CN116365581A

CN116365581A - 双馈风电机组故障穿越下的轴系扭振抑制方法及系统

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Publication number: CN116365581A
Application number: CN202310067380.XA
Authority: CN
Inventors: 丁磊; 史文轩; 王志浩; 杨靖; 法拉蒂尔
Original assignee: Shandong University; Zhejiang Windey Co Ltd
Current assignee: Shandong University; Zhejiang Windey Co Ltd
Priority date: 2023-01-16
Filing date: 2023-01-16
Publication date: 2023-06-30
Anticipated expiration: 2043-01-16
Also published as: CN116365581B

Abstract

本发明公开了一种双馈风电机组故障穿越下的轴系扭振抑制方法及系统，包括：获取双馈风电机组进入故障穿越状态时，故障前发电机输出的有功功率，故障后有功功率的跌落幅度以及发电机转速；对发电机转速进行带通滤波，然后计算发电机转速对时间的微分；电网故障清除后，以k(t)每秒的速率对发电机有功功率进行恢复，其中，k(t)的值根据当前时刻、故障后有功功率的跌落幅度、轴系扭振周期以及发电机转速对时间的微分共同确定。本发明通过合理选择故障清除后双馈机组有功恢复的时间段，可以加快有功恢复速率，使双馈风电机组在电网故障清除后的较短时间内就能将有功恢复到正常值，同时对轴系扭振产生抑制作用。

Description

双馈风电机组故障穿越下的轴系扭振抑制方法及系统

技术领域

本发明涉及双馈风电机组技术领域，尤其涉及一种双馈风电机组故障穿越下的轴系扭振抑制方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

双馈风电机组目前被广泛应用于风力发电领域，其发电机与风轮间一般通过齿轮箱连接，具有较大的柔性，容易在系统动态过程中出现传动链轴系的低频扭转振荡问题。风电并网标准要求双馈风电机组应具备故障穿越能力，即在电网故障期间保持不脱网运行。在电网故障发生后，双馈风电机组的电磁转矩会瞬间跌落，其会引发较大的轴系扭振，严重影响其安全运行；同时会由于载荷安全问题减缓其在故障清除后的有功恢复过程，影响系统的频率稳定性。因此需采取一定措施对双馈风电机组故障穿越下的轴系扭振进行抑制，并同时弱化或破除载荷安全问题对有功恢复的约束。

目前提出的关于双馈风电机组的轴系扭振抑制的方法，其基本思路大多是在主控系统原有电磁转矩参考值的基础上叠加一个补偿值以增加轴系阻尼，获取补偿值的原理各不相同。但这类方法在应对故障穿越时，所能提供的阻尼大小受到控制系统稳定性等因素的约束，且所需时间也较长，因此对轴系安全性和电网频率稳定性的提升是较为有限的。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种双馈风电机组故障穿越下的轴系扭振抑制方法及系统，将扭振抑制问题转化为如何抑制暂态能量的问题；在扭角暂态值为正的时间段内恢复电磁转矩，从而抑制暂态能量，可以在抑制扭振和加快有功功率恢复速度两方面都取得较好的控制效果。

根据本发明的第一个方面，公开了一种双馈风电机组故障穿越下的轴系扭振抑制方法，包括：

获取双馈风电机组进入故障穿越状态时，故障前发电机输出的有功功率，故障后有功功率的跌落幅度以及发电机转速；

对发电机转速进行带通滤波，然后计算发电机转速对时间的微分；

电网故障清除后，以k(t)每秒的速率对发电机有功功率进行恢复，其中，k(t)的值根据当前时刻、故障后有功功率的跌落幅度、轴系扭振周期以及发电机转速对时间的微分共同确定。

当检测到发电机输出的有功功率恢复正常后，双馈风电机组退出故障穿越状态，进入正常运行状态。

作为一种具体的方案，k(t)的值具体为：

k(t)＝max{k₁(t),k₂(t)}

其中，P₀为故障前发电机输出的有功功率，t₀为电网故障清除的时刻，t₁为设定的常数，t₁的取值范围为0.15～0.2秒；ΔP_s为故障后发电机有功功率的跌落幅度，

为发电机转速对时间的微分，t_shaft为轴系扭振周期。

根据本发明的第二个方面，公开了一种双馈风电机组故障穿越下的轴系扭振抑制系统，包括：

数据获取模块，用于获取双馈风电机组进入故障穿越状态时，故障前发电机输出的有功功率，故障后有功功率的跌落幅度以及发电机转速；

数据处理模块，用于对发电机转速进行带通滤波，然后求发电机转速对时间的微分；

有功功率恢复模块，用于电网故障清除后，以k(t)每秒的速率对发电机有功功率进行恢复，其中，k(t)的值根据当前时刻、故障后有功功率的跌落幅度、轴系扭振周期以及发电机转速对时间的微分共同确定。

