CN112081715A - 一种柔性抑制风力发电机组驱动链扭振的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种柔性抑制风力发电机组驱动链扭振的方法，包括：步骤1、测量处于并网发电状态下风力发电机组驱动链发电机转速；步骤2、将驱动链发电机转速测量值反馈至控制主回路，与驱动链发电机转速设定值进行比较。本发明的有益效果是：本发明包含针对驱动链自激扭振模态、塔架左右振动模态和风轮面内摆振三阶模态的振动阻尼，可以有效提升驱动链的最终阻尼效果；优化设计后的驱动链阻尼器包含前后串联两部分：带通滤波器组和陷波滤波器。通过并入本发明驱动链阻尼器至风力发电机组控制回路，改变原有系统零极点分布，有效提升受控对象的系统阻尼，从而达到柔性抑制风力发电机机组扭振的目的。

Description

一种柔性抑制风力发电机组驱动链扭振的方法
技术领域
本发明涉及驱动链扭振抑制领域，尤其涉及一种柔性抑制风力发电机组驱动链扭振的方法。
背景技术
双馈型风力发电机组驱动链包括风轮、主轴、齿轮箱、联轴器以及发电机。风力发电机组通过风轮捕获风能，风轮驱动主轴低速旋转，主轴通过连接增速型齿轮箱输出高转速，联轴器耦合齿轮箱输出轴与发电机输入轴，最终驱动发电机进行发电。
对于大型双馈型变速变桨风力发电机组而言，其控制目标是在尽可能降低机组关键部位载荷的前提下，捕获尽可能多的风能。齿轮箱作为机组的核心部件，其疲劳载荷直接关乎整个驱动链的稳定运行和使用寿命。由于驱动链的模态阻尼很小，在湍流风的激励下，极易引起驱动链自扭振。另外，在某些情形下，驱动链自激扭振模态会与风轮面内摆振模态、塔架左右振动模态发生振动耦合。
如何对驱动链扭振进行有效抑制是一项重要课题。当前主要做法是增加诸如弹性支撑等机械构件来提供机械阻尼，或者是通过驱动链阻尼器提供额外的电磁转矩纹波来加大驱动链阻尼。相较于前者，驱动链阻尼器在不增加任何成本的基础上，可以有效降低驱动链疲劳载荷、提高机组可靠性和保障齿轮箱的使用寿命。因此，驱动链阻尼器性能的优劣对驱动链扭振的抑制将起到十分重要的影响。
驱动链自激扭振模态、风轮面内摆振模态及塔架左右振动模态这三类振动模态的阻尼都较小。在湍流风下，三者容易激发驱动链的自然谐振以及相关的受迫振动。
目前，风电业界普遍采用两质量块柔性轴模型对机组驱动链进行数学建模。但该建模方式仅考虑了高、低速轴的柔性特点，并没有考虑桨叶和塔架的柔性及相互耦合特点。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种柔性抑制风力发电机组驱动链扭振的方法。
这种柔性抑制风力发电机组驱动链扭振的方法，包括以下步骤：
步骤1、测量处于并网发电状态下风力发电机组驱动链发电机转速ωmeasured；
步骤2、将驱动链发电机转速测量值ωmeasured反馈至控制主回路，与驱动链发电机转速设定值ωref.进行比较；
步骤3、将驱动链发电机转速差值Δω输入PI控制器，PI控制器经计算后输出驱动链发电机转矩设定值Tdemand；
步骤4、构建驱动链阻尼器；
步骤5、将发电机转速测量值ωmeasured引入驱动链阻尼器，经驱动链阻尼器计算后输出电磁转矩纹波Tripple，并将该电磁转矩纹波叠加至PI控制器驱动链发电机转矩设定值Tdemand上，通过对纹波相位进行校正以及幅度增益来抵消驱动链的扭振；合成最终的驱动链发电机转矩设定值T′demand。
作为优选，所述步骤4具体包括如下步骤：
