电压方程，5次旋转坐标系下的谐波稳态电压方程为：

其中，i_d5和i_q5分别为5次旋转坐标下d轴和q轴电流分量。

7次旋转坐标系下的谐波稳态电压方程为：

其中，i_d7和i_q7分别为7次旋转坐标下d轴和q轴电流分量。

步骤4：采用电流内环和转速外环双闭环矢量控制方法，基于PI控制器对PMSG的调速系统进行控制，并对控制参数进行整定；

所述双闭环矢量控制方法为：对电流内环和转速外环进行解耦，实现对电流和转速的分别控制，采用PI控制器进行电流控制，并进行参数整定，转速环以电流环的闭环简化为基础，形成转速外环控制，然后对转速环的PI进行参数整定。

步骤5：建立风力发电机传动轴上的气动转矩的数学方程，采用独立变桨距控制方法，结合权系数分配器，计算得到不同叶片桨距角的权系数分配值和独立桨距角参考值；

所述气动转矩T_m数学方程为：

其中，C_p(λ,β)为风能利用系数，R为风轮半径，v为风速，ρ为空气密度。

规定风轮旋转平面内水平方向轴线为x轴，叶片逆时针旋转为正方向，则将叶片的中心线与x轴之间的夹角θ定义为叶片的方位角，β为统一变桨控制器的输出量，β_i(i＝1,2,3)为β经过权系数分配器调整后的不同叶片各自的桨距角。

所述叶片桨距角为：

β_i＝k_iβ(i＝1,2,3)

其中，k_i为叶片权系数，表示为：

其中H₀为轮毂中心处距地面高度，i＝1,2,3；

为了保证独立变桨距控制方法最终的输出功率稳定在额定功率，有

步骤6：设立转速控制器，将发电机进行谐波电压补偿后的实际转速和额定转速的差值作为偏差量，引入到转速控制器的输入端，转速控制器采用PID控制器，输出端为统一变桨距的桨距角参考值，将其带入到步骤5中作为权系数分配器的输入量，并对不同叶片在不同方位角时对应的桨距角进行实时跟踪调节；

步骤6.1：建立PID转速控制器，将发电机进行谐波电压补偿后的实际转速和额定转速的差值作为偏差量，引入到PID转速控制器的输入端，通过PID转速控制器得到统一变桨下的桨距角参考值，

步骤6.2：将其带入到步骤5中作为权系数分配器的输入量，重复步骤5；

步骤6.3：对不同叶片在不同方位角时对应的桨距角进行实时跟踪调节，达到在减小电磁转矩脉动的同时，平衡机组气动转矩脉动的目的。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

本发明提出了一种直驱式风电机组转矩脉动抑制方法，有效地减小了发电机定子电流中产生的高次谐波，减小了发电机的电磁转矩脉动和转速波动；在此基础上，也平衡了桨叶的气动转矩脉动，减小了桨距角波动对桨叶产生的不平衡振动影响，从而实现了风电机组气动转矩脉动和电磁转矩脉动的协同抑制。

本发明具有较强的实用性，改进了传统的单一转矩脉动抑制方法，实现了不同种转矩脉动的协同抑制，更加有效地稳定了风电机组的运行过程。

附图说明

图1为本发明实施例提供的直驱式风电机组转矩脉动抑制方法流程图；

图2为本发明实施例提供的坐标轴变换示意图；

图3为本发明实施例提供的谐波电流提取结构图；

图4为本发明实施例提供的谐波电压计算结构图；

图5为本发明实施例提供的谐波电压补偿结构图；

图6为本发明实施例提供的PMSG矢量控制图；

图7为本发明实施例提供的基于权系数分配器的独立变桨距控制图；

图8为本发明实施例提供的转矩脉动协同抑制系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

一种直驱式风电机组转矩脉动抑制方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1：通过对永磁同步发电机(PMSG)的电压和电流进行dq旋转坐标变换；

