CN104113250B - 电励磁风机轴系谐振抑制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电励磁风机轴系谐振抑制方法，其包括下列步骤：其通过在同步发电机与电网之间设置交直变换器和直交变换器将电励磁风机输出的不稳定的交流电压转换成稳定的交流电压馈入电网，向电网注入有功功率；通过所述交直变换器实现电励磁风机的转矩控制以及同步发电机单位功率因数运行，从而调节风机的输出功率，捕获最大风能；通过设置励磁调节器对同步发电机的励磁进行调节，控制同步发电机定子输出电压，同时增强系统阻尼，对电励磁风机轴系谐振进行抑制。本发明还公开了一种可利用上述方法的电励磁风机轴系谐振抑制装置，包括风机、同步发电机、交直变换器、直交变换器、励磁调节器以及控制器。

Description

电励磁风机轴系谐振抑制方法及装置

技术领域

本发明涉及风电控制领域的方法及装置，尤其涉及一种电励磁风机谐振抑制方法及装置。

背景技术

2013年全国新增风电并网容量1449万千瓦，累计并网容量7716万千瓦，同比增长23％，其中变速恒频的双馈风机和直驱风机占据了绝大部分市场份额。随着风电渗透率的升高，电网对风机提出了更严格的低电压穿越要求，双馈风机由于其定子侧直接与电网相连，更容易受到电网电压的扰动；而直驱型风机通过全功率背靠背变流器与电网隔离，性能优势逐渐显示出来。

直驱型风机可分为永磁直驱和电励磁直驱两种机型，前者通过转子上的永磁体作为励磁源，具有效率高、体积小的特点，但随着永磁体的核心材料稀土价格的波动，其价格优势逐渐减小；电励磁直驱发电机不受稀土价格波动的影响，其转子励磁可控，具有更灵活的控制方式，目前市场上已有许多兆瓦级电励磁风力发电机。

直驱型风机与全功率变流器直接相连，定子侧变流器端电压频率与风机发电机频率相同，与传统同步发电机和异步发电机相比，失去了转动阻尼的特性，风机自身存在轴系机械谐振的现象，目前已有不少学者针对轴系机械谐振的问题做过论述，其研究对象多为永磁直驱风机，而对电励磁直驱风机的研究较少。电励磁直驱风机转子励磁可控，相对于永磁同步风机多了一个控制变量，其系统特性更为复杂。随着电励磁直驱风机优势的逐渐体现，市场份额逐渐提高，迫切需要解决其轴系的谐振问题。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种电励磁风机轴系谐振抑制方法，其能提高同步发电机的阻尼转矩，从而能够有效抑制电励磁风机的轴系谐振。

本发明的另一目的在于提供一种电励磁风机轴系谐振抑制装置，其能应用上述方法达到上述同样效果。

基于上述发明目的，本发明公开了一种电励磁风机轴系谐振抑制方法，其包括下列步骤：

将同步发电机的转子轴承与风机的轴承连接，将同步发电机的定子绕组与交直变换器的交流端连接，将同步发电机的转子绕组与励磁调节器的输出端连接，将交直变换器的直流端与直交变换器的直流端连接，将直交变换器的交流端与电网连接，将控制器与交直变换器、直交变换器和励磁调节器分别连接；其中

控制器根据下述模型获得交直变换器在M-T坐标系下的M轴电压分量

$v_{\mathrm{sm}}^{*}=k_{p1}(i_{\mathrm{sm}}^{*}-i_{\mathrm{sm}})+k_{i1}\∫(i_{\mathrm{sm}}^{*}-i_{\mathrm{sm}})\mathrm{dt}+\frac{1}{k}\frac{d\left(\cos \mathrm{\δ}{L}_{\mathrm{md}}{i}_f\right)}{\mathrm{dt}}---\left(1\right)$

式(1)中，kp1和ki1为控制器中第一PI控制器的控制系数，0<kp1<1000,0<ki1<1000；ism为同步发电机的定子M轴电流，其为标么值；为i_sm的给定值，其为标么值；k为交直变换器电压等效放大倍数，0<k<1000；L_md为同步发电机的转子d轴互感，其为标么值；i_f为同步发电机的励磁电流，其为标么值；δ为功角，单位为度；

控制器根据下述模型获得交直变换器在M-T坐标系下的T轴电压分量

$v_{\mathrm{st}}^{*}=k_{p2}(i_{\mathrm{st}}^{*}-i_{\mathrm{st}})+k_{i2}\&Integral;(i_{\mathrm{st}}^{*}-i_{\mathrm{st}})\mathrm{dt}-{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{sm}}{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{sm}}/k---\left(2\right)$

