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CN113991733A - 一种具有低电压穿越能力的双馈风电机组控制系统及方法 - Google Patents

一种具有低电压穿越能力的双馈风电机组控制系统及方法 Download PDF

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CN113991733A CN202111249351.2A CN202111249351A CN113991733A CN 113991733 A CN113991733 A CN 113991733A CN 202111249351 A CN202111249351 A CN 202111249351A CN 113991733 A CN113991733 A CN 113991733A
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Abstract

本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种具有低电压穿越能力的双馈风电机组控制系统及方法。一种具有低电压穿越能力的双馈风电机组控制系统，发电机电流输出口与风电机组并网点电源电流输入口相连，所述双馈变流器并联在发电机两端，所述发电机信号输出端通过编码器与双馈变流器脉冲信号输入端相连，发电机与双馈变流器并联后与风电机组并网点电源之间设有电压测量点，电压测量点与双馈变流器的电压信号输入端相连。本发明将双馈变流器与发电机并联，并通过编码器使发电机与双馈变流器相连，准确获取电压信号与发电机的脉冲信号。

Description

一种具有低电压穿越能力的双馈风电机组控制系统及方法
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种具有低电压穿越能力的双馈风电机组控制系统及方法。
背景技术
双馈风电机组发电机定子直接与电网相连，使得整机系统对电网电压变化敏感，对电网故障的穿越能力较弱。电网电压故障引起定子磁链振荡，进而在转子绕组中感应出很大的瞬时电压，整个系统的电磁转矩和输出功率都会发生波动，不仅危害风电的机械部件，也影响电网的安全运行。
双馈风电机组传动链是典型的欠阻尼系统，电网故障情况下发电机电磁转矩的突变，必将造成传动链两端转矩不平衡，导致长时间的扭振发生，对风电机组传动链极为不利，可能损毁传动轴与齿轮箱，甚至对风机塔架的安全产生威胁，关系到风电机组的运行稳定、载荷疲劳与使用寿命。因此双馈风电机组低电压穿越对轴系扭振的影响及对应改善措施有待研究。
发明内容
本发明提供了一种具有低电压穿越能力的双馈风电机组控制系统及方法，以解决发电机电磁转矩突变导致风电机传动链两端转矩不平衡损坏传动轴和齿轮箱的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
第一方面，一种具有低电压穿越能力的双馈风电机组控制系统，包括双馈变流器、编码器、发电机和风电机组并网点电源；
所述发电机电流输出口与风电机组并网点电源电流输入口相连，所述双馈变流器并联在发电机两端，所述发电机信号输出端通过编码器与双馈变流器脉冲信号输入端相连，发电机与双馈变流器并联后与风电机组并网点电源之间设有电压测量点，电压测量点与双馈变流器的电压信号输入端相连。
第二方面，一种具有低电压穿越能力的双馈风电机组控制方法，包括以下步骤：
通过双馈变流器从编码器获取编码器量，从电压测量点获取风电机组并网点电压量；
根据并网点电压量，计算得到电网电压幅值；
根据编码器量，计算得到发电机的转速；
当电网电压幅值小于90％额定电压幅值，则风电机组进入低电压穿越状态；
当电网电压幅值大于或等于90％额定电压幅值，则风电机组正常运行；
当风电机组处于低电压穿越状态，持续监测电网电压幅值并与91％额定电压幅值进行比较，当电网电压幅值大于91％额定电压幅值，则风电机组退出低电压穿越状态；
当风电机组退出低电压穿越状态时，所述双馈变流器将传动链阻尼控制调节量叠加到风电机组最大功率跟踪策略转矩给定量。
本发明的进一步改进在于：所述传动链阻尼控制模式，包括以下步骤：
获取风电机组的实际传动链参数；
建立风电机组的两质量块数学模型；
将风电机组的实际传动链参数代入风电机组的两质量块数学模型，计算得到传动链自然振荡频率和阻尼系数；
根据传动链自然振荡频率，建立准谐振控制传递函数；
获取发电机(4)转速信息；
根据发电机(4)转速信息、传动链自然振荡频率值、预设的频率带宽、预设的准谐振控制方法增益和预设的复变量计算传动链阻尼控制调节量；
根据计算风电机组主控转矩给定量。
本发明的进一步改进在于：所述准谐振控制传递函数：
Figure BDA0003321947490000031
式中：
K为预设的准谐振控制方法增益；
ω为传动链自然振荡频率值；
ωc为频率带宽；
s为预设的复变量；
获取发电机的转速。
本发明的进一步改进在于：所述传动链阻尼控制调节量ΔT：