状态转换模块，用于在检测到发电机输出的有功功率恢复正常后，双馈风电机组退出故障穿越状态，进入正常运行状态。

根据本发明的第三个方面，公开了一种终端设备，其包括处理器和存储器，处理器用于实现指令；存储器用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行上述的双馈风电机组故障穿越下的轴系扭振抑制方法。

根据本发明的第四个方面，公开了一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行上述的双馈风电机组故障穿越下的轴系扭振抑制方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明通过合理选择故障清除后双馈机组有功恢复的时间段，可以加快有功恢复速率，使双馈风电机组在电网故障清除后的较短时间内就能将有功恢复到正常值，在这个过程中同时对轴系扭振产生抑制作用，可以提高双馈风电机组在故障穿越下的载荷安全性和频率支撑能力。

本发明的其他特征和附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本方面的实践了解到。

附图说明

图1为本发明实施例中的双馈风电机组轴系模型示意图；

图2为本发明实施例中的双馈风电机组故障穿越期间电磁转矩给定值示意图；

图3为本发明实施例中的轴系扭矩的振荡示意图；

图4为本发明实施例中的暂态能量及其分解示意图；

图5为本发明实施例中的仿真拓扑图；

图6(a)-(c)分别为无附加控制和本实施例控制方法下的轴系扭矩、发电机转速和有功输出对比图；

图7为无附加控制和本实施例控制方法下的暂态能量的抑制效果图；

图8为本实施例控制方法在轻微故障下的控制效果图；

图9为本实施例双馈风电机组故障穿越下的轴系扭振抑制方法过程图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一

在一个或多个实施方式中，公开了一种双馈风电机组故障穿越下的轴系扭振抑制方法，包括如下过程：

对发电机转速进行带通滤波，然后求发电机转速对时间的微分；

作为具体的示例，本实施例通过简化模型进行双馈风电机组传动链轴系动态的分析和控制系统的验证。简化模型主要包括单质量块模型、两质量块模型和多质量块模型。由于两质量块模型能反映轴系的扭振动态且精度满足要求，可选取该模型为研究对象，如图1所示。该模型中包含风轮和发电机两个质量块，以及一个具有弹簧阻尼特性并连接质量块的柔性轴。

描述该模型的状态方程为式(1)。其中，T_t、T_g分别为风轮气动转矩和发电机电磁转矩；θ_t、θ_g分别为风轮和发电机转子的角度位移；ω_t、ω_g分别为风轮和发电机转子的角速度；J_t、J_g分别为风轮和发电机的转动惯量；T_shaft为轴系扭矩；K为轴系等效弹性系数；D为轴系等效阻尼系数。以上各物理量均折算到低速轴侧。

故障穿越时，双馈风电机组轴系扭振的主要激发源是电磁转矩的波动。按“无功优先”的原则，主控系统电磁转矩给定值在故障穿越时会发生跌落，故障清除后按某一斜率恢复到故障前的水平，如图2所示。

在电磁转矩波动的冲击下，双馈风电机组轴系出现不平衡转矩，引发长时间自然振荡频率主导的扭振，轴系扭矩也发生振荡，如图3所示。

定义扭振观测量：扭角θ_s＝θ_t-θ_g，扭转速度ω_s＝ω_t-ω_g。扭振观测量和模型的各状态量的动态响应均可看作由稳态值和暂态值叠加而成。其中，稳态值表示输入转矩不变时经过足够长时间系统达到稳态时的状态值。根据状态方程和相关动力学定理的推导，可得到各个量的稳态值和暂态值。分别如下所示。

式(2)分别为扭角θ_s的稳态值

和暂态值/>

式(3)分别为两个质量块的稳态转速

风轮质量块的暂态转速/>

发电机质量块的暂态转速/>

此外扭转速度ω_s自身是一个暂态值。轴系扭振过程中，以上各暂态值均在0附近振荡。

轴系扭振是在稳态基础上发生的暂态过程，伴随了轴上不同形式的机械能量的互相转化。在轴系主视角即稳态转速参考系下，定义这部分参与互相转化的能量为暂态能量，其物理意义为：传动链由于处于暂态过程所额外具有的能量。暂态能量由暂态动能和暂态势能两部分组成，其中暂态动能表示稳态转速参考系下两个质量块的动能之和，暂态势能表示外力矩和轴系扭矩弹性分量的储能和做功效应。以上具体表式为式(4)。

式中，E_k为暂态动能；E_p为暂态势能；E为暂态能量。

图4为暂态能量从激发到衰减的过程，可见暂态动能与势能处在互相转化的过程中，暂态能量作为二者之和，可作为用于衡量轴系扭振强度的指标。换言之，研究轴系的扭振抑制，可以转化为一个如何抑制暂态能量的问题。

