雙饋風電機組傳動軸系統(tǒng)中穩(wěn)定器的設(shè)計方法、穩(wěn)定器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及雙饋風電機組傳動軸系統(tǒng)中穩(wěn)定器的設(shè)計方法、穩(wěn)定器，其中，設(shè)計方法包括：獲得電磁轉(zhuǎn)矩增量ΔTe和電機轉(zhuǎn)速增量Δωg之間的復(fù)頻域閉環(huán)傳遞函數(shù)E(s)；將所述復(fù)頻域閉環(huán)傳遞函數(shù)E(s)分解為E(s)＝dH(s)；獲得額定運行條件下扭轉(zhuǎn)振蕩頻率ωi處的相位θH；根據(jù)相位θH確定穩(wěn)定器的補償角根據(jù)補償角獲得穩(wěn)定器傳遞函數(shù)Gd(s)，實現(xiàn)雙饋風電機組傳動軸系統(tǒng)中穩(wěn)定器的設(shè)計。相比于現(xiàn)有的穩(wěn)定器設(shè)計方法，本發(fā)明保證了穩(wěn)定器在相同增益下具有更有效的控制性能，對于降低暫態(tài)期間傳動軸系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩沖擊、提高風電機組傳動軸系統(tǒng)機械壽命及可靠性具有重要意義。
【專利說明】雙饋風電機組傳動軸系統(tǒng)中穩(wěn)定器的設(shè)計方法、穩(wěn)定器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及風力發(fā)電【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種雙饋風電機組傳動軸系統(tǒng)中穩(wěn)定器 的設(shè)計方法W及通過該方法獲得的穩(wěn)定器。

【背景技術(shù)】
[0002] 雙饋風電機組中大慣性（2?6s)、低速旋轉(zhuǎn)的葉輪通常通過柔性傳動軸系統(tǒng)（包 括低速軸、齒輪箱、高速軸、聯(lián)軸器等）與小慣性（0.4?0.8s)、高速旋轉(zhuǎn)的發(fā)電機轉(zhuǎn)子禪 合。聯(lián)軸器和齒輪箱的存在使得雙饋風電機組的傳動軸系統(tǒng)（或稱軸系）具有較低的等效 機械剛度（0. 3?0.化u/ele. rad)。在受到來自機械側(cè)（如風速變化）或電氣側(cè)（如短路故 障等）的擾動時，傳動軸系統(tǒng)會表現(xiàn)出類似于扭轉(zhuǎn)彈黃的振蕩特性（振蕩頻率約為0. 1? 10化），稱之為扭轉(zhuǎn)振蕩或軸系振蕩。
[0003] 對于恒速風電機組，感應(yīng)電機固有的電磁轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速物理特性使得暫態(tài)期間軸系 振蕩迅速衰減；而對于雙饋風電機組，當其運行于恒轉(zhuǎn)矩或恒功率模式時或者配置有其它 提供電網(wǎng)支撐的有功控制器（如虛擬慣性控制器、有功調(diào)制器），變流器的快速有源控制使 得電機固有電氣阻尼為零甚至為負。暫態(tài)時弱阻尼的扭轉(zhuǎn)振蕩會在雙饋風電機組軸系產(chǎn)生 較大的轉(zhuǎn)矩脈動和轉(zhuǎn)矩沖擊，不僅會降低傳動軸系統(tǒng)（特別是齒輪箱）的機械壽命和可靠 性，增加傳動軸系統(tǒng)的維護成本，嚴重時還會引起風電機組因相應(yīng)保護動作（如轉(zhuǎn)速保護） 而停運。不僅如此，額定風速W上時，扭轉(zhuǎn)振蕩所造成的轉(zhuǎn)速波動還會引起獎距控制系統(tǒng)的 頻繁動作從而增加其故障率。另外，由雙饋風電機組轉(zhuǎn)速振蕩引起的風電機組有功振蕩還 可能作為擾動源激發(fā)電力系統(tǒng)在該頻率附近的低頻振蕩模式。因此，維持風電機組傳動軸 系統(tǒng)較高的阻尼水平對于提高風電機組可靠性W及保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行具有重要 意義。
[0004] 為提高雙饋風電機組軸系振蕩阻尼，近年來國內(nèi)外學(xué)者對傳動軸系統(tǒng)穩(wěn)定器或阻 尼控制器開展了相關(guān)的研究?，F(xiàn)有的穩(wěn)定器可分為兩類：第一類是設(shè)計時完全忽略了風電 機組電磁轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速回路的電氣動態(tài)；第二類是用假定的慣性時間常數(shù)來近似等效電磁轉(zhuǎn) 矩-轉(zhuǎn)速回路的電氣動態(tài)。實際上，由于雙饋風電機組閉環(huán)回路存在動態(tài)過程，如控制器的 動態(tài)（有功外環(huán)調(diào)節(jié)器、電流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器）和控制對象的慣性（電機本體），造成了阻尼控 制器輸出量與控制對象被控量（如電磁轉(zhuǎn)矩）之間的相位滯后，無論是完全忽略還是用假 定的時間常數(shù)來近似等效電磁轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速回路的電氣動態(tài)均無法精確地計及電磁轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn) 速回路的相位滯后特性，上述不恰當?shù)暮喕粌H會影響阻尼控制器的控制性能，嚴重時還 可能起到相反的效果（引起負阻尼）。因此，準確地獲取該相位特性并對此實施恰當?shù)南辔?補償是設(shè)計雙饋風電機組軸系振蕩穩(wěn)定器的關(guān)鍵步驟。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種雙饋風電機組傳動軸系統(tǒng)中穩(wěn)定器的設(shè)計 方法、穩(wěn)定器，能夠基于雙饋風電機組的數(shù)學(xué)模型解析準確地獲取穩(wěn)定器所需的相位補償 角。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種雙饋風電機組傳動軸系統(tǒng)中穩(wěn)定器的設(shè)計方 法，設(shè)計方法包括：