式(2)中，k_p2和k_i2为控制器中第二PI控制器的控制系数，0<k_p2<1000,0<k_i2<1000；i_st为同步发电机的定子T轴电流；其中，ψ_sm为同步发电机的定子M轴磁链，其为标么值，为同步发电机的转矩给定值，其为标么值；k为交直变换器电压等效放大倍数，0<k<1000；ω_sm为同步发电机的M轴旋转角速度，其为标么值；

控制器根据下述模型获得励磁调节器输出的励磁电压

$e_f^{*}=k_{p3}(i_f^{*}-i_f)+k_{i3}\&Integral;(i_f^{*}-i_f)\mathrm{dt}+L_{\mathrm{md}}\frac{d\cos \mathrm{\&delta;}{i}_{\mathrm{sm}}}{\mathrm{dt}}-L_{\mathrm{md}}\frac{d\sin \mathrm{\&delta;}{i}_{\mathrm{st}}}{\mathrm{dt}}---\left(3\right)$

式(3)中，k_p3和k_i3为控制器中第三PI控制器的控制系数，0<k_p3<1000,0<k_i3<1000；i_f为同步发电机励磁电流，其为标么值；其中，为同步发电机定子M轴磁链给定值，其为标么值；L_md为同步发电机的转子d轴互感，其为标么值；δ为功角，单位为度；i_sm为同步发电机的定子M轴电流，其为标么值；i_st为同步发电机的定子T轴电流，其为标么值；

控制器将获得的和先经过dq-abc坐标变换，得到三个量，坐标变换式子如下，其中θ为交流电压的同步角：

$\left[\begin{array}{c}{v}_a^{*}\\ v_b^{*}\\ v_c^{*}\end{array}\right]=\frac{\sqrt{2}}{\sqrt{3}}\left(\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\&theta;}& -\sin \mathrm{\&theta;}\\ \cos (\mathrm{\&theta;}-\frac{2}{3}\mathrm{\&pi;})& -\sin (\mathrm{\&theta;}-\frac{2}{3}\mathrm{\&pi;})\\ \cos (\mathrm{\&theta;}+\frac{2}{3}\mathrm{\&pi;})& -\sin (\mathrm{\&theta;}+\frac{2}{3}\mathrm{\&pi;})\end{array}\right)\left[\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{sm}}^{*}\\ v_{\mathrm{st}}^{*}\end{array}\right]$

控制器将三个量作为控制信号送到交直变换器的三个桥臂的控制端，使得交直变换器输出相应的电压向量，以调节电励磁风机的输出功率，捕获最大风能；

控制器将获得的作为励磁调节器中开关的控制信号，该控制信号调节励磁调节器开关的导通占空比，以实现对同步发电机定子电压的控制。

本发明公开的电励磁风机轴系谐振抑制方法，其通过在同步发电机与电网之间设置交直变换器和直交变换器将电励磁风机输出的不稳定的交流电压转换成稳定的交流电压馈入电网，向电网注入有功功率；通过所述交直变换器实现电励磁风机的转矩控制以及同步发电机单位功率因数运行，从而调节风机的输出功率，捕获最大风能；通过设置励磁调节器对同步发电机的励磁进行调节，控制同步发电机定子输出电压，同时增强系统阻尼，对电励磁风机轴系谐振进行抑制；通过设置控制器与所述交直变换器、直交变换器以及励磁调节器连接，实现上述控制功能。该方法基于电励磁风机机械系统的双质量块模型，对同步发电机在MT坐标系下进行建模，得到同步发电机在MT坐标系下阻尼转矩对电励磁风机轴系谐振的抑制模型，无需增加额外硬件或设备，通过控制器控制增强系统的阻尼，解决了电励磁(直驱)风机的轴系谐振问题。

