CN115217714A - 一种基于转动惯量虚拟配置的风电轴系降载控制策略 - Google Patents

一种基于转动惯量虚拟配置的风电轴系降载控制策略 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于转动惯量虚拟配置的风电轴系降载控制策略，包括：先测试获取风电机组中发电机的物理转动惯量Jg，然后实时检测发电机转速ωg，降噪信号调理后得到ωg1，求取微分，最后按照式(1)添加附加的发电机转矩参考值：
Figure DDA0003514628000000011
式(1)中，
Figure DDA0003514628000000012
是原有常规控制下的发电机转矩参考值，
Figure DDA0003514628000000013
是最终输出的发电机转矩参考值。或先测试获取发电机的物理惯性时间常数和风力机惯性时间的常数比cH，然后在最终输出的发电机转矩参考值
Figure DDA0003514628000000014
上增加一个单位延迟环节，得到
Figure DDA0003514628000000015
以气动转矩Ta除以齿轮箱变速比ngb，随后与
Figure DDA0003514628000000016
的偏差乘以cH，最后按照式(2)添加附加的发电机转矩参考值：
Figure DDA0003514628000000017
式(2)中，
Figure DDA0003514628000000018
是原有常规控制下的发电机转矩参考值，
Figure DDA0003514628000000019
是最终输出的发电机转矩参考值。

Description

一种基于转动惯量虚拟配置的风电轴系降载控制策略
技术领域
本发明涉及风电控制领域，具体涉及一种基于转动惯量虚拟配置的风电轴系降载控制策略。
背景技术
近年来，现有的轴系主动阻尼只能较好的抑制轴系固有频率附近的扭振，对于持续性风速波动激发的宽频扭振不仅无效，甚至会产生负面效果。
中国专利CN202011374787.X公开了一种应对持续性风速激励下宽频受迫扭振的轴系电气阻尼虚拟配置方法，通过发电机转矩控制虚拟配置发电机电气阻尼，具体地，在变速段通过低通滤波降低中低频段轴系电气阻尼，在恒转速段通过降低转速环比例积分控制器的比例系数和增加低通滤波器降低轴系电气阻尼，可有效降低中低频段的轴系宽频受迫扭振。但该控制策略的设计需依赖完整的轴系参数，且参数整定依赖于经验；从扭振抑制效果来看，降载效果有限(测算降低疲劳损伤20％以内)，且无法覆盖风剪切和塔影效应激发的3P、6P、9P扭振分量。另外，这一控制仅改变发电机电气阻尼，对风电最大功率跟踪没有明显的提升效果。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于转动惯量虚拟配置的风电轴系降载控制策略。
本发明提供了一种基于转动惯量虚拟配置的风电轴系降载控制策略，在发电机转矩控制中施加转动惯量虚拟配置，使虚拟配置产生的发电机电气转动惯量与发电机物理转动惯量恰好相抵消时，最大化地抑制轴系宽频扭振，包括：先测试获取风电机组中发电机的物理转动惯量Jg，然后在应用过程中实时检测发电机转速ωg，对发电机转速ωg经降噪信号调理后得到ωg1，对ωg1求取微分，最后按照式(1)添加附加的发电机转矩参考值，即可实现控制，
Figure BDA0003514627980000021
式(1)中，
Figure BDA0003514627980000022
是原有常规控制下的发电机转矩参考值，
Figure BDA0003514627980000023
是最终输出的发电机转矩参考值。或先测试获取风电机组中发电机的物理惯性时间常数和风力机惯性时间的常数比cH，然后在最终输出的发电机转矩参考值
Figure BDA0003514627980000024
的基础上增加一个单位延迟环节，得到
Figure BDA0003514627980000025
以气动转矩Ta除以齿轮箱变速比ngb，随后与
Figure BDA0003514627980000026
的偏差乘以cH，最后按照式(2)添加附加的发电机转矩参考值，即可实现控制
Figure BDA0003514627980000027
式(2)中，
Figure BDA0003514627980000028
是原有常规控制下的发电机转矩参考值，
Figure BDA0003514627980000029
是最终输出的发电机转矩参考值。
在本发明提供的基于转动惯量虚拟配置的风电轴系降载控制策略中，还可以具有这样的特征：其中，常数比cH的确定方法为：分别测试发电机的物理惯性时间常数Hg和风力机惯性时间常数Ht，则cH＝Hg/Ht，式中Hg是以额定功率加速到发电机额定转速需要的时间，Ht是以机组额定功率加速到风力机额定转速需要的时间，则
Figure BDA0003514627980000031
在本发明提供的基于转动惯量虚拟配置的风电轴系降载控制策略中，还可以具有这样的特征：其中，气动转矩Ta的确定方法为采用传感器测量或观测器的方法获取。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的一种基于转动惯量虚拟配置的风电轴系降载控制策略，因为包括：先测试获取风电机组中发电机的物理转动惯量Jg，然后在应用过程中实时检测发电机转速ωg，对发电机转速ωg经降噪信号调理后得到ωg1，对ωg1求取微分，最后按照式(1)添加附加的发电机转矩参考值，即可实现控制，