[0007] 獲得電磁轉(zhuǎn)矩增量AT。和電機轉(zhuǎn)速增量A COg之間的復(fù)頻域閉環(huán)傳遞函數(shù)E(S);
[0008] 將所述復(fù)頻域閉環(huán)傳遞函數(shù)E(S)分解為E(S)=地(S);
[0009] 獲得額定運行條件下扭轉(zhuǎn)振蕩頻率《 i處的相位0 H ;
[0010] 根據(jù)相位確定穩(wěn)定器的補償角廬
[0011] 根據(jù)補償角巧獲得穩(wěn)定器傳遞函數(shù)Gd(S)，實現(xiàn)雙饋風電機組傳動軸系統(tǒng)中穩(wěn)定 器的設(shè)計。
[0012] 優(yōu)選地，設(shè)計方法還包括：
[0013] 利用所述相位0H、補償角I口定穩(wěn)定器輸出后的凈阻尼轉(zhuǎn)矩增量ATdD
[0014] 優(yōu)選地，所述獲得額定運行條件下扭轉(zhuǎn)振蕩頻率《 i處的相位e H的方法為：0 H = arg(H(j?i))，arg(〇表示取相角函數(shù)。
[0015] 優(yōu)選地，所述補償角刮的計算公式為：
[0016] 口 =-化 。
[0017] 優(yōu)選地，所述根據(jù)補償角廬獲得穩(wěn)定器傳遞函數(shù)的步驟包括：
[0018] 根據(jù)補償角確定相位補償環(huán)節(jié)數(shù)m、超前校正時間常數(shù)Ti、滯后校正時間常數(shù) 了2 ;同時，根據(jù)所述雙饋風電機組傳動軸系統(tǒng)實際運行需要確定隔直環(huán)節(jié)時間常數(shù)T，、穩(wěn)定 器增益K,tab和限幅環(huán)節(jié)幅值常數(shù)Uiim的取值情況；
[0019] 利用相位補償環(huán)節(jié)數(shù)m、超前校正時間常數(shù)Ti、滯后校正時間常數(shù)T,、穩(wěn)定器增益 隔直環(huán)節(jié)時間常數(shù)T，和限幅環(huán)節(jié)幅值常數(shù)Uiim確定穩(wěn)定器的傳遞函數(shù)。
[0020] 優(yōu)選地，所述相位補償環(huán)節(jié)數(shù)m的計算公式為：
[0021]

【權(quán)利要求】
1. 一種雙饋風電機組傳動軸系統(tǒng)中穩(wěn)定器的設(shè)計方法，其特征在于，設(shè)計方法包括： 獲得電磁轉(zhuǎn)矩增量和電機轉(zhuǎn)速增量△ ?g之間的復(fù)頻域閉環(huán)傳遞函數(shù)E(S); 將所述復(fù)頻域閉環(huán)傳遞函數(shù)E(s)分解為E(s) = dH(s); 獲得額定運行條件下扭轉(zhuǎn)振蕩頻率處的相位9 H ; 根據(jù)相位911確定穩(wěn)定器的補償角仍 根據(jù)補償角⑷獲得穩(wěn)定器傳遞函數(shù)Gd(S)，實現(xiàn)雙饋風電機組傳動軸系統(tǒng)中穩(wěn)定器的 設(shè)計。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，設(shè)計方法還包括： 利用所述相位eH、補償角0確定穩(wěn)定器輸出后的凈阻尼轉(zhuǎn)矩增量A Td。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述獲得額定運行條件下扭轉(zhuǎn)振蕩頻率 處的相位0H的方法為：0H = arg(H(j (Oi))，arg( ?)表示取相角函數(shù)。
4. 如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述補償角糾的計算公式為： (P=-Or 。
5. 如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)補償角P獲得穩(wěn)定器傳遞函數(shù) 的步驟包括： 根據(jù)補償角糾確定相位補償環(huán)節(jié)數(shù)m、超前校正時間常數(shù)T1、滯后校正時間常數(shù)T2 ;同 時，根據(jù)所述雙饋風電機組傳動軸系統(tǒng)實際運行需要確定隔直環(huán)節(jié)時間常數(shù)Tw、穩(wěn)定器增 益Kstab和限幅環(huán)節(jié)幅值常數(shù)Ulim的取值情況； 利用相位補償環(huán)節(jié)數(shù)m、超前校正時間常數(shù)T1、滯后校正時間常數(shù)T2、穩(wěn)定器增益Kstab、 隔直環(huán)節(jié)時間常數(shù)Tw和限幅環(huán)節(jié)幅值常數(shù)Ulim確定穩(wěn)定器的傳遞函數(shù)。
6. 如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述相位補償環(huán)節(jié)數(shù)m的計算公式為：
式中，[?]表示取整函數(shù)。
7. 如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述超前校正時間常數(shù)T1的計算公式為：
其中，Qi為雙饋風電機組傳動軸系統(tǒng)的固有扭轉(zhuǎn)振蕩頻率，
m為相 位補償環(huán)節(jié)數(shù)，0為補償角。
8. 如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述滯后校正時間常數(shù)T2的計算公式為： T2= a Ji
其中，Dg表示凈阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)。
10. -種如權(quán)利要求1?9的設(shè)計方法獲得的穩(wěn)定器。
【文檔編號】H02P9/06GK104362916SQ201410674616
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月21日
【發(fā)明者】孫榮富, 程林, 王立新, 馬鎖明, 崔正湃, 王若陽, 王靖然, 崔慧軍 申請人:國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)冀北電力有限公司, 清華大學(xué)