相应地，基于上述另一发明目的，本发明公开了一种电励磁风机轴系谐振抑制装置，其包括：

风机；

同步发电机，其转子轴承与风机的轴承连接；

交直变换器，其交流端与所述同步发电机的定子绕组连接；

励磁调节器，其输出端与所述同步发电机的转子绕组连接；

直交变换器，其直流端与交直变换器的直流端连接，所述直交变换器的交流端用于与电网连接；

控制器，其与所述交直变换器、直交变换器和励磁调节器分别连接，所述控制器包括第一PI控制器、第二PI控制器和第三PI控制器；其中：

所述控制器根据下述模型获得交直变换器在M-T坐标系下的M轴电压分量

$v_{\mathrm{sm}}^{*}=k_{p1}(i_{\mathrm{sm}}^{*}-i_{\mathrm{sm}})+k_{i1}\&Integral;(i_{\mathrm{sm}}^{*}-i_{\mathrm{sm}})\mathrm{dt}+\frac{1}{k}\frac{d\left(\cos \mathrm{\&delta;}{L}_{\mathrm{md}}{i}_f\right)}{\mathrm{dt}}---\left(1\right)$

式(1)中，k_p1和k_i1为第一PI控制器的控制系数，0<k_p1<1000,0<k_i1<1000；i_sm为同步发电机的定子M轴电流，其为标么值；为i_sm的给定值，其为标么值；k为交直变换器电压等效放大倍数，0<k<1000；L_md为同步发电机的转子d轴互感，其为标么值；i_f为同步发电机的励磁电流，其为标么值；δ为功角，单位为度；

所述控制器根据下述模型获得交直变换器在M-T坐标系下的T轴电压分量

$v_{\mathrm{st}}^{*}=k_{p2}(i_{\mathrm{st}}^{*}-i_{\mathrm{st}})+k_{i2}\&Integral;(i_{\mathrm{st}}^{*}-i_{\mathrm{st}})\mathrm{dt}-{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{sm}}{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{sm}}/k---\left(2\right)$

式(2)中，k_p2和k_i2为第二PI控制器的控制系数，0<k_p2<1000,0<k_i2<1000；i_st为同步发电机的定子T轴电流，其为标么值；其中，ψ_sm为同步发电机的定子M轴磁链，其为标么值；为同步发电机的转矩给定值，其为标么值；k为交直变换器电压等效放大倍数，0<k<1000；ω_sm为同步发电机的M轴旋转角速度，其为标么值；

所述控制器根据下述模型获得励磁调节器输出的励磁电压

$e_f^{*}=k_{p3}(i_f^{*}-i_f)+k_{i3}\&Integral;(i_f^{*}-i_f)\mathrm{dt}+L_{\mathrm{md}}\frac{d\cos \mathrm{\&delta;}{i}_{\mathrm{sm}}}{\mathrm{dt}}-L_{\mathrm{md}}\frac{d\sin \mathrm{\&delta;}{i}_{\mathrm{st}}}{\mathrm{dt}}---\left(3\right)$

式(3)中，k_p3和k_i3为第三PI控制器的控制系数，0<k_p3<1000,0<k_i3<1000；i_f为同步发电机励磁电流，其为标么值；其中，为同步发电机定子M轴磁链给定值，其为标么值；L_md为同步发电机的转子d轴互感，其为标么值；δ为功角，单位为度；i_sm为同步发电机的定子M轴电流，其为标么值；i_st为同步发电机的定子T轴电流，其为标么值；

所述控制器将获得的和经过dq-abc坐标变换得到三个量，然后将作为控制信号送到交直变换器的三个桥臂的控制端，使得交直变换器输出相应的电压向量，以调节电励磁风机的输出功率，捕获最大风能；所述控制器还将获得的作为励磁调节器中开关的控制信号，通过该控制信号调节励磁调节器开关的导通占空比，以实现对同步发电机定子电压的控制。

本发明公开的电励磁风机轴系谐振抑制装置，通过风机将风能转化为机械能，该机械能通过同步发电机(电励磁型)转化为电能，该电能输出的电压为幅值、频率变化的不稳定的交流电压；通过控制器控制交直变换器和直交变换器将上述不稳定的交流电压转换成稳定的交流电压馈入电网，向电网注入有功功率；通过控制器控制交直变换器，实现电励磁风机的转矩控制以及同步发电机单位功率因数运行，从而调节风机的输出功率，捕获最大风能；通过控制器控制励磁调节器对同步发电机的励磁进行调节，控制同步发电机定子输出电压，同时增强系统阻尼，对电励磁风机轴系谐振进行抑制。该装置基于电励磁风机机械系统的双质量块模型，对同步发电机在MT坐标系下进行建模，得到同步发电机在MT坐标系下阻尼转矩对电励磁风机轴系谐振的抑制模型，无需增加额外硬件或设备，通过控制器控制增强系统的阻尼，解决了电励磁(直驱)风机的轴系谐振问题。