Figure BDA0003321947490000032
式中：
K为预设的准谐振控制方法增益；
ω为传动链自然振荡频率值；
ωc为预设的频率带宽；
s为预设的复变量；
n为发电机的转速；
ΔT为传动链阻尼控制调节量。
本发明的进一步改进在于：所述风电机组主控转矩给定量Tref：
Tref＝ΔT+TMPPT
式中，ΔT传动链阻尼控制调节量；
TMPPT为预设的风电机组最大功率跟踪策略转矩给定量。
本发明的进一步改进在于：所述风电机组两质量块数学模型为风电机组传动轴采用风力机和双馈发电机转动惯量的两质量块模型。
本发明的进一步改进在于：所述风电机组两质量块数学模型：
Figure BDA0003321947490000041
Figure BDA0003321947490000042
Figure BDA0003321947490000043
式中，θs为传动轴扭转角度，ωr为风力机转速，ωg为发电机转速，Ks为传动链等效刚度系数，Bs为摩擦系数，Jr为风力机的转动惯量，Jg为发电机的转动惯量，Tr为风力机机械转矩，Te为发电机电磁转矩。
本发明的进一步改进在于：所述自然振荡频率为1-2Hz，所述频率带宽为0.3Hz。
与现有技术相比，本发明至少包括以下有益效果：
本发明将双馈变流器与发电机并联，并通过编码器使发电机与双馈变流器相连，准确获取电压信号与发电机的脉冲信号；
本发明提高双馈风电机组低电压穿越能力和阻尼双馈风电机组传动链振荡，保障电力系统稳定性和风电机组运行安全；
本发明的传动链阻尼控制模式选用准谐振控制方法提取主控转速信号中的传动链低频分量，避免带通滤波器和陷波器引入的幅值衰减和相位滞后，快速响应转速变化和无相位滞后。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明一种具有低电压穿越能力的双馈风电机组控制系统的结构示意图；
图2为本发明一种具有低电压穿越能力的双馈风电机组控制方法的流程图；
图3为本发明一种具有低电压穿越能力的双馈风电机组控制方法的传动链阻尼控制模式流程图。
其中，1、电压测量点；2、双馈变流器；3、编码器；4、发电机；5、风电机组并网点电源。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本发明所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
实施例1：
如图1所示，本发明一种具有低电压穿越能力的双馈风电机组控制系统，包括，双馈变流器2，编码器3，风力发电机组4和风电机组并网点电源5，风力发电机组4电流输出口与风电机组并网点电源5电流输入口相连，双馈变流器2并联在风力发电机组4两端，风力发电机组4信号输出端通过编码器3与双馈变流器2脉冲信号输入端相连，风力发电机组4与双馈变流器2并联后与风电机组并网点电源5之间设有电压测量点1，电压测量点1与双馈变流器2的电压信号输入端相连。
双馈变流器2采集电压测量点1电网电压，计算得到电网电压幅值；双馈变流器2采集编码器3的脉冲信号，计算得到风力发电机组4的转速值。
实施例2：
如图2所示，本发明提供一种具有低电压穿越能力的双馈风电机组控制方法，具体包括以下步骤：
双馈变流器2获取风电机组并网点电压量和编码器量；
根据并网点电压量，计算得到电网电压幅值；
根据编码器量，计算得到发电机4的转速；
将电网电压幅值与90％额定电压幅值做比较，若小于，则风电机组进入低电压穿越状态；否则正常运行；
若风电机组处于低电压穿越状态，持续监测电网电压幅值并与91％额定电压幅值做比较，若大于，则风电机组退出低电压穿越状态；
当风电机组退出低电压穿越状态时，所述双馈变流器2开启传动链阻尼控制器，将传动链阻尼控制调节量叠加到风电机组最大功率跟踪策略转矩给定量上，控制风力发电机组4电磁转矩，抑制低电压穿越恢复时传动链振荡，进而抑制风力发电机组4的轴系扭振，保证风电机组安全运行。
实施例3：
如图3所示，本发明提供一种风电机组传动链阻尼控制方法用于实施例2中的传动链阻尼控制模式，实施例2中传动链阻尼控制模式选用准谐振控制方法提取主控转速信号中的传动链低频分量，避免带通滤波器和陷波器引入的幅值衰减和相位滞后，快速响应转速变化和无相位滞后，方法包括以下步骤，
获取风电机组实际传动链参数；
建立风电机组两质量块数学模型：
双馈风电机组传动轴采用风力机和双馈发电机转动惯量的两质量块模型。两质量块模型的数学模型可表示为：
Figure BDA0003321947490000061
Figure BDA0003321947490000071
Figure BDA0003321947490000072
式中，θs为传动轴扭转角度，ωr为风力机转速，ωg为发电机转速，K s为传动链等效刚度系数，Bs为摩擦系数，Jr为风力机的转动惯量，Jg为发电机的转动惯量，Tr为风力机机械转矩，Te为发电机电磁转矩。
将风电机组实际传动链参数代入风电机组两质量块数学模型，计算得到传动链自然振荡频率和阻尼系数，由于传动链等效刚度系数远远大于摩擦系数，导致两质量块传动链阻尼值偏小，低穿时电磁转矩剧烈变化导致机组振荡；