Figure BDA0003514627980000032
式(1)中，
Figure BDA0003514627980000033
是原有常规控制下的发电机转矩参考值，
Figure BDA0003514627980000034
是最终输出的发电机转矩参考值。或先测试获取风电机组中发电机的物理惯性时间常数和风力机惯性时间的常数比cH，然后在最终输出的发电机转矩参考值
Figure BDA0003514627980000035
的基础上增加一个单位延迟环节，得到
Figure BDA0003514627980000036
以气动转矩Ta除以齿轮箱变速比ngb，随后与
Figure BDA0003514627980000037
的偏差乘以cH，最后按照式(2)添加附加的发电机转矩参考值，即可实现控制
Figure BDA0003514627980000038
式(2)中，
Figure BDA0003514627980000041
是原有常规控制下的发电机转矩参考值，
Figure BDA0003514627980000042
是最终输出的发电机转矩参考值。
因此，本发明通过发电机转矩控制对发电机转动惯量进行虚拟配置，通过理论分析，明确得出将发电机转动惯量虚拟配置为0(即完全抵消发电机自身转动惯量)对轴系宽频受迫扭振最为有利。因此具有以下几方面的技术效果：
首先控制器设计只取决于发电机自身转动惯量，且设计过程中发电机转动惯量虚拟配置多少是明确的，使用更加简单。
其次，经过专业仿真软件测试，本发明技术方案比现有技术专利CN202011374787.X的扭振抑制效果更加显著。
再次，本发明对于风剪切和塔影效应激发的3P、6P、9P扭振分量也具有很好的抑制效果。
再次，经过专业仿真软件测试，本发明技术方案可以与专利CN202011374787.X的方法叠加使用，并取得更优的控制效果。
最后，本发明可以降低发电机等效转动惯量，风电机组最大功率跟踪过程中对动态风速的动态跟踪性能更优，在降载的同时还可以提高发电量。
附图说明
图1是本发明的实施例1中不同Jg对
Figure BDA0003514627980000043
频率特性的影响图(Jg粗调)；
图2是本发明的实施例1中不同Jg对
Figure BDA0003514627980000051
频率特性的影响图(Jg在0附近细调)；
图3是本发明的实施例1中的基于转动惯量虚拟配置的风电轴系降载控制策略的控制器示意图；以及
图4是本发明的实施例2中基于转动惯量虚拟配置的风电轴系降载控制策略的控制器示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明一种基于转动惯量虚拟配置的风电轴系降载控制策略作具体阐述。
<实施例1>
在本实施例中，提供了一种基于转动惯量虚拟配置的风电轴系降载控制策略。
对于风电机组轴系，建立了表征风速扰动对轴系扭振影响的闭环传递函数
Figure BDA0003514627980000052
该传递函数的幅频响应表示不同频率下受迫扭振幅度与风速波动幅度之比。根据理论分析结果，当发电机转动惯量为0时，相同风速扰动下的轴系扭振最低，见图1和图2。
图1是本实施例中不同Jg对频率特性的影响图(Jg粗调)。
图2是本实施例中不同Jg对频率特性的影响图(Jg在0附近细调)。
图1和图2中，“1.0Jg”表示发电机转动惯量为原始值，其它值表示将发电机转动惯量改变为原始值的某一倍数。
以此为理论基础，设计本实施例的技术方案。由于实际发电机的转动惯量难以更改，本实施例通过发电机转矩控制的手段，虚拟的配置发电机转动惯量。具体方法如下：
图3是本实施例中的基于转动惯量虚拟配置的风电轴系降载控制策略的控制器示意图。
如图3所示，先测试获取风电机组中发电机的物理转动惯量Jg(单位kg*m2)，然后在应用过程中实时检测发电机转速ωg(单位rad/s)，对发电机转速ωg经降噪信号调理后得到ωg1，对ωg1求取微分，最后按照式(1)添加附加的发电机转矩参考值，即可实现控制，
Figure BDA0003514627980000061
式(1)中，
Figure BDA0003514627980000062
是原有常规控制下的发电机转矩参考值，
Figure BDA0003514627980000063
是最终输出的发电机转矩参考值。
<实施例2>
在实施例2中，提供了一种一种基于转动惯量虚拟配置的风电轴系降载控制策略。
本实施例中，基于实施例1中的理论基础，设计本实施例的技术方案。具体方法如下：
图4是本实施例中基于转动惯量虚拟配置的风电轴系降载控制策略的控制器示意图。
如图4所示，先测试获取风电机组中发电机的物理惯性时间常数和风力机惯性时间的常数比cH，然后在最终输出的发电机转矩参考值
Figure BDA0003514627980000071
的基础上增加一个单位延迟环节，得到
Figure BDA0003514627980000072
以气动转矩Ta(单位N*m)除以齿轮箱变速比ngb，随后与
Figure BDA0003514627980000073
的偏差乘以cH，最后按照式(2)添加附加的发电机转矩参考值，即可实现控制：
Figure BDA0003514627980000074
式(2)中，
Figure BDA0003514627980000075
是原有常规控制下的发电机转矩参考值，