本发明公开的电励磁风机轴系谐振抑制方法，具有一定的转矩阻尼作用，加入电磁阻尼后可以更快的衰减转速谐振频率分量，提高风电机组的稳定运行水平，其优点包括：

1)利用同步发电机M-T轴下的控制，不增加任何硬件成本；

2)通过提高阻尼转矩，抑制电励磁风机轴系谐振，改善风电机组的稳定性及阻尼特性。

本发明公开的电励磁风机轴系谐振抑制装置同样具有上述优点。

附图说明

图1为本发明所述的电励磁风机轴系谐振抑制装置在一种实施方式下的电气原理图。

图2为本发明所述的电励磁风机轴系谐振抑制装置在一种实施方式下的控制器的原理图。

图3为本发明所述的电励磁风机轴系谐振抑制方法在一种实施方式下的控制流程图。

图4为本发明所述的电励磁风机轴系谐振抑制方法在一种实施方式下的仿真结果图。

具体实施方式

下面将结合说明书附图和具体的实施例对本发明所述的电励磁风机轴系谐振抑制方法及装置做出进一步的解释和说明。

图1给出了本发明所述的电励磁风机轴系谐振抑制装置在一种实施方式下的电气原理图。图2给出了该实施例的控制器的原理图。

如图1所示，本实施例的装置包括：电励磁直驱风机，其包括风机1和电励磁型同步发电机2，同步发电机2的转子轴承与风机1的轴承连接；交直变换器3，其交流端与同步发电机2的定子绕组连接；励磁调节器4，其输出端与所述同步发电机2的转子绕组连接；直交变换器5，其直流端与交直变换器3的直流端连接，所述直交变换器5的交流端用于与电网U连接；控制器6，其与所述交直变换器3、直交变换器5和励磁调节器4分别连接。

该实施例的装置，通过风机1将风能转化为机械能，该机械能通过同步发电机2转化为电能，该电能输出的电压为幅值、频率变化的不稳定的交流电压；通过控制器6控制交直变换器3和直交变换器5将上述不稳定的交流电压转换成稳定的交流电压馈入电网U，向电网U注入有功功率；通过控制器6控制交直变换器3，实现电励磁风机的转矩控制以及同步发电机2单位功率因数运行，从而调节风机1的输出功率，捕获最大风能；通过控制器6控制励磁调节器4对同步发电机2的励磁进行调节，控制同步发电机2定子输出电压，同时增强系统阻尼，对电励磁风机轴系谐振进行抑制。该装置基于电励磁风机机械系统的双质量块模型，对同步发电机2在MT坐标系下进行建模，得到同步发电机2在MT坐标系下阻尼转矩对电励磁风机轴系谐振的抑制模型，不增加额外硬件或设备，通过控制器6控制增强系统的阻尼，解决电励磁直驱风机的轴系谐振问题。

如图2所示，该实施例的装置中，控制器6包括第一PI控制器、第二PI控制器和第三PI控制器；还包括与第一PI控制器形成控制环的第一比较器和第一加法器，与第二PI控制器形成控制环的第一除法器、第二比较器以及第二加法器；与第三PI控制器形成控制环的第二除法器、第三比较器以及第三加法器；上述控制环连接方式及控制方式如图2所示；其中：

控制器6根据下述模型获得交直变换器3在M-T坐标系下的M轴电压分量

$v_{\mathrm{sm}}^{*}=k_{p1}(i_{\mathrm{sm}}^{*}-i_{\mathrm{sm}})+k_{i1}\&Integral;(i_{\mathrm{sm}}^{*}-i_{\mathrm{sm}})\mathrm{dt}+\frac{1}{k}\frac{d\left(\cos \mathrm{\&delta;}{L}_{\mathrm{md}}{i}_f\right)}{\mathrm{dt}}---\left(1\right)$

式(1)中，k_p1和k_i1为第一PI控制器的控制系数，0<k_p1<1000,0<k_i1<1000；i_sm为同步发电机2的定子M轴电流，其为标么值；为i_sm的给定值，其为标么值；k为交直变换器3电压等效放大倍数，0<k<1000；L_md为同步发电机2的转子d轴互感，其为标么值；i_f为同步发电机2的励磁电流，其为标么值；δ为功角，单位为度；

控制器6根据下述模型获得交直变换器3在M-T坐标系下的T轴电压分量

$v_{\mathrm{st}}^{*}=k_{p2}(i_{\mathrm{st}}^{*}-i_{\mathrm{st}})+k_{i2}\&Integral;(i_{\mathrm{st}}^{*}-i_{\mathrm{st}})\mathrm{dt}-{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{sm}}{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{sm}}/k---\left(2\right)$