根据传动链自然振荡频率，设计传动链阻尼准谐振控制方法；
准谐振控制方法传递函数如下
Figure BDA0003321947490000073
式中：
K为准谐振控制方法增益；
ω为传动链自然振荡频率值；
ωc为频率带宽；
s为预设的复变量；
由于双馈风电机组传动链自然振荡频率值一般为1～2Hz，所述频率带宽一般设置为0.3Hz，可有效抑制传动链振荡。
获取发电机转速信息；
将转速信息输入给准谐振控制器，准谐振控制器参与发电机4转速中传动链低频信号的闭环控制；
所述传动链阻尼控制方法如下式：
Figure BDA0003321947490000081
式中：
n为发电机转速；
ΔT为传动链阻尼控制调节量；
由此得到风电机组主控转矩给定量：
Tref＝ΔT+TMPPT
TMPPT为预设的风电机组最大功率跟踪策略转矩给定量。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具有低电压穿越能力的双馈风电机组控制系统，其特征在于，包括双馈变流器(2)、编码器(3)、发电机(4)和风电机组并网点电源(5)；
所述发电机(4)电流输出口与风电机组并网点电源(5)电流输入口相连，所述双馈变流器(2)并联在发电机(4)两端，所述发电机(4)信号输出端通过编码器(3)与双馈变流器(2)脉冲信号输入端相连，发电机(4)与双馈变流器(2)并联后与风电机组并网点电源(5)之间设有电压测量点(1)，电压测量点(1)与双馈变流器(2)的电压信号输入端相连。
2.一种具有低电压穿越能力的双馈风电机组控制方法，其特征在于，基于权利要求1所述的一种具有低电压穿越能力的双馈风电机组控制系统，包括以下步骤：
通过双馈变流器(2)从编码器(3)获取编码器量，从电压测量点(1)获取风电机组并网点电压量；
根据并网点电压量，计算得到电网电压幅值；
根据编码器量，计算得到发电机(4)的转速；
当电网电压幅值小于90％额定电压幅值，则风电机组进入低电压穿越状态；
当电网电压幅值大于或等于90％额定电压幅值，则风电机组正常运行；
当风电机组处于低电压穿越状态，持续监测电网电压幅值并与91％额定电压幅值进行比较，当电网电压幅值大于91％额定电压幅值，则风电机组退出低电压穿越状态；
当风电机组退出低电压穿越状态时，所述双馈变流器(2)将传动链阻尼控制调节量叠加到风电机组最大功率跟踪策略转矩给定量。
3.根据权利要求2所述的一种具有低电压穿越能力的双馈风电机组控制方法，其特征在于，所述传动链阻尼控制模式，包括以下步骤：
获取风电机组的实际传动链参数；
建立风电机组的两质量块数学模型；
将风电机组的实际传动链参数代入风电机组的两质量块数学模型，计算得到传动链自然振荡频率和阻尼系数；
根据传动链自然振荡频率，建立准谐振控制传递函数；
获取发电机(4)转速信息；
根据发电机(4)转速信息、传动链自然振荡频率值、预设的频率带宽、预设的准谐振控制方法增益和预设的复变量计算传动链阻尼控制调节量；
根据计算风电机组主控转矩给定量。
4.根据权利要求3所述的一种具有低电压穿越能力的双馈风电机组控制方法，其特征在于，所述准谐振控制传递函数：
Figure FDA0003321947480000021
式中：
K为预设的准谐振控制方法增益；
ω为传动链自然振荡频率值；
ωc为预设的频率带宽；
s为预设的复变量。
5.根据权利要求4所述的一种具有低电压穿越能力的双馈风电机组控制方法，其特征在于，所述传动链阻尼控制调节量ΔT：
Figure FDA0003321947480000022
式中：
K为预设的准谐振控制方法增益；
ω为传动链自然振荡频率值；
ωc为预设的频率带宽；
s为预设的复变量；
n为发电机(4)的转速；
ΔT为传动链阻尼控制调节量。
6.根据权利要求5所述的一种具有低电压穿越能力的双馈风电机组控制方法，其特征在于，所述风电机组主控转矩给定量Tref：
Tref＝ΔT+TMPPT
式中，ΔT传动链阻尼控制调节量；
TMPPT为预设的风电机组最大功率跟踪策略转矩给定量。
7.根据权利要求3所述的一种具有低电压穿越能力的双馈风电机组控制方法，其特征在于，所述风电机组两质量块数学模型为风电机组传动轴采用风力机和双馈发电机转动惯量的两质量块模型。
8.根据权利要求7所述的一种具有低电压穿越能力的双馈风电机组控制方法，其特征在于，所述风电机组两质量块数学模型：
Figure FDA0003321947480000031
Figure FDA0003321947480000032
Figure FDA0003321947480000033
式中，θs为传动轴扭转角度，ωr为风力机转速，ωg为发电机转速，Ks为传动链等效刚度系数，Bs为摩擦系数，Jr为风力机的转动惯量，Jg为发电机的转动惯量，Tr为风力机机械转矩，Te为发电机电磁转矩。
9.根据权利要求5所述的一种具有低电压穿越能力的双馈风电机组控制方法，其特征在于，所述自然振荡频率为1-2Hz，所述频率带宽为0.3Hz。
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