PMSG在dq同步旋转坐标系下的电压、电流的数学关系方程式为：

其中，i_d和i_q分别为d轴和q轴电流；u_d和u_q分别为d轴和q轴电压；R_s为定子电阻；ω为发电机的电角频率；L_d和L_q分别为d轴和q轴电感；

为永磁体磁链。

步骤2：建立电磁转矩的数学模型，分析其与谐波电流之间的关系；

根据瞬时功率理论，考虑谐波的电磁转矩与感应电动势和三相电流的关系为：

其中，ω_r为发电机的机械角速度；ω_e为发电机的电角速度，且ω_e＝n_pω_r；e_a、e_b、e_c为三相反电势；i_a、i_b、i_c为三相电流；T₀为平均转矩，T_n是电磁转矩的n次谐波分量。

假设感应电动势基波与各次谐波的幅值分别为E_m1、E_m(6k±1)(k＝1,2,3...)，电流基波与各次谐波幅值分别为I_m1、I_m(6k±1)(k＝1,2,3...)，则电磁转矩的谐波分量表示为：

可以看出，当感应电动势和定子电流中存在5、7次谐波时，电磁转矩中将产生6的倍数次谐波分量。将电磁转矩看成6n次转矩脉动的因数，由电磁转矩和转速的关系可以分析得出：

其中，J_g为电机转动惯量；

由上式可知，具有较大转动惯量的发电机在较低速度运转时，转速脉动会增大，此时转矩脉动产生的影响也会增大。

本实施例中，电磁转矩T_e在dq同步旋转坐标系下定义为：

T_e＝1.5n_p[(L_d-L_q)i_di_q+ψ_fi_q]

在计算过程中，为了便于分析，近似认为L_d≈L_q，因此，电磁转矩可化简为：

T_e＝1.5n_pψ_fi_q

由于极对数n_p和永磁体磁链ψ_f为定值，T_e可以认为仅与i_q有关。

步骤3：采用谐波电压补偿的抑制方法，设计谐波电流提取、谐波电压计算和谐波电压补偿三个环节；

本实施例中，根据图2中描述的坐标系之间的关系可知，谐波电流提取的核心思想是，将三相电流经过坐标变换，转换到dq旋转坐标系下，再通过低通滤波器提取出想要得到的谐波电流分量，图3所示为谐波电流提取结构图，数学表达式如下：

5次谐波电流分量，即5次旋转坐标系下的电流方程为：

7次谐波电流分量，即7次旋转坐标系下的电流方程为：

谐波电压计算环节则是根据电流与电压的关系，得到谐波电流对应的谐波稳态电压方程，图4所示为谐波电压计算结构图。

5次旋转坐标系下的谐波稳态电压方程为：

其中，i_d5和i_q5分别为5次旋转坐标下d轴和q轴电流分量。

7次旋转坐标系下的谐波稳态电压方程为：

其中，i_d7和i_q7分别为7次旋转坐标下d轴和q轴电流分量。

为了得到谐波电压的补偿值，令图4中的参考电流i_d5 ^*＝i_q5 ^*＝i_d7 ^*＝i_d7 ^*＝0，将参考电流与谐波提取后的电流差值作为偏差量，采用PI控制器对偏差电流进行调节，并结合稳态电压方程式得到谐波电压补偿值。

在经过谐波电压计算后得到5次谐波稳态电压和7次谐波稳态电压，但与基波电压在不同的坐标系，需将其变换到同一坐标系下才能进行数学运算。通过park反变换，将5、7次谐波电压变换到dq坐标系下，分别得到谐波补偿电压u_d5th、u_d7th和u_q5th、u_q7th，对应相加分别得到d轴的补偿电压u_dth和q轴的补偿电压u_qth，再叠加到参考电压中，抵消谐波电流产生的谐波电压分量，图5所示为谐波电压补偿结构图。

