本發(fā)明涉及機(jī)組軸系扭振抑制，具體而言，涉及一種基于直流母線電壓控制的雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組軸系扭振抑制方法，屬于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(doublyfedinductiongenerator，dfig)型風(fēng)電系統(tǒng)由于具備運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍寬、勵磁變換裝置容量小和能夠?qū)崿F(xiàn)功率解耦調(diào)節(jié)等特點(diǎn)，其已成為目前大型風(fēng)電場所采用的主流發(fā)電機(jī)組類型，而隨著風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)容量不斷增長，電網(wǎng)受dfig風(fēng)電系統(tǒng)的影響程度逐漸加深。當(dāng)受到風(fēng)速突變或電網(wǎng)故障等外界擾動時，dfig風(fēng)電系統(tǒng)將表現(xiàn)出傳動軸系的振蕩，進(jìn)而引起其輸出功率的振蕩，這將可能導(dǎo)致dfig風(fēng)電系統(tǒng)軸系損毀，同時導(dǎo)致與該風(fēng)電系統(tǒng)強(qiáng)耦合的電力網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生低頻振蕩，不利于含dfig風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)的電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

對于含dfig風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)的電力網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計其動態(tài)穩(wěn)定特性控制方案時，主要從電網(wǎng)和風(fēng)電系統(tǒng)自身兩個角度考慮并進(jìn)行設(shè)計和實(shí)施，以實(shí)現(xiàn)含風(fēng)電并網(wǎng)的電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定、安全運(yùn)行。然而，由于風(fēng)電系統(tǒng)所接電網(wǎng)電氣特性不同，dfig風(fēng)電系統(tǒng)對電網(wǎng)動態(tài)穩(wěn)定性的影響規(guī)律亦不同，當(dāng)對電網(wǎng)采取附加阻尼控制策略時，可能改善原系統(tǒng)的特征根分布特性，引入新的振蕩模式。因此，對雙饋風(fēng)電機(jī)組本身附加阻尼控制策略是實(shí)現(xiàn)機(jī)組軸系扭振抑制的最終措施。

目前，基于雙饋感應(yīng)風(fēng)電系統(tǒng)自身阻尼控制的軸系扭振抑制策略已有一些解決方案，如已公開的下列文獻(xiàn)：

[1]張琛，李征，蔡旭，高強(qiáng)，汪寧勃.雙饋風(fēng)電機(jī)組軸系扭振的穩(wěn)定與控制[j].電工技術(shù)學(xué)報，2015，30(10)：301-310.

[2]faribafatceh，warrenn.white，anddongruenbacher.mitigationoftorsionalvibrationvibrationsinthedrivetrainofdfig-basedgrid-connectedwindturbine[c]//proc.ieeeenergyconversioncongressandexposition(ecce).montreal，canada：ieee，2015，4159-4164.

[3]王立新，程林，孫元章，楊曉東，林毅.補(bǔ)償雙饋風(fēng)電機(jī)組電磁轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速閉環(huán)相位之后特性的傳動軸系統(tǒng)阻尼控制[j].電網(wǎng)技術(shù)，2014，38(12)：3333-3340.

分析以上文獻(xiàn)可知，目前基于雙饋風(fēng)電場系統(tǒng)自身阻尼控制策略均附加于轉(zhuǎn)矩/功率控制環(huán)節(jié)。然而，隨著風(fēng)電并網(wǎng)要求的逐漸提高，越來越多附加控制策略被施加于dfig轉(zhuǎn)子側(cè)變換器功率控制環(huán)節(jié)中，這些控制策略相互作用影響，可能導(dǎo)致系統(tǒng)轉(zhuǎn)子側(cè)變換器運(yùn)行控制能力降低，削弱風(fēng)電系統(tǒng)阻尼，甚至引發(fā)新的振蕩模態(tài)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提出一種基于直流母線電壓控制的雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組軸系扭振抑制方法，通過在雙饋風(fēng)電機(jī)組網(wǎng)側(cè)變換器直流電壓控制環(huán)引入扭振角速度差ωδ為輸入量的軸系阻尼控制環(huán)節(jié)，通過合理設(shè)置該阻尼控制環(huán)節(jié)中的各個參數(shù)，重新配置雙饋風(fēng)電系統(tǒng)軸系振蕩所對應(yīng)的電氣阻尼系數(shù)，從而提高軸系動態(tài)穩(wěn)定性。

