CN113565704A - 风力发电机组的转速自适应滤波方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种种风力发电机组的转速自适应滤波方法，包括如下步骤：S1、获取风力发电机组的发电机转速；S2、根据获取的发电机转速计算滤波频率；S3、设置滤波器的初始中心频率，并根据初始中心频率计算滤波器的带宽，根据带宽设置滤波器的频率影响范围；S4、判断滤波频率是否在频率影响范围内：若滤波频率在频率影响范围内则保持滤波器的中心频率不变；若滤波频率不在频率影响范围内则将滤波器的中心频率更新为步骤S2中计算的滤波频率，同时根据步骤S3重新计算频率影响范围。可通过自适应滤波算法去滤除发电机转速中由于风不稳定性引起的变化的叶片通过频率，从而降低或消除该频率产生的转速波动或机组振动，提高机组运行的稳定性、可靠性。

Description

风力发电机组的转速自适应滤波方法
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种风力发电机组的转速自适应滤波方法。
背景技术
随着国家大力支持新能源的发展，风力发电机组作为新能源的重要组成部分，其装机规模也在快速扩增，对机组运行的稳定性、可靠性提出了更高的要求。
在风力发电机组中，发电机转速作为最重要控制目标之一，同时也作为桨距角和转矩参考控制指令的计算输入，是直接影响到机组运行的稳定性和安全性。由于叶轮旋转产生的频率会经传动链带入到发电机转速中，因此通过滤波算法对叶片通过频率的处理变得尤为重要，以避免该频率的波动出现在桨距角或转矩中，进一步加剧转速波动，影响到风机的安全。
由于风的变化和不可预测性，会引起风轮转速和发电机转速在一定范围内变化，其产生的叶片通过频率也随之变化，采用原有对固定频率的滤波算法则具有一定的局限性。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的问题是提供一种风力发电机组的转速自适应滤波方法，可通过自适应滤波算法去滤除发电机转速中由于风不稳定性引起的变化的叶片通过频率，从而降低或消除该频率产生的转速波动或机组振动，提高机组运行的稳定性、可靠性。
本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：本发明提供一种风力发电机组的转速自适应滤波方法，包括如下步骤：
S1、获取风力发电机组的发电机转速；
S2、根据获取的发电机转速计算滤波频率；
S3、设置滤波器的初始中心频率，并根据初始中心频率计算滤波器的带宽，根据带宽设置滤波器的频率影响范围；
S4、判断步骤S2中的滤波频率是否在频率影响范围内：
若滤波频率在频率影响范围内则保持滤波器的中心频率不变；
若滤波频率不在频率影响范围内则将滤波器的中心频率更新为步骤S2中计算的滤波频率，同时根据步骤S3重新计算频率影响范围。
进一步，步骤S4后还包括，重复获取发电机转速，根据发电机的转速变化即时更新滤波器的中心频率。
进一步，步骤S2中，所述滤波频率的基准频率f＝n/(ratio*60)，其中n为发电机转速，ratio为齿轮箱传动比，所述滤波频率为基准频率的m倍，其中m为大于0的自然数。
进一步，所述m的取值为叶片数量的整数倍。
进一步，所述滤波器为陷波滤波器，所述滤波器的传递函数为
Figure BDA0003244515790000021
Figure BDA0003244515790000022
其中，ω1＝2πf1，ω2＝2πf2，f1、f2为中心频率，ξ1、ξ2为阻尼系数；
初始中心频率f1＝f2＝f0，带宽BW为：BW＝2*ξ2*f0；带宽频率影响范围为(fmin，fmax)，其中滤波器的衰减增益
Figure BDA0003244515790000023
Figure BDA0003244515790000024
ω0＝2·π·f0，fmin＝ωmin/2π，fmax＝ωmax/2π。
由上述技术方案可知，本发明的有益效果：本发明提供一种风力发电机组的转速自适应滤波方法，包括如下步骤：S1、获取风力发电机组的发电机转速；S2、根据获取的发电机转速计算滤波频率；S3、设置滤波器的初始中心频率，并根据初始中心频率计算滤波器的带宽，根据带宽设置滤波器的频率影响范围；S4、判断步骤S2中的滤波频率是否在频率影响范围内：若滤波频率在频率影响范围内则保持滤波器的中心频率不变；若滤波频率不在频率影响范围内则将滤波器的中心频率更新为步骤S2中计算的滤波频率，同时根据步骤S3重新计算频率影响范围。可通过自适应滤波算法去滤除发电机转速中由于风不稳定性引起的变化的叶片通过频率，从而降低或消除该频率产生的转速波动或机组振动，提高机组运行的稳定性、可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明的控制计算流程图；
图2未使用本发明方法的X方向振动频率分析图；
图3应用本发明方法后X方向振动频率分析图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
请参阅图1～3所示，本发明提供一种风力发电机组的转速自适应滤波方法，包括如下步骤：
S1、获取风力发电机组的发电机转速；实时获取发电机组的转速。
S2、根据获取的发电机转速计算滤波频率；所述滤波频率的基准频率f＝n/(ratio*60)，其中n为发电机转速，ratio为齿轮箱传动比，所述滤波频率为基准频率的m倍，其中m为大于0的自然数；转速波动极易出现在基准频率的倍频中，滤波频率应包括基准频率的全部倍频。
优选地，所述m的取值为叶片数量的大于0的整数倍；目前风力发电机组多为3片叶片，将滤波中心频率的取值主要取值为1倍频或3倍频或6倍频或9倍频。优选地，还可以同时进行多个倍频的同步计算，然后分别进行判断。
S3、设置滤波器的初始中心频率，并根据初始中心频率计算滤波器的带宽，根据带宽设置滤波器的频率影响范围；所述滤波器为陷波滤波器，所述滤波器的传递函数为
Figure BDA0003244515790000041
其中，ω1＝2πf1，ω2＝2πf2，f1、f2为中心频率，ξ1、ξ2为阻尼系数；当转速计算的叶片通过频率在滤波设定带宽范围之内，中心频率保持不变；超出设定带宽范围则更新中心频率。在算法迭代过程中只调整中心频率f1，f2，阻尼系数ξ1，ξ2保持不变。
本方法的自适应滤波算法可以消除随着发电机转速变化而叶片通过频率也随之变化后带来的影响。本方法通过陷波滤波器的滤波效果影响范围(即滤波器的带宽)来改变中心频率，避免频繁改变滤波器的中心频率。
初始中心频率f1＝f2＝f0，带宽BW为：BW＝2*ξ2*f0；带宽频率影响范围为(fmin，fmax)，其中滤波器的衰减增益
Figure BDA0003244515790000042
Figure BDA0003244515790000044
ω0＝2·π·f0，fmin＝ωmin/2π，fmax＝ωmax/2π。以此来加大滤波器的衰减效益，提高滤波效果，减小滤波的影响范围。
具体的，以增益超过-10dB处为例，设置滤波器阻尼参数为ξ1＝0.02，ξ2＝0.2，根据-20lg(A(ω))＝-10和
Figure BDA0003244515790000043
计算出滤波器影响范围约为(f0-1/6BW，f0+1/6BW)。
S4、判断步骤S2中的滤波频率是否在频率影响范围内：
若滤波频率在频率影响范围内则保持滤波器的中心频率不变；
若滤波频率不在频率影响范围内则将滤波器的中心频率更新为步骤S2中计算的滤波频率，同时根据步骤S3重新计算频率影响范围。当转速计算的叶片通过频率在滤波设定带宽范围之内，中心频率保持不变；超出设定带宽范围则更新中心频率。
具体的，发电机的并网转速650rpm，额定转速1212rpm，齿轮箱传动比为120；对发电机转速在范围600rpm～1220rpm范围内时，对3倍频进行自适应滤波处理：
初始自适应滤波器的中心频率为f1＝f2＝f0＝0.25Hz，ξ1＝0.01,ξ2＝0.2。以增益超过-10dB处为例，其对应的滤波器影响范围是设置为(f0-1/6BW，f0+1/6BW)，即(0.233Hz,0.267Hz)。
若当前发电机转速为635rpm，则计算的3倍频为0.265Hz，在(0.233Hz,0.267Hz)范围内，则中心频率保持不变。
若当前发电机转速为680rpm，则计算的3倍频为0.283Hz，已超过设定带宽范围，则更新中心频率为f1＝f2＝f0＝0.283Hz，其滤波器影响范围是也自动设置为(0.264Hz,0.302Hz)。
将本发明方法应用及某风场后的，对比观察在小风3m/s～6m/s情况下，发电机转速在1100rpm～1200rpm范围内机组转速波动和振动情况，此时自适应频率器的中心频率f1＝f2＝f0仅设置为叶片通过频率的3倍频。在机组X风轮轴向方向振动情况，其测试结果如下：
下表1对比各特征量应用自适应滤波方法前后3倍频的幅度，从表中可知，应用本发明方法后3倍频处的幅度均有不同程度的衰减，从而降低在机组控中的响应程度，提高了机组运行稳定性。
表1各特征量3倍频幅度
Figure BDA0003244515790000051
Figure BDA0003244515790000061
风力发电机组在运行时，通过自适应滤波算法去滤除发电机转速中由于风不稳定性引起的变化的叶片通过频率，从而降低或消除该频率产生的转速波动或机组振动，提高机组运行的稳定性、可靠性。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (5)