步骤4：采用电流内环和转速外环双闭环矢量控制方法，基于PI控制器对PMSG的调速系统进行控制，并对控制参数进行整定；

本实施例中，对电流环和转速环进行解耦，其系统控制框图如图6所示，通过解耦，可以对电流和转速进行分别控制，这里采用PI控制器进行电流控制，并进行参数整定。转速环以电流环的闭环简化为基础，形成转速外环控制，然后同样的对转速环的PI进行参数整定。

步骤5：建立气动转矩的数学模型，采用独立变桨距控制方法，结合权系数分配器，计算得到不同叶片的权系数分配值和独立桨距角参考值；

本实施例中，风力发电机传动轴上的气动转矩数学方程为：

其中，C_p(λ,β)为风能利用系数，R为风轮半径，v为风速，ρ为空气密度。

图7所示为基于权系数分配器的独立变桨距控制结构图，图中θ₁、θ₂和θ₃为3个叶片的方位角。设风轮旋转的正方向设定为逆时针旋转，则β为统一变桨控制器的输出量，β₁、β₂和β₃表示经过权系数分配器调整后的叶片各自的桨距角。

叶片桨距角对应的权系数分配规则为：

β_i＝k_iβ(i＝1,2,3)

其中，k_i为叶片权系数，其分配规则为：

为了保证独立变桨距控制方法最终的输出功率稳定在额定功率附近，还需保证：

步骤6：设立转速控制器，将发电机进行谐波电压补偿后的实际转速和额定转速的差值作为偏差量，引入到转速控制器的输入端，转速控制器采用PID控制器，输出端为统一变桨距的桨距角参考值，将其带入到步骤5中作为权系数分配器的输入量。

本实施例中，图8所示为转矩脉动协同抑制系统结构图，在独立变桨控制的基础上，融合了谐波电压补偿控制方法，并建立PID转速控制器，将发电机进行谐波电压补偿后的实际转速和额定转速的差值作为偏差量，引入到PID转速控制器的输入端，通过PID转速控制器得到统一变桨下的桨距角参考值，将其带入到步骤5中作为权系数分配器的输入量，重复步骤5接下来的实施流程，对不同叶片在不同方位角时对应的桨距角进行实时跟踪调节，达到在减小电磁转矩脉动的同时，平衡机组气动转矩脉动的目的。

本发明的主要特点是：对电磁转矩脉动和气动转矩脉动进行协同抑制，通过谐波电压补偿的方式减小电磁转矩脉动；通过转速预测模型减小因转速突变引发的波动；将转速预测值作为输入经过转速控制器得到统一变桨距控制方法下的桨距角，再经过权系数分配器得到独立变桨距控制方法下的桨距角，实现气动转矩脉动的抑制。

以上描述仅为本公开的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本公开的实施例中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本公开的实施例中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (3)

1.一种直驱式风电机组转矩脉动抑制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：对永磁同步发电机(PMSG)的电压和电流进行dq旋转坐标变换；

所述永磁同步发电机在dq同步旋转坐标系下的电压、电流的数学关系方程式为：

其中，i_d和i_q分别为d轴和q轴电流；u_d和u_q分别为d轴和q轴电压；R_s为定子电阻；ω为发电机的电角频率；L_d和L_q分别为d轴和q轴电感；ψ_f为永磁体磁链；

步骤2：建立电磁转矩的数学模型，分析电磁转矩与谐波电流之间的关系；

步骤3：采用谐波电压补偿的抑制方法，设计谐波电流提取、谐波电压计算和谐波电压补偿三个环节；

步骤4：采用电流内环和转速外环双闭环矢量控制方法，基于PI控制器对PMSG的调速系统进行控制，并对控制参数进行整定；

所述双闭环矢量控制方法为：对电流内环和转速外环进行解耦，实现对电流和转速的分别控制，采用PI控制器进行电流控制，并进行参数整定，转速环以电流环的闭环简化为基础，形成转速外环控制，然后对转速环的PI进行参数整定；