本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：

一種基于直流母線電壓控制的雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組軸系扭振抑制方法，包括下述步驟：

a1)當(dāng)軸系扭振時，通過安裝在風(fēng)輪軸系尾部的轉(zhuǎn)速傳感器和發(fā)電機(jī)軸系尾部的轉(zhuǎn)速傳感器產(chǎn)生轉(zhuǎn)速脈沖，通過對轉(zhuǎn)速脈沖信號進(jìn)行解調(diào)，獲得風(fēng)輪與發(fā)電機(jī)電角速度的瞬時扭轉(zhuǎn)角速度差δω；

a2)將步驟a1)獲得的扭轉(zhuǎn)角速度差δω輸入到附加軸系阻尼控制器中，并將附加軸系阻尼控制器輸出tdamp限幅后疊加在雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組網(wǎng)側(cè)變換器直流母線電壓控制環(huán)節(jié)；

其中附加軸系阻尼控制器輸出tdamp按如下步驟確定：

a2.1)將雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組軸系等效為兩質(zhì)量塊模型，在此基礎(chǔ)上，建立機(jī)組電磁轉(zhuǎn)矩增量δte與直流母線電壓增量δvdc之間的傳遞函數(shù)；

a2.2)根據(jù)傳遞函數(shù)確定軸系扭振頻率ωosc附近幅值及相位特性；

a2.3)根據(jù)步驟a2.2)所確定的幅值及相位特性，配置附加軸系阻尼控制器相位補(bǔ)償、隔直及增益三項環(huán)節(jié)參數(shù)，其中，附加軸系阻尼控制器傳遞函數(shù)如下所示：

式中，kdcc為相位補(bǔ)償項；tdc1和tdc2分別為其超前/滯后校正時間常數(shù)；kdci為隔直項；tdcw為隔直環(huán)節(jié)時間常數(shù)，通常為1～20s；kdcd為阻尼控制器增益；

a2.4)根據(jù)步驟a2.3)得到的附加軸系阻尼控制器傳遞函數(shù)，即得到附加軸系阻尼控制器輸出tdamp，即tdamp＝kdc·δωδ。

步驟a2)將附加軸系阻尼控制器輸出tdamp限幅后疊加在雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組網(wǎng)側(cè)變換器直流母線電壓控制環(huán)節(jié)，是指以直流母線電壓以及附加軸系阻尼控制器輸出tdamp之和作為直流母線電壓給定值疊加在雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組網(wǎng)側(cè)變換器直流母線電壓控制環(huán)節(jié)上，其中電壓環(huán)以pi作為調(diào)節(jié)器，輸出為網(wǎng)側(cè)變換器網(wǎng)側(cè)電流d軸分量給定

雙饋風(fēng)電機(jī)組兩質(zhì)量塊軸系固有扭振頻率ωosc按下式確定：

式中，ωosc為雙饋風(fēng)電機(jī)組兩質(zhì)量塊軸系固有扭振頻率；ωb為系統(tǒng)基準(zhǔn)角速度；km為機(jī)組等效剛度；ht和hg分別為風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)慣性時間常數(shù)。

步驟a2.3)中，超前/滯后校正時間常數(shù)tdc1和tdc2根據(jù)下式確定：

式中，m為相位補(bǔ)償環(huán)節(jié)；為相位補(bǔ)償角。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