步骤4.1、用带通滤波器组和陷波滤波器串联连接组成驱动链阻尼器；带通滤波器组包含三个并联连接的带通滤波器，三个带通滤波器分别对塔架左右振动模态、驱动链自激扭振模态和风轮面内摆振三阶模态进行振动阻尼，可以有效提升针对不同振动模态的阻尼精确性；
步骤4.2、将带通滤波器作为电磁转矩纹波Tripple的发生器，带通滤波器的拉氏变换通用表达式为：
Figure BDA0002669486170000021
上式中，HBPF(s)表示经带通滤波器相位校正和增益处理后的滤波输出值；s为拉氏变换中的复数频率参量；K为带通滤波器增益；ζ为阻尼比；ω0为带通滤波器中心频率；(1+τs)为相位校正部分；τ是与时间相关的参数；
步骤4.3、带通滤波器的带通频段通常接近于风轮三倍转频(3P)或六倍转频(6P)，极易引起系统振荡。在这种情况下，在带通滤波器上再叠加风轮三倍转频(3P)或风轮六倍转频(6P)对应的陷波滤波器；陷波滤波器的拉氏变换通用表达式为：
Figure BDA0002669486170000022
上式中，HNotch(s)表示经陷波滤波器滤除特定频率后所得的滤波输出值；s为拉氏变换中的复数频率参量；ζ1为分子阻尼比，ζ2为分母阻尼比；ω1为分子部分频率，ω2为分母部分频率；如果分子部分频率ω1等于分母部分频率ω2，则陷波滤波器属于标准型；如果分子部分频率ω1大于分母部分频率ω2，则陷波滤波器具有低通滤波功能；如果分子部分频率ω1小于分母部分频率ω2，则陷波滤波器具有高通滤波功能。
作为优选，所述步骤4.2中通过调整电磁转矩纹波的相位来调整相位校正部分(1+τs)，使其能更好地抵消转矩谐振；中心频率ω0设置为特定振动模态的自然频率。所述步骤4.2中通过调整电磁转矩纹波的相位来调整相位校正部分(1+τs)，使其能更好地抵消转矩谐振；中心频率ω0设置为特定振动模态的自然频率。
作为优选，所述步骤4.1中每一个带通滤波器均产生针对特定振动模态的电磁转矩纹波。所述步骤4.1中每一个带通滤波器均产生针对特定振动模态的电磁转矩纹波。
作为优选，所述步骤4.2中每一个带通滤波器的带宽为：
BW＝2·ζ·ω0 (3)
上式中，ζ为滤波器阻尼比，ω0为带通滤波器的中心频率；通过调节滤波器阻尼比ζ使该带通滤波器的带宽不与邻近带通滤波器带宽重合。
作为优选，所述步骤4.2中带通滤波器增益K为带通滤波器产生3％～5％的额定转矩值的电磁转矩纹波时的增益K值，使落入带宽内的频率信号得到足够放大。
作为优选，所述步骤4.3中陷波滤波器采用标准型：陷波滤波器的拉氏变换通用表达式中分子部分频率ω1等于分母部分频率ω2，分子阻尼比ζ1设为0或接近于0的常数。
本发明的有益效果是：本发明包含针对驱动链自激扭振模态、塔架左右振动模态和风轮面内摆振三阶模态的振动阻尼，可以有效提升驱动链的最终阻尼效果；优化设计后的驱动链阻尼器包含前后串联两部分：带通滤波器组和陷波滤波器。通过并入本发明驱动链阻尼器至风力发电机组控制回路，改变原有系统零极点分布，有效提升受控对象的系统阻尼，从而达到柔性抑制风力发电机机组扭振的目的。
附图说明
图1为风力发电机组驱动链阻尼器控制系统框图；
图2为风力发电机组驱动链系统零极点及伯德图；
图3为风力发电机组驱动链振动经柔性抑制后的扭矩对比图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
通常意义上的驱动链阻尼器是基于两质量块柔性轴模型，因此只针对驱动链自激扭振模态进行振动阻尼。本发明在此基础上，增加了针对风轮面内摆振模态及塔架左右振动模态的阻尼。优化设计后的驱动链阻尼器，使得驱动链三类扭振模态均能得到有效抑制。