步骤5：建立风力发电机传动轴上的气动转矩的数学方程，采用独立变桨距控制方法，结合权系数分配器，计算得到不同叶片桨距角的权系数分配值和独立桨距角参考值；

所述气动转矩T_m数学方程为：

其中，C_p(λ,β)为风能利用系数，R为风轮半径，v为风速，ρ为空气密度；

规定风轮旋转平面内水平方向轴线为x轴，叶片逆时针旋转为正方向，则将叶片的中心线与x轴之间的夹角θ定义为叶片的方位角，β为统一变桨控制器的输出量，β_i(i＝1,2,3)为β经过权系数分配器调整后的不同叶片各自的桨距角；

所述叶片桨距角为：

β_i＝k_iβ(i＝1,2,3)

其中，k_i为叶片权系数，表示为：

其中H₀为轮毂中心处距地面高度，i＝1,2,3；

为了保证独立变桨距控制方法最终的输出功率稳定在额定功率，有

步骤6：设立转速控制器，将发电机进行谐波电压补偿后的实际转速和额定转速的差值作为偏差量，引入到转速控制器的输入端，转速控制器采用PID控制器，输出端为统一变桨距的桨距角参考值，将其带入到步骤5中作为权系数分配器的输入量，并对不同叶片在不同方位角时对应的桨距角进行实时跟踪调节；

步骤6.1：建立PID转速控制器，将发电机进行谐波电压补偿后的实际转速和额定转速的差值作为偏差量，引入到PID转速控制器的输入端，通过PID转速控制器得到统一变桨下的桨距角参考值，

步骤6.2：将其带入到步骤5中作为权系数分配器的输入量，重复步骤5；

步骤6.3：对不同叶片在不同方位角时对应的桨距角进行实时跟踪调节，达到在减小电磁转矩脉动的同时，平衡机组气动转矩脉动的目的。

2.根据权利要求1所述的一种直驱式风电机组转矩脉动抑制方法，其特征在于，所述步骤2具体包括以下步骤：

步骤2.1：根据瞬时功率理论，考虑到谐波的电磁转矩与感应电动势和三相电流的关系如下：

其中，T_e为电磁转矩；t为电机运行时刻；ω_r为发电机的机械角速度；ω_e为发电机的电角速度，且ω_e＝n_pω_r，n_p为电机极对数，；e_a、e_b、e_c为三相反电势；i_a、i_b、i_c为三相电流；T₀为基波转矩，T_n是电磁转矩的n次谐波分量，其中n＝0,1,2…；

步骤2.2：设感应电动势基波与各次谐波的幅值分别为E_m1、E_m(6k±1)(k＝1,2,3...)，电流基波与各次谐波幅值分别为I_m1、I_m(6k±1)(k＝1,2,3...)，计算电磁转矩的谐波分量；

步骤2.3：当感应电动势和定子电流中存在5、7次谐波时，电磁转矩中将产生6的倍数次谐波分量；将电磁转矩看成6n次转矩脉动的因数，由电磁转矩和转速的关系可以分析得出：

其中，J_g为电机转动惯量。

3.根据权利要求1所述的一种直驱式风电机组转矩脉动抑制方法，其特征在于，步骤3中所述谐波电流提取是将三相电流经过坐标变换，转换到dq旋转坐标系下，再通过低通滤波器提取出谐波电流分量，数学表达式如下：

5次谐波电流分量，即5次旋转坐标系下的电流方程为：

其中，θ₁、θ₅、θ₇为基波、5次、7次谐波的初始相位角；

7次谐波电流分量，即7次旋转坐标系下的电流方程为：

所述谐波电压计算环节是根据电流与电压的关系，得到谐波电流对应的谐波稳态电压方程，5次旋转坐标系下的谐波稳态电压方程为：

其中，i_d5和i_q5分别为5次旋转坐标下d轴和q轴电流分量；

7次旋转坐标系下的谐波稳态电压方程为：

其中，i_d7和i_q7分别为7次旋转坐标下d轴和q轴电流分量。

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