式(2)中，k_p2和k_i2为第二PI控制器的控制系数，0<k_p2<1000,0<k_i2<1000；i_st为同步发电机2的定子T轴电流，其为标么值；其中，ψ_sm为同步发电机2的定子M轴磁链，其为标么值；为同步发电机2的转矩给定值，其为标么值；k为交直变换器3电压等效放大倍数，0<k<1000；ω_sm为同步发电机2的M轴旋转角速度，其为标么值；

控制器6根据下述模型获得励磁调节器4输出的励磁电压

$e_f^{*}=k_{p3}(i_f^{*}-i_f)+k_{i3}\&Integral;(i_f^{*}-i_f)\mathrm{dt}+L_{\mathrm{md}}\frac{d\cos \mathrm{\&delta;}{i}_{\mathrm{sm}}}{\mathrm{dt}}-L_{\mathrm{md}}\frac{d\sin \mathrm{\&delta;}{i}_{\mathrm{st}}}{\mathrm{dt}}---\left(3\right)$

式(3)中，k_p3和k_i3为第三PI控制器的控制系数，0<k_p3<1000,0<k_i3<1000；i_f为同步发电机2励磁电流，其为标么值；其中，为同步发电机2定子M轴磁链给定值，其为标么值；L_md为同步发电机2的转子d轴互感，其为标么值；δ为功角，单位为度；i_sm为同步发电机2的定子M轴电流，其为标么值；i_st为同步发电机2的定子T轴电流，其为标么值；

控制器6将获得的和经过dq-abc坐标变换得到三个量，然后将作为控制信号送到交直变换器3的三个桥臂的控制端，使得交直变换器3输出相应的电压向量，实现电励磁风机的转矩控制以及同步发电机2单位功率因数运行，从而调节电励磁风机的输出功率，捕获最大风能；控制器6还将获得的作为励磁调节器4中开关的控制信号，通过该控制信号调节励磁调节器4开关的导通占空比，以实现对同步发电机2定子电压的控制，同时增强系统阻尼，对电励磁风机轴系谐振进行抑制。

本实施例装置中，控制器6采用的是比例积分(PI)控制方式。在其它实施例中，也可以采用比例积分微分(PID)控制或者其它控制方式。

本发明所述的电励磁风机轴系谐振抑制方法在一种实施方式下基于上述实施例装置实现，因此其硬件设置部分请结合参考上述实施例装置。

图3示意了本发明所述的电励磁风机轴系谐振抑制方法在一种实施方式下的控制流程。

如图3所示，结合参考图1和图2，本实施例的方法包括下列步骤：

将同步发电机2的转子轴承与风机1的轴承连接，将同步发电机2的定子绕组与交直变换器3的交流端连接，将同步发电机2的转子绕组与励磁调节器4的输出端连接，将交直变换器3的直流端与直交变换器5的直流端连接，将直交变换器5的交流端与电网U连接，将控制器6与交直变换器3、直交变换器5和励磁调节器4分别连接；

控制流程，包括下列步骤：

控制器6初始化，在该控制器中设定以下参数，所有电流、磁链、转矩与电压参数均采用标么值：

交直变换器3电压等效放大倍数k，0<k<1000，由操作员按电网运行状况设定；

第一PI控制器控制系数k_p1和k_i1，0<k_p1<1000,0<k_i1<1000，由操作员按电网运行状况设定；

第二PI控制器控制系数k_p2和k_i2，0<k_p2<1000,0<k_i2<1000，由操作员按电网运行状况设定；

第三PI控制器控制系数k_p3和k_i3，0<k_p3<1000,0<k_i3<1000，由操作员按电网运行状况设定；

同步发电机2转子d轴互感L_md；

同步发电机2的定子M轴电流i_sm的给定值设为0；

同步发电机2的转矩给定值

同步发电机2的定子磁链幅值给定值

控制器6采集信号，包括对同步发电机2的定子电流i_s、同步发电机2的励磁电流i_f、功角δ等信号进行采集；

控制器6计算参数，包括对同步发电机2定子T轴电流i_st、同步发电机2定子M轴电流i_sm等参数进行计算；

控制器6通过第一比较器计算第一PI控制器的输入值

控制器6通过第一PI控制器进行控制运算，输出相应的控制量 $k_{p1}(i_{\mathrm{sm}}^{*}-i_{\mathrm{sm}})+k_{i1}\&Integral;(i_{\mathrm{sm}}^{*}-i_{\mathrm{sm}})\mathrm{dt};$