作为一种实施例，一种柔性抑制风力发电机组驱动链扭振的方法，针对某型双馈风力发电机组：
其风力发电机组驱动链系统零极点及伯德图如图2所示，图中×代表极点，○代表零点；参阅图2可知该型机组驱动链扭振主要由三类振动模态组成：塔架左右振动模态、驱动链自激扭振模态和风轮面内摆振三阶模态。从图中可见三类振动模态阻尼系数极小，使得振动幅值响应出现尖峰。
如图1所示，这种柔性抑制风力发电机组驱动链扭振的方法，包括以下步骤：
步骤1、测量处于并网发电状态下风力发电机组驱动链发电机转速ωmeasured；
步骤2、将驱动链发电机转速测量值ωmeasured反馈至控制主回路，与驱动链发电机转速设定值ωref.进行比较；
步骤3、将驱动链发电机转速差值Δω输入PI控制器，PI控制器经计算后输出驱动链发电机转矩设定值Tdemand；
步骤4、构建驱动链阻尼器；
步骤4.1、用带通滤波器组和陷波滤波器串联连接组成驱动链阻尼器；带通滤波器组包含三个并联连接的带通滤波器，三个带通滤波器分别对塔架左右振动模态、驱动链自激扭振模态和风轮面内摆振三阶模态进行振动阻尼，可以有效提升针对不同振动模态的阻尼精确性；每一个带通滤波器均产生针对特定振动模态的电磁转矩纹波；
步骤4.2、将带通滤波器作为电磁转矩纹波Tripple的发生器，带通滤波器的拉氏变换通用表达式为：
Figure BDA0002669486170000041
上式中，HBPF(s)表示经带通滤波器相位校正和增益处理后的滤波输出值；s为拉氏变换中的复数频率参量；K为带通滤波器增益；ζ为阻尼比；ω0为带通滤波器中心频率；(1+τs)为相位校正部分；τ是与时间相关的参数；通过调整电磁转矩纹波的相位来调整相位校正部分(1+τs)，使其能更好地抵消转矩谐振；中心频率ω0设置为特定振动模态的自然频率。每一个带通滤波器的带宽为：
BW＝2·ζ·ω0 (3)
上式中，ζ为滤波器阻尼比，ω0为带通滤波器的中心频率；通过调节滤波器阻尼比ζ使该带通滤波器的带宽不与邻近带通滤波器带宽重合。带通滤波器增益K为带通滤波器产生3％～5％的额定转矩值的电磁转矩纹波时的增益K值，使落入带宽内的频率信号得到足够放大。
步骤4.3、带通滤波器的带通频段通常接近于风轮三倍转频(3P)或六倍转频(6P)，极易引起系统振荡。在这种情况下，在带通滤波器上再叠加风轮三倍转频(3P)或风轮六倍转频(6P)对应的陷波滤波器；陷波滤波器的拉氏变换通用表达式为：
Figure BDA0002669486170000051
上式中，HNotch(s)表示经陷波滤波器滤除特定频率后所得的滤波输出值；s为拉氏变换中的复数频率参量；ζ1为分子阻尼比，ζ2为分母阻尼比；ω1为分子部分频率，ω2为分母部分频率；如果分子部分频率ω1等于分母部分频率ω2，则陷波滤波器属于标准型；如果分子部分频率ω1大于分母部分频率ω2，则陷波滤波器具有低通滤波功能；如果分子部分频率ω1小于分母部分频率ω2，则陷波滤波器具有高通滤波功能。陷波滤波器采用标准型：陷波滤波器的拉氏变换通用表达式中分子部分频率ω1等于分母部分频率ω2，分子阻尼比ζ1设为0或接近于0的常数。
步骤5、将发电机转速测量值ωmeasured引入驱动链阻尼器，经驱动链阻尼器计算后输出电磁转矩纹波Tripple，并将该电磁转矩纹波叠加至PI控制器驱动链发电机转矩设定值Tdemand上，通过对纹波相位进行校正以及幅度增益来抵消驱动链的扭振；合成最终的驱动链发电机转矩设定值T′demand。
如图3所示，引入本发明的驱动链阻尼器后，风电机组驱动链扭矩振动对比图，可以发现扭矩得到了明显抑制。

Claims (7)

