CN117767345A - 一种基于双馈感应风电机的轴系扭振抑制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双馈感应风电机的轴系扭振抑制方法及装置，涉及风力发电控制领域。本发明当扭振情况发生时，发电机转子的角频率ω_gen经过阻尼控制生成阻尼参考功率P_damp；阻尼参考功率P_damp、转子侧有功功率P和转子侧有功功率P^*叠加得到转子侧变流器回路的功率P_s经PI控制得到q轴电流给定值i^* _q；q轴电流给定值i^* _q与实时q轴电流i_q叠加后经PI控制得到q轴电压给定值u^* _q，q轴电压给定值u^* _q与q轴电压变化值Δu_q叠加后得到q轴控制电压信号u_q。本发明能够有效的抑制轴系扭振，延长风电机的使用寿命。

Description

一种基于双馈感应风电机的轴系扭振抑制方法及装置

技术领域

本发明涉及风力发电控制领域，尤其涉及一种基于双馈感应风电机的轴系扭振抑制方法及装置。

背景技术

传在双馈风力发电系统中，传动系是最关键的环节，它将风机与发电机联结在一起，承担着传递机械能、调速等任务。风力机轴系为一类典型的欠阻尼系统，其受到的气动力、电磁力矩的动态改变，将会诱发轴系扭振，从而导致机组转速不稳定，导致共同联接点功率波动，而齿轮箱的检修周期最长，导致系统运行、维护成本最高。

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，如何对扭振进行有效地抑制是亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何对轴系扭振进行有效抑制，降低损耗，延长风电机使用寿命。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于双馈感应风电机的轴系扭振抑制方法，基于发电机转子侧无功功率控制环实现，包括如下步骤：

当扭振情况发生时，发电机转子的角频率ω_gen经过阻尼控制生成阻尼参考功率P_damp；

所述阻尼参考功率P_damp、转子侧有功功率P和转子侧有功功率P^*叠加得到转子侧变流器回路的功率P_s，转子侧变流器回路的功率P_s经PI控制得到q轴电流给定值

q轴电流给定值与实时q轴电流i_q叠加后经PI控制得到q轴电压给定值/>q轴电压给定值/>与q轴电压变化值Δu_q叠加后得到q轴控制电压信号u_q。

进一步的，所述阻尼控制方法为：

其中，ω_c为截止频率，ζ为阻尼比，K为比例系数。

进一步的，所述转子侧变流器回路的功率P_s为：

进一步的，发电机转子的角频率ω_gen基于三质量块轴系模型得到，所述三质量块轴系模型中，质量块1为风轮，质量块2为齿轮箱，质量块3为发电机。

进一步的，所述三质量块轴系模型的动力模型为：

式中，T_m风轮输入转矩；T_e电机转子转矩；ω₁、ω₂、ω_gen分别为质量块1、2、3的角频率；K₁、K₂连接轴扭矩系数；D连接轴阻尼系数；J₁、J₂、J₃分别为质量块1、2、3转动惯量；θ₁、θ₂、θ₃分别为质量块1、2、3的旋转角电机转子转动惯量。

本发明第二方面提供了一种基于双馈感应风电机的轴系扭振抑制装置，包括：

阻尼控制模块，用以在扭振情况发生时，发电机转子的角频率ω_gen经过阻尼控制生成阻尼参考功率P_damp；

第一PI控制模块，用以将转子侧变流器回路的功率P_s进行PI控制得到q轴电流给定值所述转子侧变流器回路的功率P_s由所述阻尼参考功率P_damp、转子侧有功功率P和转子侧有功功率P^*叠加得到；

第二PI控制模块，用以将q轴电流给定值与实时q轴电流i_q叠加值进行PI控制得到q轴电压给定值/>所述q轴电压给定值/>与q轴电压变化值Δu_q叠加后得到q轴控制电压信号u_q。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

本发明在转子侧功率控制环中增加阻尼控制，当出现轴系扭振情况发生时，发电机转子的角频率作为输入信号，通过阻尼控制生成阻尼参考功率，阻尼参考功率叠加至转子侧有功功率和有功功率参考值中，有功功率经PI控制生成更新的电压控制信号，达到抑制扭振幅值的效果，进而能够降低电机损耗、延长风电机的使用寿命。

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原理图；

图2为本发明一具体实施例的阻尼控制器的控制框图。

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，提供了一种基于双馈感应风电机的轴系扭振抑制方法，基于发电机转子侧无功功率控制环实现，包括如下步骤：

S1、当扭振情况发生时，发电机转子的角频率ω_gen经过阻尼控制生成阻尼参考功率P_damp；

本实施例中，建立了双馈感应风电机轴系模型，所述轴系模型为三质量块模型，如图1所示，包括质量块1、质量块2和质量块3，所述质量块1为风轮，质量块2为齿轮箱，质量块3为发电机。

根据图1建立电气传动系统的三质量块机电动力学模型，动力学方程为：

式式中，T_m风轮输入转矩；T_e电机转子转矩；ω₁、ω₂、ω_gen分别为质量块1、2、3的角频率；K₁、K₂连接轴扭矩系数；D连接轴阻尼系数；J₁、J₂、J₃分别为质量块1、2、3转动惯量；θ₁、θ₂、θ₃分别为质量块1、2、3的旋转角电机转子转动惯量。