故障穿越环节，电磁转矩经历跌落和恢复两个过程，以下分别阐述这两个过程对暂态能量的影响。

假设故障前系统处于稳态；故障发生时，电磁转矩输出跌落ΔT_g。经推导，电磁转矩跌落动作所激发的暂态能量为：

所激发的暂态能量值与电磁转矩跌落幅度的平方成正比。

电磁转矩的恢复过程，同样会对暂态能量产生影响。可将暂态能量写为3个自变量的函数：

根据状态方程(1)和扭角稳态暂态值方程(2)可得有关ω_s、θ_s的微分方程为：

可得，当电磁转矩以斜率k(k>0)恢复时，暂态能量对时间的导数为：

式(8)的第一项表示阻尼力矩消耗暂态能量的功率。第二项表示电磁转矩斜坡恢复的激励作用：其对暂态能量的增减效果与扭角暂态值

的大小以及恢复速率k成正比；当

大于0时，电磁转矩恢复令暂态能量减小；当/>

小于0时，电磁转矩恢复令暂态能量增大。

上述过程可以得出：电磁转矩恢复对暂态能量的影响取决于系统状态。因此如果考虑充分利用这一特性，尽可能地通过恢复电磁转矩来抑制暂态能量，则可以在抑制扭振和加快有功功率恢复速度两方面取得较好的控制效果。

在扭角暂态值为正的时间段内恢复电磁转矩是比较理想的，但由于扭角暂态值是一个计算值且比较小，难以直接获取，可以通过测量发电机转速来间接获取。

结合式(3)、(7)，并考虑到轴系参数

可将扭角暂态值近似表示为：

因此，

的正负可用/>

的正负来表示。

基于此，本实施例的基于电磁转矩恢复时间选择的双馈风电机组故障穿越下加快有功恢复的扭振抑制方法，在双馈风电机组已有的故障穿越控制逻辑的基础上，改变其在电网故障清除后对有功出力的控制方式，结合图9，具体步骤如下：

(1)电网故障发生后，双馈风电机组进入故障穿越状态，此时检测记录故障前发电机输出的有功功率P₀和故障后有功功率的跌落幅度ΔP_s，并持续检测发电机转速ω_g。

(2)对发电机转速ω_g进行带通滤波，得到

然后采取一定的方法求其对时间的微分/>

(比如通过高通滤波)。

(3)检测到电网故障在t₀时刻清除后：

设置

其中t₁建议取值为0.15～0.2秒；

设置

其中t_shaft为轴系扭振周期，由机组参数决定。

(4)取k(t)＝max{k₁(t),k₂(t)}。

(5)电网故障清除后，实时计算k(t)值，并以k(t)每秒的速率对发电机有功功率P_rec进行恢复。

(6)在有功功率恢复过程的任意时刻，若满足P_rec≥P₀，则结束上述恢复过程，退出故障穿越状态，机组切换至正常运行状态。

本实施例方法在检测到故障清除后，产生两个有功的恢复速率。其中k₁(t)立即使有功恢复一小部分，忽略载荷安全约束以应对有功轻微跌落的故障，对有功严重跌落故障的载荷安全威胁也在可控范围之内；k₂(t)使有功在发电机转速微分值为正的时间段内恢复，恢复时长约为半个振荡周期，该过程对轴系扭振产生抑制作用。取k₁(t)与k₂(t)的最大值作为实际恢复速率。任何时刻有功输出达到正常值时退出该控制过程，进入机组的正常运行状态。

本实施例在DIgSILENTPowerFactory平台上搭建某型2.5MW双馈风力发电机组故障穿越测试仿真模型，加入提出的快速扭振抑制策略，对比分析轴系的响应特性，以验证控制策略的效果。双馈风电机组的参数如表1所示，仿真网络拓扑图如图5所示。

表1双馈风电机组参数

故障发生前双馈风电机组的功率输出越大，故障导致的有功跌落越深，穿越过程中的扭振程度就越强。为验证策略在极端情况下的控制效果，将运行风速设置为13.7m/s，此时风电机组功率输出达到额定值。在第5s时，变压器高压侧出口处发生三相短路故障，为尽量输出无功以进行电压支撑，发电机的有功输出跌落至0。故障持续时间为600ms。

图6(a)-图6(c)所示为故障穿越下控制策略的轴系扭矩、发电机转速和有功输出对比，其中虚线代表无附加控制策略，实线代表本实施例快速扭振抑制策略。未附加控制策略时，轴系欠阻尼特性表现明显，扭振长时间持续发生，发电机转速快速升高且振荡。实线与虚线对比可得，所提策略使扭振的程度、持续时间以及扭矩、转速的最大值都明显降低，有功恢复速率显著提高。