1.一种柔性抑制风力发电机组驱动链扭振的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、测量处于并网发电状态下风力发电机组驱动链发电机转速ωmeasured；
步骤2、将驱动链发电机转速测量值ωmeasured反馈至控制主回路，与驱动链发电机转速设定值ωref.进行比较；
步骤3、将驱动链发电机转速差值Δω输入PI控制器，PI控制器经计算后输出驱动链发电机转矩设定值Tdemand；
步骤4、构建驱动链阻尼器；
步骤5、将发电机转速测量值ωmeasured引入驱动链阻尼器，经驱动链阻尼器计算后输出电磁转矩纹波Tripple，并将该电磁转矩纹波叠加至PI控制器驱动链发电机转矩设定值Tdemand上；合成最终的驱动链发电机转矩设定值T′demand。
2.根据权利要求1所述柔性抑制风力发电机组驱动链扭振的方法，其特征在于：所述步骤4具体包括如下步骤：
步骤4.1、用带通滤波器组和陷波滤波器串联连接组成驱动链阻尼器；带通滤波器组包含三个并联连接的带通滤波器，三个带通滤波器分别对塔架左右振动模态、驱动链自激扭振模态和风轮面内摆振三阶模态进行振动阻尼；
步骤4.2、将带通滤波器作为电磁转矩纹波Tripple的发生器，带通滤波器的拉氏变换通用表达式为：
Figure FDA0002669486160000011
上式中，HBPF(s)表示经带通滤波器相位校正和增益处理后的滤波输出值；s为拉氏变换中的复数频率参量；K为带通滤波器增益；ζ为阻尼比；ω0为带通滤波器中心频率；(1+τs)为相位校正部分；τ是与时间相关的参数；
步骤4.3、在带通滤波器上再叠加风轮三倍转频或风轮六倍转频对应的陷波滤波器；陷波滤波器的拉氏变换通用表达式为：
Figure FDA0002669486160000012
上式中，HNotch(s)表示经陷波滤波器滤除特定频率后所得的滤波输出值；s为拉氏变换中的复数频率参量；ζ1为分子阻尼比，ζ2为分母阻尼比；ω1为分子部分频率，ω2为分母部分频率；如果分子部分频率ω1等于分母部分频率ω2，则陷波滤波器属于标准型；如果分子部分频率ω1大于分母部分频率ω2，则陷波滤波器具有低通滤波功能；如果分子部分频率ω1小于分母部分频率ω2，则陷波滤波器具有高通滤波功能。
3.根据权利要求2所述柔性抑制风力发电机组驱动链扭振的方法，其特征在于：所述步骤4.2中通过调整电磁转矩纹波的相位来调整相位校正部分(1+τs)；中心频率ω0设置为特定振动模态的自然频率。
4.根据权利要求2所述柔性抑制风力发电机组驱动链扭振的方法，其特征在于：所述步骤4.1中每一个带通滤波器均产生针对特定振动模态的电磁转矩纹波。
5.根据权利要求2所述柔性抑制风力发电机组驱动链扭振的方法，其特征在于：所述步骤4.2中每一个带通滤波器的带宽为：
BW＝2·ζ·ω0 (3)
上式中，ζ为滤波器阻尼比，ω0为带通滤波器的中心频率；通过调节滤波器阻尼比ζ使该带通滤波器的带宽不与邻近带通滤波器带宽重合。
6.根据权利要求2所述柔性抑制风力发电机组驱动链扭振的方法，其特征在于：所述步骤4.2中带通滤波器增益K为带通滤波器产生3％～5％的额定转矩值的电磁转矩纹波时的增益K值。
7.根据权利要求2所述柔性抑制风力发电机组驱动链扭振的方法，其特征在于，所述步骤4.3中陷波滤波器采用标准型：陷波滤波器的拉氏变换通用表达式中分子部分频率ω1等于分母部分频率ω2，分子阻尼比ζ1设为0或接近于0的常数。
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