用于抑制风电机组扭振的扭转载荷控制器及控制方法技术

本发明专利技术提供了一种用于抑制风电机组轴系扭振的扭转载荷控制器及控制方法，该控制器以扭转角速度作为反馈量，扭转角速度的给定是一个与风轮转速和风轮加速度相关的量，二者的偏差通过PI调节器，并经过限幅后作为控制器输出，控制器输出叠加在发电机转矩给定上，其中对扭转载荷控制器中的PI调节器的参数进行了设计，对扭振抑制中扭转角速度的目标给定进行了优化设计。本发明专利技术可行性高、应用性强，并能一定程度上加快最大功率跟踪。

【技术实现步骤摘要】
用于抑制风电机组扭振的扭转载荷控制器及控制方法
本专利技术涉及风力发电领域，具体地，涉及一种用于抑制风电机组轴系扭振的扭转载荷控制器及控制方法。
技术介绍
风速具有不可控、间断、随机性，导致风力机出力不可控、存在波动，此外由于受到风剪切和塔影效应的影响，风在整个风轮扫略面积内不是均匀分布的，这也会导致风力机出力的周期性脉动，激发轴系扭振；另一方面，高低电压故障带来的电磁暂态在机电耦合作用下也可能会激发轴系振荡。风力机传动系统(包括齿轮箱、传动轴和法兰环)是风力发电中传输能量重要的一环，由于其固有的欠阻尼特性，扭转振荡很容易被激发，一方面长期的扭振会积累轴系的疲劳载荷，影响传动系统寿命，另一方面，振荡会导致PCC点功率波动，如果得不到有效抑制甚至会导致机组转速失稳，影响电力系统稳定性。水平轴风力机不可避免的受到风剪切和塔影效应的影响，由此造成的风力机气动转矩周期性脉动是风电机组正常运行中的主要扭振激发源之一，若扭振激发源无法改变，扭振抑制可从降低模态之间的耦合度和增加虚拟阻尼两方面入手。前者从扭振激发难易度的角度考虑，后者从振幅衰减角度考虑。合理的机组自身的控制策略能为轴系提供一定的电气阻尼，如果改变有限就需要借助辅助控制策略。一种方法是降低扭振模态和风力机出力波动模态之间的耦合度，如增加阻尼滤波器的方法(如：邢作霞,刘颖明,郑琼林,等.基于阻尼滤波的大型风电机组柔性振动控制技术[J].太阳能学报,2008,29(11):1425-1431.)；另一种方法则是通过反馈控制增加阻尼转矩，根据采用的反馈量不同及控制策略的不同已有多种方案，如采用H-∞观测器观测轴系扭矩并以其作为反馈量，并采用H-∞控制器抑制发电机组轴系扭振的方法(Morinaga,S.；Funabashi,T.TorsionalvibrationsuppressionofthePMSG-basedwindturbinegeneratorusingH∞observer[J].FutureEnergyElectronicsConference(IFEEC),20131stInternational:880-884.)；从能流角度出发以直流母线电流作为反馈变量设计阻尼转矩控制器的方案(HuaGeng；Xu,D.；BinWu；GengYang.ActiveDampingforPMSG-BasedWECSWithDC-LinkCurrentEstimation[J].IndustrialElectronics,IEEETransactionson.,Vol58,2011:1110-1119.)；以柔性轴扭转角速度作为反馈量，设计自抗扰控制器的方案(姚兴佳，王晓东，单光坤，刘姝.双馈风电机组传动系统扭振抑制自抗扰控制[J].电工技术学报,Vol.27No.1,Jan2012:136-141)，等等。上述技术中与本专利技术相近似的方案是以柔性轴扭转角速度作为反馈量的自抗扰控制方案，该方案考虑了风电机组传动系统中非线性不确定因素的影响，设计了一种扭振抑制自抗扰控制器，将传动系统中的非线性不确定因素作用和外界扰动归结为系统总扰动，通过扩张状态观测器进行实时估计总扰动，并在发电机转矩控制中给予补偿。