本發(fā)明從dfig電磁轉(zhuǎn)矩te產(chǎn)生的角度出發(fā)，利用直流母線電壓vdc與dfig電磁轉(zhuǎn)矩te及系統(tǒng)有功功率pg之間的耦合關(guān)系，通過對網(wǎng)側(cè)變換器直流電壓控制環(huán)節(jié)附加軸系扭振抑制策略，以實(shí)現(xiàn)對dfig風(fēng)電系統(tǒng)軸系扭振的抑制，從而提高系統(tǒng)軸系動態(tài)穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1—含軸系阻尼控制環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)關(guān)系圖。

圖2—含軸系阻尼控制環(huán)節(jié)的網(wǎng)側(cè)變換器直流母線電壓-電流環(huán)控制框圖。

圖3—風(fēng)速為6m/s時采用本發(fā)明所提控制策略前后軸系扭振仿真波形圖。

圖4—風(fēng)速為8m/s時采用本發(fā)明所提控制策略前后軸系扭振仿真波形圖。

圖5—風(fēng)速為10m/s時采用本發(fā)明所提控制策略前后軸系扭振仿真波形圖。

圖6—風(fēng)速為12m/s時采用本發(fā)明所提控制策略前后軸系扭振仿真波形圖。

圖7—風(fēng)速為14m/s時采用本發(fā)明所提控制策略前后軸系扭振仿真波形圖。

圖8—風(fēng)速為16m/s時采用本發(fā)明所提控制策略前后軸系扭振仿真波形圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方案作詳細(xì)描述。

如圖1所示，附加軸系阻尼控制環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為kdc(s)，dfig電磁轉(zhuǎn)矩增量δte與直流母線電壓增量δvdc間的傳遞函數(shù)為gdc(s)，則dfig電磁轉(zhuǎn)矩增量δte與角速度差增量δωδ的傳遞關(guān)系頻域表達(dá)式為：

δte(jω)＝r(jω)·δωδ-kdc(jω)·gdc(jω)·δωδ

設(shè)軸系振蕩頻率ωosc對應(yīng)的r(s)相位角為αosc、-gdc(s)的相位角為θd'c_osc、kdc(s)的相位角為則總電氣阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)dedc可表示為：

式中，dedc0為由傳遞函數(shù)r(s)確定的與系統(tǒng)固有屬性有關(guān)的電氣阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)，而dedc_damp則為由傳遞函數(shù)kdc(s)·gdc(s)確定的系統(tǒng)新增電氣阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)。

某一穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)下，dfig電磁轉(zhuǎn)矩增量δte與直流母線電壓增量δvdc間的傳遞關(guān)系gdc(s)為確定表達(dá)式，其幅值和相角特性無法改變。然而，通過合理設(shè)置軸系阻尼控制環(huán)節(jié)kdc(s)的參數(shù)，可以改變傳遞函數(shù)kdc(s)·gdc(s)的特性，使得由該項傳遞函數(shù)決定的新增電氣阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)dedc_damp為負(fù)，由此可增大軸系振蕩阻尼，提高軸系動態(tài)穩(wěn)定性。結(jié)合圖2，本發(fā)明的具體實(shí)施步驟如下：

a1)通過安裝在風(fēng)輪軸系尾部和發(fā)電機(jī)軸系尾部的傳感器產(chǎn)生轉(zhuǎn)速脈沖，通過對傳感器轉(zhuǎn)速脈沖信號進(jìn)行解調(diào)，獲得風(fēng)輪與發(fā)電機(jī)電角速度的瞬時扭轉(zhuǎn)角速度差δω；

a2)將步驟a1)獲得的扭轉(zhuǎn)角速度差δω輸入附加軸系阻尼控制器中，并將控制器輸出tdamp限幅后疊加在雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組網(wǎng)側(cè)變換器直流電壓控制環(huán)節(jié)。具體地，本方法采用直流電壓控制環(huán)，以直流母線電壓以及附加軸系阻尼控制器輸出tdamp之和作為直流母線電壓給定值，電壓環(huán)以pi作為調(diào)節(jié)器，輸出為網(wǎng)側(cè)變換器網(wǎng)側(cè)電流d軸分量給定