控制器6通过第一加法器按照如下模型计算获得交直变换器3在M-T坐标系下的M轴电压分量

$v_{\mathrm{sm}}^{*}=k_{p1}(i_{\mathrm{sm}}^{*}-i_{\mathrm{sm}})+k_{i1}\&Integral;(i_{\mathrm{sm}}^{*}-i_{\mathrm{sm}})\mathrm{dt}+\frac{1}{k}\frac{d\left(\cos \mathrm{\&delta;}{L}_{\mathrm{md}}{i}_f\right)}{\mathrm{dt}}---\left(1\right)$

控制器6通过第一除法器计算第二比较器的输入值其中，ψ_sm为同步发电机2定子M轴磁链，其为标么值；

控制器6通过第二PI控制器进行控制运算，输出相应的控制量 $k_{p2}(i_{\mathrm{st}}^{*}-i_{\mathrm{st}})+k_{i2}\&Integral;(i_{\mathrm{st}}^{*}-i_{\mathrm{st}})\mathrm{dt};$

控制器6通过第二加法器按照如下模型计算获得交直变换器3在M-T坐标系下的T轴电压分量

$v_{\mathrm{st}}^{*}=k_{p2}(i_{\mathrm{st}}^{*}-i_{\mathrm{st}})+k_{i2}\&Integral;(i_{\mathrm{st}}^{*}-i_{\mathrm{st}})\mathrm{dt}-{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{sm}}{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{sm}}/k---\left(2\right)$

式(2)中，ω_sm为同步发电机2的M轴旋转角速度，其为标么值；

控制器6通过第二除法器计算第三比较器的输入值其中，为同步发电机2定子M轴磁链给定值；

控制器6通过第三比较器计算第三PI控制器的输入值

控制器6通过第三加法器按照如下模型计算获得励磁调节器4输出的励磁电压

$e_f^{*}=k_{p3}(i_f^{*}-i_f)+k_{i3}\&Integral;(i_f^{*}-i_f)\mathrm{dt}+L_{\mathrm{md}}\frac{d\cos \mathrm{\&delta;}{i}_{\mathrm{sm}}}{\mathrm{dt}}-L_{\mathrm{md}}\frac{d\sin \mathrm{\&delta;}{i}_{\mathrm{st}}}{\mathrm{dt}}---\left(3\right)$

控制器6将获得的和先经过dq-abc坐标变换，得到三个量，坐标变换式子如下，其中θ为交流电压的同步角：

$\left[\begin{array}{c}{v}_a^{*}\\ v_b^{*}\\ v_c^{*}\end{array}\right]=\frac{\sqrt{2}}{\sqrt{3}}\left(\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\&theta;}& -\sin \mathrm{\&theta;}\\ \cos (\mathrm{\&theta;}-\frac{2}{3}\mathrm{\&pi;})& -\sin (\mathrm{\&theta;}-\frac{2}{3}\mathrm{\&pi;})\\ \cos (\mathrm{\&theta;}+\frac{2}{3}\mathrm{\&pi;})& -\sin (\mathrm{\&theta;}+\frac{2}{3}\mathrm{\&pi;})\end{array}\right)\left[\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{sm}}^{*}\\ v_{\mathrm{st}}^{*}\end{array}\right]$

控制器6将三个量作为控制信号送到交直变换器3的三个桥臂的控制端，使得交直变换器3输出相应的电压向量，实现电励磁风机的转矩控制以及同步发电机2单位功率因数运行，从而调节电励磁风机4的输出功率，捕获最大风能；

控制器6将获得的作为励磁调节器4中开关的控制信号，该控制信号调节励磁调节器4开关的导通占空比，以实现对同步发电机2定子电压的控制，同时增强系统阻尼，对电励磁风机轴系谐振进行抑制。