对仿真动态过程进行数据统计分析，并对传动链轴系转矩用雨流计数法处理后得到当量等效疲劳转矩(S-N曲线取10)，统计结果如表2所示。表2显示，通过附加快速扭振抑制控制策略，轴系最大扭矩降低了16.52％，轴系疲劳扭矩降低了67.63％，发电机最大转速降低了1.42％，有功输出恢复到故障前90％所用的时间降低了59.74％。

表2仿真结果对比

图7所示为两种情况下轴系的暂态能量的变化。可以看到，在电压跌落瞬间，由于电磁转矩跌落，暂态能量均大幅上升；在电压恢复的瞬间，由于控制模式切换导致电磁暂态的扰动，使两种情况下的暂态能量小幅上升，增幅基本相同；在有功恢复阶段，快速扭振抑制策略大大加快了暂态能量的下降速率，使其在较短时间内迅速降低到接近0的水平。

在有功跌落程度较低的轻微故障情况下，通过控制环节1在故障清除后快速恢复，以保证频率稳定性。图8为应用本实施例策略的有功跌落15％的测试结果，故障持续时间为1200ms。由于跌落幅度低，所引起的扭振程度有限，本策略保证了轻微故障下恢复的快速性，同时并没有引起扭振程度的扩大。

本实施例方法针对双馈风电机组在故障穿越下出现传动链轴系扭振，威胁载荷安全，并减缓有功恢复，不利于频率稳定性的问题，通过合理选择故障清除后双馈机组有功恢复的时间段，可以加快有功恢复速率，使双馈风电机组在电网故障清除后的较短时间内就能将有功恢复到正常值，在这个过程中同时对轴系扭振产生抑制作用。因此该方法可以提高双馈风电机组在故障穿越下的载荷安全性和频率支撑能力。

实施例二

在一个或多个实施方式中，公开了一种双馈风电机组故障穿越下的轴系扭振抑制系统，包括：

需要说明的是，上述各模块的具体实现方式与实施例一中相同，此处不再详述。

实施例三

在一个或多个实施方式中，公开了一种终端设备，包括服务器，所述服务器包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现实施例一中的双馈风电机组故障穿越下的轴系扭振抑制方法。为了简洁，在此不再赘述。

应理解，本实施例中，处理器可以是中央处理单元CPU，处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器DSP、专用集成电路ASIC，现成可编程门阵列FPGA或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。

在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。

实施例四

在一个或多个实施方式中，公开了一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行实施例一中的双馈风电机组故障穿越下的轴系扭振抑制方法。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims

1.一种双馈风电机组故障穿越下的轴系扭振抑制方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的一种双馈风电机组故障穿越下的轴系扭振抑制方法，其特征在于，还包括：当检测到发电机输出的有功功率恢复正常后，双馈风电机组退出故障穿越状态，进入正常运行状态。

3.如权利要求1所述的一种双馈风电机组故障穿越下的轴系扭振抑制方法，其特征在于，检测到发电机输出的有功功率恢复正常后，在设定时间内按照设定的速率恢复有功功率。

4.如权利要求1所述的一种双馈风电机组故障穿越下的轴系扭振抑制方法，其特征在于，通过发电机转速对时间的微分值的正负来表示扭角暂态值的正负；检测到发电机输出的有功功率恢复正常后，使发电机有功功率在发电机转速对时间的微分值为正的时间段内恢复到正常值。

5.如权利要求1所述的一种双馈风电机组故障穿越下的轴系扭振抑制方法，其特征在于，k(t)的值具体为：

k(t)＝max{k₁(t),k₂(t)}

其中，P₀为故障前发电机输出的有功功率，t₀为电网故障清除的时刻，t₁为设定的常数，ΔP_s为故障后发电机有功功率的跌落幅度，

为发电机转速对时间的微分，t_shaft为轴系扭振周期。

6.如权利要求5所述的一种双馈风电机组故障穿越下的轴系扭振抑制方法，其特征在于，t₁的取值范围为0.15～0.2秒。

7.一种双馈风电机组故障穿越下的轴系扭振抑制系统，其特征在于，包括：

8.如权利要求7所述的一种双馈风电机组故障穿越下的轴系扭振抑制系统，其特征在于，还包括：

9.一种终端设备，其包括处理器和存储器，处理器用于实现指令；存储器用于存储多条指令，其特征在于，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求1-7任一项所述的双馈风电机组故障穿越下的轴系扭振抑制方法。

10.一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，其特征在于，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行权利要求1-7任一项所述的双馈风电机组故障穿越下的轴系扭振抑制方法。