其中，本發(fā)明所述的附加阻尼控制器具體實(shí)施步驟如下：

a2.1)將雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組軸系系統(tǒng)等效為兩質(zhì)量模型，在此基礎(chǔ)上，建立機(jī)組電磁轉(zhuǎn)矩增量δte與直流母線電壓增量δvdc之間的傳遞函數(shù)模型；

a2.2)根據(jù)傳遞函數(shù)確定其軸系扭振頻率ωosc附近幅值及相位特性；

a2.3)根據(jù)步驟a2.2)所確定的幅值及相位特性，配置附加阻尼控制器相位補(bǔ)償、隔直及增益三項環(huán)節(jié)參數(shù)，其中，附加阻尼控制器傳遞函數(shù)如下所示：

式中，kdcc為相位補(bǔ)償項；tdc1和tdc2分別為其超前/滯后校正時間常數(shù)；kdci為隔直項；tdcw為隔直環(huán)節(jié)時間常數(shù)(通常為1～20s)；kdcd為阻尼控制器增益。

a2.4)將附加阻尼控制器輸出tdamp限幅后疊加在風(fēng)力機(jī)正常運(yùn)行控制中的直流母線電壓控制環(huán)節(jié)上，即：

tdamp＝kdc·δωδ

此時，雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組兩質(zhì)量塊傳動鏈模型的固有軸系扭振頻率ωosc可按下式確定：

式中，ωosc為雙饋風(fēng)電機(jī)組兩質(zhì)量塊軸系固有扭振頻率；ωb為系統(tǒng)基準(zhǔn)角速度；km為機(jī)組等效剛度；ht和hg分別為風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)慣性時間常數(shù)。

而附加阻尼補(bǔ)償環(huán)節(jié)中超前/滯后校正時間常數(shù)tdc1和tdc2可由下式確定：

式中，m為相位補(bǔ)償環(huán)節(jié)；為相位補(bǔ)償角。

圖3-圖8分別顯示了不同運(yùn)行工況下采用本發(fā)明所提出的的控制策略前后軸系扭振模態(tài)對應(yīng)的阻尼比及系統(tǒng)仿真波形圖。通過圖3-圖8可知：當(dāng)dfig風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行初始風(fēng)速從6m/s逐漸增加到16m/s時，系統(tǒng)發(fā)生三相對稱短路故障后，通過采用本發(fā)明提出的軸系扭振抑方法，dfig風(fēng)電系統(tǒng)軸系扭振模態(tài)所對應(yīng)的阻尼比ξ分別從0.0248、0.0262、0.0280、0.0097、0.0099以及0.0098增加到0.0270、0.0276、0.0297、0.0153、0.0133以及0.0145，雙饋風(fēng)電機(jī)組軸系振蕩阻尼得到提升，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速ωt、dfig轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ωg及二者間扭轉(zhuǎn)角θ動態(tài)過渡時間有所降低，同時，系統(tǒng)并網(wǎng)有功功率pg的振蕩特性得到改善，由此可見本方法取得了預(yù)期的效果。

本發(fā)明以直流母線電壓的穩(wěn)定為前提，利用直流母線電壓增量與雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組電磁轉(zhuǎn)矩增量間的耦合關(guān)系，通過對網(wǎng)側(cè)變換器直流母線電壓控制環(huán)引入以扭振角速度差為輸入量的軸系阻尼控制環(huán)節(jié)，通過合理設(shè)置該阻尼控制環(huán)節(jié)中的各個參數(shù)，提高雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組軸系振蕩模態(tài)所對應(yīng)的電阻尼系數(shù)，從而提高軸系動態(tài)穩(wěn)定性，有效抑制軸系扭振幅度，延長機(jī)組使用壽命。

最后需要說明的是，本發(fā)明的上述實(shí)例僅僅是為說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實(shí)施方式的限定。盡管申請人參照較佳實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其他不同形式的變化和變動。這里無法對所有的實(shí)施方式予以窮舉。凡是屬于本發(fā)明的技術(shù)方案所引申出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之列。