CN116988935B - 一种双馈感应风力发电机扭振抑制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双馈感应风力发电机扭振抑制系统及方法，属于风力发电技术领域。本发明的传动链模型包括风轮、传动轴和发电机，根据检测到的风轮转矩T m 和发电机转速n v 得到连接轴转矩T s ；阻尼控制单元根据检测的发电机转速n v 和发电机额定转速n N 的差生成附加转矩T k ，并将所述附加转矩T k 与电磁转矩T e 补偿至连接轴转矩T s 中，实现扭振与抑制。本发明能够实现对双馈感应风电系统轴系扭振的抑制，从而提高轴系动态稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种双馈感应风力发电机轴系扭振抑制系统及方法。
背景技术
传动系统是双馈风电机组中重要的一环，其连接风力机和发电机，起到传输机械功率和转速变比的作用。由于风电机组轴系是典型的欠阻尼系统，作用于轴系的气动转矩和电磁转矩的动态变化都可能激发轴系扭振，轴系振荡可能引起机组转速失稳，并会造成公共连接点功率波动，在风机故障造成的系统停机维护中，修复齿轮箱所需的停机维修时间最长，并且由此所付出的系统运行和维护代价也是极高的。
由于扭振的存在，会直接导致系统中出现谐振，使得电力传动系统无法正常工作，严重的甚至会造成设备的故障。同时，对于系统中的电机而言，谐振的出现，会使得电机的附加损耗和转矩增加，会直接影响到电机的使用寿命，因此，对扭振进行有效地抑制，是降低损耗、提高电机使用寿命的有效方法之一。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明第一方面提供了一种双馈感应风力发电机扭振抑制系统，包括：
传动链模型单元，包括传动链模型，所述传动链模型包括风轮、传动轴和发电机，根据检测到的风轮转矩Tm和发电机转速nv得到连接轴转矩Ts；
阻尼控制单元，用以根据检测的发电机转速nv和发电机额定转速nN的差生成附加转矩Tk，并将所述附加转矩Tk与电磁转矩Te补偿至连接轴转矩Ts中，实现扭振与抑制。
进一步的，所述附加转矩Tk为：
；
其中，Tk为附加转矩，KD为比例系数，TD为时间常数。
进一步的，所述传动链模型为二质量块模型。
进一步的，所述传动链模型单元包括：
风力机侧控制装置，用以根据风轮转矩Tm和连接轴转矩Ts生成风力机转速nm；
轴系控制装置，用以根据风力机转速nm得到连接轴转矩Ts；
发电机侧控制装置，用以根据所述连接轴转矩Ts、电磁转矩Te和附加转矩Tk生成发电机转速nv。
进一步的，所述传动链模型单元的传递函数为：
；
式中，Tm为风轮输入转矩；Tv为电机转子转矩；Ts为连接轴转矩；Ks为连接轴扭矩系数；Ds为连接轴阻尼系数；nv为电机转速；Jm为风轮转动惯量；Jv为电机转子转动惯量。
本发明第二方面提供了一种双馈感应风电机轴系扭振抑制方法，基于所述的双馈感应风电机轴系扭振抑制得到，包括如下步骤：
建立包括风轮、传动轴和发电机构成的传动链模型，根据检测到的风轮转矩Tm和发电机转速nv得到连接轴转矩Ts；
根据检测的发电机转速nv和发电机额定转速nN的差生成附加转矩Tk，并将所述附加转矩Tk与电磁转矩Te补偿至连接轴转矩Ts中，实现扭振与抑制。
进一步的，根据检测的发电机转速nv和发电机额定转速nN的差生成附加转矩Tk的方法为：
；
式中，KD，TD分别为微分环节的比例系数和时间常数。
本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明在传统的轴系控制系统中增加阻尼控制反馈环节，实时的转速差通过阻尼控制产生附加转矩，附加转矩反馈后与电磁转矩结合，通过调整电机转矩增量的幅值增强电气阻尼，使传动系统改变谐振点传递函数的幅值，进而达到抑制扭振幅值的阻尼效果。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1为本发明一具体实施例的传动系统轴系图；
图2为本发明一具体实施例的扭振抑制控制框图；
图3为本发明一具体实施例的双馈风机启动时两质量块的相对扭转角θ的变化曲线；
图4为本发明一具体实施例的双馈风机启动时有阻尼控制器两质量块的相对扭转角θ的变化曲线。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
为了阐释的目的而描述了本发明的一些示例性实施例，需要理解的是，本发明可通过附图中没有具体示出的其他方式来实现。
在一具体实施例中，提供了一种双馈感应风力发电机扭振抑制系统，包括传动链模型单元和阻尼控制单元。
所述传动链模型单元中，传动链模型为二质量块模型，如图1所示，包括风轮、传动轴和发电机，其控制原理图如图2所示，包括：
风力机侧控制装置，用以根据风轮转矩Tm和连接轴转矩Ts生成风力机转速nm；