Figure BDA0003514627980000076
是最终输出的发电机转矩参考值。
常数比cH的确定方法为：
分别测试发电机的物理惯性时间常数Hg和风力机惯性时间常数Ht，则cH＝Hg/Ht，式中Hg是以额定功率加速到发电机额定转速需要的时间，Ht是以机组额定功率加速到风力机额定转速需要的时间，则
Figure BDA0003514627980000077
气动转矩Ta的确定方法为采用传感器测量或观测器的方法获取。
实施例的作用与效果
根据实施例1～实施例2所涉及的一种基于转动惯量虚拟配置的风电轴系降载控制策略，因为包括：先测试获取风电机组中发电机的物理转动惯量Jg，然后在应用过程中实时检测发电机转速ωg，对发电机转速ωg经降噪信号调理后得到ωg1，对ωg1求取微分，最后按照式(1)添加附加的发电机转矩参考值，即可实现控制，
Figure BDA0003514627980000081
式(1)中，
Figure BDA0003514627980000082
是原有常规控制下的发电机转矩参考值，
Figure BDA0003514627980000083
是最终输出的发电机转矩参考值。或先测试获取风电机组中发电机的物理惯性时间常数和风力机惯性时间的常数比cH，然后在最终输出的发电机转矩参考值
Figure BDA0003514627980000084
的基础上增加一个单位延迟环节，得到
Figure BDA0003514627980000085
以气动转矩Ta除以齿轮箱变速比ngb，随后与
Figure BDA0003514627980000086
的偏差乘以cH，最后按照式(2)添加附加的发电机转矩参考值，即可实现控制
Figure BDA0003514627980000087
式(2)中，
Figure BDA0003514627980000088
是原有常规控制下的发电机转矩参考值，
Figure BDA0003514627980000089
是最终输出的发电机转矩参考值。
因此，上述实施例通过发电机转矩控制对发电机转动惯量进行虚拟配置，通过理论分析，明确得出将发电机转动惯量虚拟配置为0(即完全抵消发电机自身转动惯量)对轴系宽频受迫扭振最为有利。因此具有以下几方面的技术效果：
首先控制器设计只取决于发电机自身转动惯量，且设计过程中发电机转动惯量虚拟配置多少是明确的，使用更加简单。
其次，经过专业仿真软件测试，上述实施例技术方案比现有技术专利CN202011374787.X的扭振抑制效果更加显著。
再次，上述实施例对于风剪切和塔影效应激发的3P、6P、9P扭振分量也具有很好的抑制效果。
再次，经过专业仿真软件测试，上述实施例技术方案可以与专利CN202011374787.X的方法叠加使用，并取得更优的控制效果。
最后，上述实施例可以降低发电机等效转动惯量，风电机组最大功率跟踪过程中对动态风速的动态跟踪性能更优，在降载的同时还可以提高发电量。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于转动惯量虚拟配置的风电轴系降载控制策略，其特征在于，在发电机转矩控制中施加转动惯量虚拟配置，使虚拟配置产生的发电机电气转动惯量与发电机物理转动惯量恰好相抵消时，最大化地抑制轴系宽频扭振，包括：
先测试获取风电机组中发电机的物理转动惯量Jg，然后在应用过程中实时检测发电机转速ωg，对所述发电机转速ωg经降噪信号调理后得到ωg1，对所述ωg1求取微分，最后按照式(1)添加附加的发电机转矩参考值，即可实现控制，
Figure FDA0003514627970000011
式(1)中，
Figure FDA0003514627970000012
是原有常规控制下的发电机转矩参考值，
Figure FDA0003514627970000013
是最终输出的发电机转矩参考值，或
先测试获取风电机组中发电机的物理惯性时间常数和风力机惯性时间的常数比cH，然后在最终输出的发电机转矩参考值
Figure FDA0003514627970000014
的基础上增加一个单位延迟环节，得到
Figure FDA0003514627970000015
以气动转矩Ta除以齿轮箱变速比ngb，随后与所述
Figure FDA0003514627970000016
的偏差乘以cH，最后按照式(2)添加附加的发电机转矩参考值，即可实现控制
Figure FDA0003514627970000017
式(2)中，
Figure FDA0003514627970000018
是原有常规控制下的发电机转矩参考值，
Figure FDA0003514627970000019
是最终输出的发电机转矩参考值。
2.根据权利要求1所述的一种基于转动惯量虚拟配置的风电轴系降载控制策略，其特征在于：
其中，所述常数比cH的确定方法为：
分别测试发电机的物理惯性时间常数Hg和风力机惯性时间常数Ht，则cH＝Hg/Ht，
式中Hg是以额定功率加速到发电机额定转速需要的时间，Ht是以机组额定功率加速到风力机额定转速需要的时间，则
Figure FDA0003514627970000021
3.根据权利要求1所述的一种基于转动惯量虚拟配置的风电轴系降载控制策略，其特征在于：
其中，所述气动转矩Ta的确定方法为采用传感器测量或观测器的方法获取。
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