但现有技术没有同时能增加轴系阻尼和避免轴系与其他模态耦合的控制策略。如果扭转载荷控制器可以从增加阻尼和避免模态耦合两方面入手，理论上可以预期获得更好的轴系扭振抑制效果，在现有的技术上需要两个独立的控制器配合实现，可能需要借助多个反馈变量，且存在控制器参数增多、参数调节难度大以及多个控制器的限幅问题。此外现有技术由于没有充分考虑轴系特性，控制目标设定没有充分考虑，在实际情况中受发电机出力限制可能导致扭转载荷控制器输出被限幅而无法响应轴系扭振。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种用于抑制发电机组轴系扭振的扭转载荷控制器及其控制方法，本专利技术提高了风力机转速减小的响应速度，使得风力机提前进入新的最大功率运行点。根据本专利技术的一个方面，提供一种用于抑制风电机组轴系扭振的扭转载荷控制器，所述控制器以扭转角速度作为反馈量，扭转角速度的给定是一个与风轮转速和风轮加速度相关的量，二者的偏差通过PI调节器作为控制器输出，控制器输出经过限幅后作为发电机转矩给定的一部分叠加在最优转矩控制器上。所述扭转载荷控制器包括如下模块：输入模块，其用于获取两个转动质量块的转速ωt和ωg；处理模块，其用于根据ε＝ωt-ωg计算扭转角速度ε；根据公式计算扭转角速度给定ε*；确定PI调节器参数；并根据公式Tdamp＝kp(ε*-ε)+ki∫(ε*-ε)dt计算控制器输出；输出模块，其用于扭转载荷控制器的限幅和输出，其中限幅考虑了扭转载荷控制器不影响机组正常运行的大前提及变流器与发电机容量的限制，输出的数据叠加在发电机转矩给定上。具体的，反馈量是控制器的输入量，本专利技术中反馈量取为扭转角速度，该反馈量能反映传动系统扭振的特征，可以通过检测风轮和发电机的角速度差获得。控制目标的给定充分考虑了风速一定时间尺度持续变化时传动系统的动态特性，使得控制器在限幅输出值内对轴系扭振做出有效响应。PI调节器是控制器的核心，其比例部分能为系统增加额外的虚拟阻尼，从而抑制扭振并加速扭振衰减，积分部分能改变传动系统等效刚度，从而改变扭振固有频率，当固有频率远离与其它模态耦合的频率时，扭振相对不容易被激发，按照以下方法设计PI调节器的参数kp、ki(也是扭转载荷控制器的参数)即可以从增加虚拟阻尼和降低模态耦合程度两方面抑制扭振，其中kp项通过改变传动系统的等效阻尼系数beq发挥作用，ki项通过改变传动系统的等效刚度系数keq发挥作用。根据本专利技术的另一个方面，提供一种用于抑制风电机组扭振的控制方法，所述方法通过附加的发电机转矩控制抑制发电机组轴系扭振，控制器以柔性轴的扭转角速度为反馈量，与设计的扭转角速度给定做差并通过比例积分控制器产生所需的附加转矩，附加转矩经过限幅与发电机最优转矩控制的给定相加作为发电机实际的转矩给定，从而对轴系扭振做出响应。为了不影响机组正常发电运行对附加转矩进行了限幅。所述控制方法具体实现如下：采用转矩环，以实现风力机最大功率跟踪的最优转矩给定Topt和扭转载荷控制器输出Tdamp之和作为发电机转矩给定值，转矩环以PI作为调节器，输出为定子电流q轴分量给定isq*；其中：所述扭转载荷控制器中的PI调节器参数借助传动系统参数和机组Campbell图进行设计，具体步骤如下：步骤1、将传动系统等效为两质量块模型；步骤2、从避免模态耦合引发共振的角度配置等效刚度；步骤3、根据传递函数确定所关注频段内满足幅值增益的等效阻尼beq和等效刚度keq：步骤4、配置扭转载荷中PI调节器的参数；步骤5、设计PI调节器，并将扭转载荷控制器输出Tdamp限幅后叠加在风力机正常运行控制中的转矩给定上。