[发明专利]用于抑制风电机组扭振的扭转载荷控制器及控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及风力发电领域，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。

背景技术

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.Torsional vibration suppression of the PMSG-based wind turbine generator using H∞observer[J].Future Energy Electronics Conference(IFEEC),20131st International: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(Hua Geng；Xu,D.；Bin Wu；Geng Yang.Active Damping for PMSG-Based WECS With DC-Link Current Estimation[J].Industrial Electronics,IEEE Transactions on.,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。

上述技术中与本发明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。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明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，本发明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。

根据本发明的一个方面，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ω_t和ωg；