轴系控制装置，用以根据风力机转速nm得到连接轴转矩Ts；
发电机侧控制装置，用以根据所述连接轴转矩Ts、电磁转矩Te和附加转矩Tk生成发电机转速nv。
根据图2，构建二质量块机电动力学模型中风轮转矩Tm与电机转子转速nv的传递函数为：
式中，Tm为风轮输入转矩；Tv为电机转子转矩；Ts为连接轴转矩；Ks为连接轴扭矩系数；Ds为连接轴阻尼系数；nv为电机转速；Jm为风轮转动惯量；Jv为电机转子转动惯量。
所述阻尼控制单元用以根据检测的发电机转速nv和发电机额定转速nN的差生成附加转矩Tk，并将所述附加转矩Tk与电磁转矩Te补偿至连接轴转矩Ts中，实现扭振与抑制。
基于上述实施例所述的一种双馈感应风力发电机扭振抑制系统，在一具体实施例中提供了一种双馈感应风力发电机扭振抑制方法，包括如下步骤：
根据二质量传动系统的谐振特性，将式（1）化成二阶振荡形式，得到谐振频率和谐振阻尼系数，对传递函数（1）求其模值，进而得到谐振峰值为：
可见，传递函数（1）得到的谐振峰值的大小与阻尼系数成反比关系，当阻尼系数大谐振的峰值小。
得到系统的谐振角频率，按下式确定：
得到系统的谐振阻尼系数，按下式确定：
计算谐振转矩放大倍数，即轴系在谐振时，连接轴转矩谐振幅值与电机转矩谐振幅值的比值，即谐振转矩放大倍数为：
式中，fr为系统谐振频率，可见所述谐振转矩放大倍数Ar与系统风力机转动惯量Jm、发电机转子转动惯量Jv、连接轴的弹性系数Ks、阻尼系数Ds以及系统的谐振频率fr相关。
根据检测的发电机转速nv和发电机额定转速nN的转速差生成附加转矩Tk，并将所述附加转矩Tk与电磁转矩Te叠加后，补偿至连接轴转矩Ts中。
本实施例中，对风轮转矩和发电机转子转速进行检测，获得风轮与发电机电角速度的瞬时扭转角速度差，获得的扭转转速差输入到轴系阻尼控制器中，有转速微分环节后，转矩给定的相位和幅值发生变化，因为在总转矩给定中，除原有的电机输出的Te外又增加了Tk。总转矩给定(Te+Tk)超前原给定Te的总滞后角减小及总转矩给定幅值加大，从而增大轴系电气阻尼。转速微分环节简单，抑制轴系扭振的效果好。所述附加轴系阻尼控制器传递函数为：
其中KD，TD分别为微分环节的比例系数和时间常数。
本发明利用风轮输入转矩与发电机转子转速及系统有功功率之间的耦合关系，通过在转矩反馈通道中增加加转速微分的电气阻尼控制，将附加转矩与传动链模型中的传动轴转矩叠加，减小了电机转矩幅值，实现了双馈感应风电系统轴系扭振的抑制，从而提高系统轴系动态稳定性，有效抑制轴系扭振幅度，延长机组使用寿命。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (3)
1.一种双馈感应风力发电机扭振抑制系统，其特征在于，包括：
传动链模型单元，包括传动链模型、风力机侧控制装置、轴系控制装置和发电机侧控制装置，所述传动链模型包括风轮、传动轴和发电机，所述传动链模型单元的传递函数为：
；
式中，T m 为风轮输入转矩；T v 为电机转子转矩；T s 为连接轴转矩；K s 为连接轴扭矩系数；D s 为连接轴阻尼系数；n v 为电机转速；J m 为风轮转动惯量；J v 为电机转子转动惯量；
所述风力机侧控制装置，用以根据风轮转矩T m 和连接轴转矩T s 生成风力机转速n m ；
所述轴系控制装置，用以根据风力机转速n m 得到连接轴转矩T s ；
所述发电机侧控制装置，用以根据所述连接轴转矩T s 、电磁转矩T e 和附加转矩T k 生成发电机转速n v ；
阻尼控制单元，用以根据检测的发电机转速n v 和发电机额定转速n N 的差生成附加转矩T k ，并将所述附加转矩T k 与电磁转矩T e 补偿至连接轴转矩T s 中，实现扭振与抑制；
所述附加转矩T k 为：
；
其中，T k 为附加转矩，K D 为比例系数，T D 为时间常数。
2.根据权利要求1所述一种双馈感应风力发电机扭振抑制系统，其特征在于，所述传动链模型为二质量块模型。
3.一种双馈感应风电机轴系扭振抑制方法，其特征在于，基于权利要求1-2任一权利要求所述的双馈感应风电机轴系扭振抑制系统实现，包括如下步骤：
建立包括风轮、传动轴和发电机构成的传动链模型；
根据风轮转矩T m 和连接轴转矩T s 生成风力机转速n m ；
根据风力机转速n m 得到连接轴转矩T s ；
根据所述连接轴转矩T s 、电磁转矩T e 和附加转矩T k 生成发电机转速n v ；
根据检测的发电机转速n v 和发电机额定转速n N 的差生成附加转矩T k ，并将所述附加转矩T k 与电磁转矩T e 补偿至连接轴转矩T s 中，实现扭振与抑制，所述附加转矩T k 的生成方法为：
；
式中，K D ，T D 分别为微分环节的比例系数和时间常数。
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