优选地，步骤1中，具体的：对于永磁直驱机组，可以得到一个自然的两个质量块模型，两个质量块分别是风轮转动惯量Jt和发电机转动惯量Jg；对于双馈机组，考虑到实际情况中高速轴刚度远大于低速轴刚度，其固有频率也远大于低速轴的固有频率，因此在发电机转动惯量上添加齿轮箱转动惯量得到新的Jg，并通过式(1)所示平行轴刚度计算方法计算本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于抑制风电机组轴系扭振的扭转载荷控制器，其特征在于，所述控制器以扭转角速度作为反馈量，扭转角速度的给定是一个与风轮转速和风轮加速度相关的量，二者的偏差通过PI调节器并限幅后作为控制器输出，控制器输出作为发电机转矩给定的一部分叠加在其上。

【技术特征摘要】
1.一种用于抑制风电机组轴系扭振的扭转载荷控制器，其特征在于，所述控制器以扭转角速度作为反馈量，扭转角速度的给定是一个与风轮转速和风轮加速度相关的量，二者的偏差通过PI调节器并限幅后作为控制器输出，控制器输出作为发电机转矩给定的一部分叠加在其上；所述控制器，包括如下模块：输入模块，其用于获取两个转动质量块的转速ωt和ωg；处理模块，其用于根据ε＝ωt-ωg计算扭转角速度ε；根据公式计算扭转角速度给定ε*；确定PI调节器参数；并根据公式Tdamp＝kp(ε*-ε)+ki∫(ε*-ε)dt计算控制器输出；PI调节器的参数kp、ki分别用于改变传动系统的等效阻尼和等效刚度系数，Tdamp为扭转载荷控制器输出；Kopt为最优转矩系数，其中CP(λopt)为最大风能利用系数，λopt为最佳叶尖速比，ρ为空气密度，R为桨叶半径；为风轮角加速度；k为等效两质量块模型中传动轴的刚度系数，ωt是风轮转速；输出模块，其用于扭转载荷控制器的限幅和输出，输出的数据作为发电机转矩给定的一部分叠加在发电机转矩给定上。2.一种用于抑制发电机组轴系扭振的控制方法，其特征在于，所述方法采用转矩环，以实现风力机最大功率跟踪的最优转矩给定Topt和扭转载荷控制器输出Tdamp之和作为发电机转矩给定值，转矩环以PI作为调节器，输出为定子电流q轴分量给定isq*；其中：所述扭转载荷控制器中的PI调节器参数设计，具体步骤如下：步骤1、将传动系统等效为两质量块模型；步骤2、从避免模态耦合引发共振的角度配置等效刚度；步骤3、根据传递函数确定所关注频段内满足幅值增益和相角裕度的等效阻尼beq和等效刚度keq：步骤4、配置扭转载荷中PI调节器的参数；步骤5、设计扭转角速度的给定目标及PI调节器，并将控制器输出Tdamp限幅后叠加在风力机正常运行控制中的转矩给定上；即：Tdamp＝kp(ε*-ε)+ki∫(ε*-ε)dt(8)其中：k为等效两质量块模型中传动轴的刚度系数，ε*和ε分别是扭转角速度的给定和扭转角速度，ε＝ωt－ωg，ωt和ωg分别是风轮转速和发电机转速；扭转角速度的控制目标按照式(7)给定，其中Kopt为最优转矩系数，其中CP(λopt)为最大风能利用系数，λopt为最佳叶尖速比，ρ为空气密度，R为桨叶半径；为风轮角加速度；kp、ki分别用来改变传动系统的等效阻尼和等效刚度系数...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡旭，贾锋，高强，曹云峰，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31