本实施例的方法，其通过在同步发电机2与电网U之间设置交直变换器3和直交变换器5将电励磁风机输出的不稳定的交流电压转换成稳定的交流电压馈入电网U，向电网U注入有功功率；通过交直变换器3实现电励磁风机的转矩控制以及同步发电机2单位功率因数运行，从而调节风机1的输出功率，捕获最大风能；通过设置励磁调节器4对同步发电机2的励磁进行调节，控制同步发电机2定子输出电压，同时增强系统阻尼，对电励磁风机轴系谐振进行抑制；通过设置控制器6与交直变换器3、直交变换器5以及励磁调节器4连接，实现上述控制功能。该方法基于电励磁风机机械系统的双质量块模型，对同步发电机2在MT坐标系下进行建模，得到同步发电机2在MT坐标系下阻尼转矩对电励磁风机轴系谐振的抑制模型，不增加额外硬件或设备，通过控制器控制增强系统的阻尼，解决电励磁直驱风机的轴系谐振问题。

下面通过阶跃试验，仿真说明本实施例方法的实施效果。

图4示意了本发明所述的电励磁风机轴系谐振抑制方法在一种实施方式下的仿真结果。

当转矩增量给定指令在0.04s时阶跃0.03pu，同步发电机2定子T轴电流i_st、同步发电机2定子M轴磁链ψ_sm、同步发电机2的转矩T_e的响应如图4所示。该仿真结果表明，本实施例方法能够有效抑制电励磁直驱风机的轴系谐振。

要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种电励磁风机轴系谐振抑制方法，其包括步骤：

将同步发电机的转子轴承与风机的轴承连接，将同步发电机的定子绕组与交直变换器的交流端连接，将同步发电机的转子绕组与励磁调节器的输出端连接，将交直变换器的直流端与直交变换器的直流端连接，将直交变换器的交流端与电网连接，将控制器与交直变换器、直交变换器和励磁调节器分别连接；

其特征在于，还包括步骤：

控制器根据下述模型获得交直变换器在M-T坐标系下的M轴电压分量

$v_{sm}^{*}=k_{p1}(i_{sm}^{*}-i_{sm})+k_{i1}\&Integral;(i_{sm}^{*}-i_{sm})dt+\frac{1}{k}\frac{d\left({\mathrm{cos\&delta;L}}_{md}{i}_f\right)}{dt}---\left(1\right)$

式(1)中，k_p1和k_i1为控制器中第一PI控制器的控制系数，0<k_p1<1000,0<k_i1<1000；i_sm为同步发电机的定子M轴电流，其为标么值；为i_sm的给定值，其为标么值；k为交直变换器电压等效放大倍数，0<k<1000；L_md为同步发电机的转子d轴互感，其为标么值；i_f为同步发电机的励磁电流，其为标么值；δ为功角，单位为度；

控制器根据下述模型获得交直变换器在M-T坐标系下的T轴电压分量

$v_{st}^{*}=k_{p2}(i_{st}^{*}-i_{st})+k_{i2}\&Integral;(i_{st}^{*}-i_{st})dt-{\mathrm{\&omega;}}_{sm}{\mathrm{\&psi;}}_{sm}/k---\left(2\right)$

式(2)中，k_p2和k_i2为控制器中第二PI控制器的控制系数，0<k_p2<1000,0<k_i2<1000；i_st为同步发电机的定子T轴电流；其中，ψ_sm为同步发电机的定子M轴磁链，其为标么值，为同步发电机的转矩给定值，其为标么值；k为交直变换器电压等效放大倍数，0<k<1000；ω_sm为同步发电机的M轴旋转角速度，其为标么值；

控制器根据下述模型获得励磁调节器输出的励磁电压

$e_f^{*}=k_{p3}(i_f^{*}-i_f)+k_{i3}\&Integral;(i_f^{*}-i_f)dt+L_{md}\frac{d{\mathrm{cos\&delta;i}}_{sm}}{dt}-L_{md}\frac{d{\mathrm{sin\&delta;i}}_{st}}{dt}---\left(3\right)$

式(3)中，k_p3和k_i3为控制器中第三PI控制器的控制系数，0<k_p3<1000,0<k_i3<1000；if为同步发电机励磁电流，其为标么值；其中，为同步发电机定子M轴磁链给定值，其为标么值；L_md为同步发电机的转子d轴互感，其为标么值；δ为功角，单位为度；i_sm为同步发电机的定子M轴电流，其为标么值；i_st为同步发电机的定子T轴电流，其为标么值；