当发生扭振状况时，滤波器检测质量块3转速的变化，质量块3的角频率ω_gen作为输入信号，通过阻尼控制得到阻尼参考功率，所述阻尼控制过程为：

其中，ω_c为截止频率，ζ为阻尼比，K为比例系数。

S2、所述阻尼参考功率P_damp、转子侧有功功率P和转子侧有功功率P^*叠加得到转子侧变流器回路的功率P_s，转子侧变流器回路的功率P_s经PI控制得到q轴电流给定值

所述转子侧变流器回路的功率P_s为：

S3、q轴电流给定值与实时q轴电流i_q叠加后经PI控制得到q轴电压给定值/>q轴电压给定值/>与q轴电压变化值Δu_q叠加后得到q轴控制电压信号u_q，所述q轴控制电压信号u_q经系数K_em得到转矩T_em，转矩T_em输入三质量块传动系统中。

在一具体实施例中，提供了一种基于双馈感应风电机的轴系扭振抑制装置，用以实现上述轴系扭振抑制方法，包括：

阻尼控制模块，用以在扭振情况发生时，发电机转子的角频率ω_gen经过阻尼控制生成阻尼参考功率P_damp；

第一PI控制模块，用以将转子侧变流器回路的功率P_s进行PI控制得到q轴电流给定值所述转子侧变流器回路的功率P_s由所述参考功率P_damp、转子侧有功功率P和转子侧有功功率P^*叠加得到；

第二PI控制模块，用以将q轴电流给定值与实时q轴电流i_q叠加值进行PI控制得到q轴电压给定值/>所述q轴电压给定值/>与q轴电压变化值Δu_q叠加后得到q轴控制电压信号u_q。

上述实施例中的阻尼控制模块和PI控制模块可以通过软件程序实现，也可以通过硬件或软硬件结合的方式实现。

本发明在转子侧变流器的功率回路中加入了扭转阻尼器，为系统提供阻尼，发生扭振时，阻尼控制器通过里面的滤波器来检测发电机转速的动态变化，并生成阻尼信号，从而达到阻尼效果。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，通过在反馈通道加的电气阻尼控制，改变有功控制回路实现改变了电磁转矩的幅值，通过改变电机转矩幅值达到了扭振抑制效果，以实现对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。

所述滤波器为：

其中，ω_c为截止频率，ζ为阻尼比，K为比例系数。

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 (6)

1.一种基于双馈感应风电机的轴系扭振抑制方法，其特征在于，基于发电机转子侧无功功率控制环实现，包括如下步骤：

当扭振情况发生时，发电机转子的角频率ω_gen经过阻尼控制生成阻尼参考功率P_damp；

所述阻尼参考功率P_damp、转子侧有功功率P和转子侧有功功率P^*叠加得到转子侧变流器回路的功率P_s，转子侧变流器回路的功率P_s经PI控制得到q轴电流给定值

q轴电流给定值与实时q轴电流i_q叠加后经PI控制得到q轴电压给定值/>q轴电压给定值/>与q轴电压变化值Δu_q叠加后得到q轴控制电压信号u_q。

2.根据权利要求1所述一种基于双馈感应风电机的轴系扭振抑制方法，其特征在于，所述阻尼控制方法为：

其中，ω_c为截止频率，ζ为阻尼比，K为比例系数。

3.根据权利要求1所述一种基于双馈感应风电机的轴系扭振抑制方法，其特征在于，所述转子侧变流器回路的功率P_s为：

P_s＝P^*-P+P_damp。

4.根据权利要求1所述一种基于双馈感应风电机的轴系扭振抑制方法，其特征在于，发电机转子的角频率ω_gen基于三质量块轴系模型得到，所述三质量块轴系模型中，质量块1为风轮，质量块2为齿轮箱，质量块3为发电机。

5.根据权利要求4所述一种基于双馈感应风电机的轴系扭振抑制方法，其特征在于，所述三质量块轴系模型的动力模型为：

式中，T_m风轮输入转矩；T_e电机转子转矩；ω₁、ω₂、ω_gen分别为质量块1、2、3的角频率；K₁、K₂连接轴扭矩系数；D连接轴阻尼系数；J₁、J₂、J₃分别为质量块1、2、3转动惯量；θ₁、θ₂、θ₃分别为质量块1、2、3的旋转角电机转子转动惯量。

6.一种基于双馈感应风电机的轴系扭振抑制装置，其特征在于，包括：

阻尼控制模块，用以在扭振情况发生时，发电机转子的角频率ω_gen经过阻尼控制生成阻尼参考功率P_damp；

第一PI控制模块，用以将转子侧变流器回路的功率P_s进行PI控制得到q轴电流给定值所述转子侧变流器回路的功率P_s由所述阻尼参考功率P_damp、转子侧有功功率P和转子侧有功功率P^*叠加得到；

第二PI控制模块，用以将q轴电流给定值与实时q轴电流i_q叠加值进行PI控制得到q轴电压给定值/>所述q轴电压给定值/>与q轴电压变化值Δu_q叠加后得到q轴控制电压信号u_q。