1.一种风力发电机组的转速自适应滤波方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、获取风力发电机组的发电机转速；
S2、根据获取的发电机转速计算滤波频率；
S3、设置滤波器的初始中心频率，并根据初始中心频率计算滤波器的带宽，根据带宽设置滤波器的频率影响范围；
S4、判断步骤S2中的滤波频率是否在频率影响范围内：
若滤波频率在频率影响范围内则保持滤波器的中心频率不变；
若滤波频率不在频率影响范围内则将滤波器的中心频率更新为步骤S2中计算的滤波频率，同时根据步骤S3重新计算频率影响范围。
2.根据权利要求1所述的风力发电机组的转速自适应滤波方法，其特征在于，步骤S4后还包括，重复获取发电机转速，根据发电机的转速变化即时更新滤波器的中心频率。
3.根据权利要求1所述的风力发电机组的转速自适应滤波方法，其特征在于，步骤S2中，所述滤波频率的基准频率f＝n/(ratio*60)，其中n为发电机转速，ratio为齿轮箱传动比，所述滤波频率为基准频率的m倍，其中m为大于0的自然数。
4.根据权利要求3所述的风力发电机组的转速自适应滤波方法，其特征在于，所述m的取值为叶片数量的整数倍。
5.根据权利要求1所述的风力发电机组的转速自适应滤波方法，其特征在于，所述滤波器为陷波滤波器，所述滤波器的传递函数为
Figure FDA0003244515780000011
其中，ω1＝2πf1，ω2＝2πf2，f1、f2为中心频率，ξ1、ξ2为阻尼系数；
初始中心频率f1＝f2＝f0，带宽BW为：BW＝2*ξ2*f0；带宽频率影响范围为(fmin，fmax)，其中滤波器的衰减增益
Figure FDA0003244515780000012
，ω0＝2·π·f0，fmin＝ωmin/2π，fmax＝ωmax/2π。
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