控制器将获得的和先经过dq-abc坐标变换，得到三个量，坐标变换式子如下，其中θ为交流电压的同步角：

$\left[\begin{array}{c}{v}_a^{*}\\ v_b^{*}\\ v_c^{*}\end{array}\right]=\frac{\sqrt{2}}{\sqrt{3}}\left(\begin{array}{cc}cos\mathrm{\&theta;}& -sin\mathrm{\&theta;}\\ cos(\mathrm{\&theta;}-\frac{2}{3}\mathrm{\&pi;})& -sin(\mathrm{\&theta;}-\frac{2}{3}\mathrm{\&pi;})\\ cos(\mathrm{\&theta;}+\frac{2}{3}\mathrm{\&pi;})& -sin(\mathrm{\&theta;}+\frac{2}{3}\mathrm{\&pi;})\end{array}\right)\left[\begin{array}{c}{v}_{sm}^{*}\\ v_{st}^{*}\end{array}\right]$

控制器将三个量作为控制信号送到交直变换器的三个桥臂的控制端，使得交直变换器输出相应的电压向量，以调节电励磁风机的输出功率，捕获最大风能；

控制器将获得的作为励磁调节器中开关的控制信号，该控制信号调节励磁调节器开关的导通占空比，以实现对同步发电机定子电压的控制。

2.一种电励磁风机轴系谐振抑制装置，其包括：

风机；

同步发电机，其转子轴承与风机的轴承连接；

交直变换器，其交流端与所述同步发电机的定子绕组连接；

励磁调节器，其输出端与所述同步发电机的转子绕组连接；

直交变换器，其直流端与交直变换器的直流端连接，所述直交变换器的交流端用于与电网连接；

控制器，其与所述交直变换器、直交变换器和励磁调节器分别连接；

其特征在于：

所述控制器包括第一PI控制器、第二PI控制器和第三PI控制器；其中：

所述控制器根据下述模型获得交直变换器在M-T坐标系下的M轴电压分量

$v_{sm}^{*}=k_{p1}(i_{sm}^{*}-i_{sm})+k_{i1}\&Integral;(i_{sm}^{*}-i_{sm})dt+\frac{1}{k}\frac{d\left({\mathrm{cos\&delta;L}}_{md}{i}_f\right)}{dt}---\left(1\right)$

式(1)中，k_p1和k_i1为第一PI控制器的控制系数，0<k_p1<1000,0<k_i1<1000；i_sm为同步发电机的定子M轴电流，其为标么值；为i_sm的给定值，其为标么值；k为交直变换器电压等效放大倍数，0<k<1000；L_md为同步发电机的转子d轴互感，其为标么值；i_f为同步发电机的励磁电流，其为标么值；δ为功角，单位为度；

所述控制器根据下述模型获得交直变换器在M-T坐标系下的T轴电压分量

$v_{st}^{*}=k_{p2}(i_{st}^{*}-i_{st})+k_{i2}\&Integral;(i_{st}^{*}-i_{st})dt-{\mathrm{\&omega;}}_{sm}{\mathrm{\&psi;}}_{sm}/k---\left(2\right)$

式(2)中，k_p2和k_i2为第二PI控制器的控制系数，0<k_p2<1000,0<k_i2<1000；i_st为同步发电机的定子T轴电流，其为标么值；其中，ψ_sm为同步发电机的定子M轴磁链，其为标么值；为同步发电机的转矩给定值，其为标么值；k为交直变换器电压等效放大倍数，0<k<1000；ω_sm为同步发电机的M轴旋转角速度，其为标么值；

所述控制器根据下述模型获得励磁调节器输出的励磁电压

$e_f^{*}=k_{p3}(i_f^{*}-i_f)+k_{i3}\&Integral;(i_f^{*}-i_f)dt+L_{md}\frac{d{\mathrm{cos\&delta;i}}_{sm}}{dt}-L_{md}\frac{d{\mathrm{sin\&delta;i}}_{st}}{dt}---\left(3\right)$

式(3)中，k_p3和k_i3为第三PI控制器的控制系数，0<k_p3<1000,0<k_i3<1000；if为同步发电机励磁电流，其为标么值；其中，为同步发电机定子M轴磁链给定值，其为标么值；L_md为同步发电机的转子d轴互感，其为标么值；δ为功角，单位为度；i_sm为同步发电机的定子M轴电流，其为标么值；i_st为同步发电机的定子T轴电流，其为标么值；

所述控制器将获得的和经过dq-abc坐标变换得到三个量，然后将作为控制信号送到交直变换器的三个桥臂的控制端，使得交直变换器输出相应的电压向量，以调节电励磁风机的输出功率，捕获最大风能；所述控制器还将获得的作为励磁调节器中开关的控制信号，通过该控制信号调节励磁调节器开关的导通占空比，以实现对同步发电机定子电压的控制。