雙饋風(fēng)電機(jī)組雙通道扭振主動控制策略研究

田世吉 李忠義 魯敏 李輝

摘? 要： 在風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行中，風(fēng)速的變化和電網(wǎng)的波動容易引起風(fēng)電機(jī)組傳動鏈的扭振，長時間的扭振會造成風(fēng)電機(jī)組傳動鏈的疲勞壽命損耗，嚴(yán)重時甚至?xí)p壞整個風(fēng)電機(jī)組，影響電網(wǎng)的正常運(yùn)行。為了減小風(fēng)機(jī)傳動鏈的扭振，提出一種雙通道主動阻尼控制方法。該方法通過兩個通道形成了一個新的電磁轉(zhuǎn)矩參考值：一個是帶頻差的比例積分微分（PID）阻尼項，用于減小風(fēng)機(jī)與軸系之間的頻差引起的扭振;另一個是采用扭轉(zhuǎn)角（[θs]）作為反饋信號，由帶通濾波器（BPF）和陷波濾波器（BRF）構(gòu)成附加阻尼項。該方法通過增加附加阻尼，抑制傳動鏈的扭振。最后，利用Matlab/Simulink進(jìn)行建模與仿真，仿真結(jié)果表明，該方法能有效抑制傳動鏈的扭振，且不影響輸出功率。

關(guān)鍵詞： 雙饋風(fēng)電機(jī)組; 傳動鏈扭振; 扭振抑制; 雙通道主動控制; 附加阻尼; 電磁轉(zhuǎn)矩

中圖分類號： TN876?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）19?0084?04

Abstract： In the operation of wind turbines， the transmission chain is prone to torsional vibration due to the change of wind speed and fluctuation of power grid. Too long?time torsional vibration will cause the fatigue life loss of the transmission chain of wind turbines， even damage the whole wind turbines in severe cases， and affect the normal operation of the power grid. Therefore， a two?channel active damping control method is proposed to reduce the torsional vibration of transmission chain of the wind turbines. In the method， a new electromagnetic torque reference value is formed by two channels. One is the proportion integration differentiation （PID） damping term with frequency difference， which is used to reduce the torsional vibration caused by frequency difference between wind wheel and shafting， the other is to take torsion angle （[θs]） as the feedback signal， and form additional damping term by band?pass filter （BPF） and band rejection filter （BRF）. This method can suppress the torsional vibration of transmission chain by adding additional damping. The Matlab/Simulink is used for modeling and simulation. The simulation results show that the method can effectively suppress the torsional vibration of transmission chain without affecting the output power.

Keywords： doubly?fed wind turbine set; transmission chain torsional vibration; torsional vibration suppression; two?channel active control; additional damping; electromagnetic torque

0? 引? 言

近年來，風(fēng)力發(fā)電發(fā)展迅速，滲透率越來越高，雙饋風(fēng)電機(jī)組是應(yīng)用最多的風(fēng)機(jī)[1]。由于風(fēng)電機(jī)組所處環(huán)境惡劣，沖擊載荷大，容易引起故障，其中，風(fēng)電機(jī)組傳動鏈扭振是最嚴(yán)重的問題之一[2]。扭振會導(dǎo)致齒輪箱產(chǎn)生疲勞壽命損耗，在嚴(yán)重的情況下，會造成風(fēng)電機(jī)組損壞進(jìn)而導(dǎo)致電網(wǎng)故障[3]。由此可見，風(fēng)機(jī)扭振不僅會影響到風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行，而且也會影響到整個電網(wǎng)的穩(wěn)定性。因此，抑制傳動鏈扭振顯得非常重要和緊迫。

已有一些學(xué)者對抑制風(fēng)電機(jī)組傳動鏈扭振進(jìn)行了研究。其中，文獻(xiàn)[4]在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制中添加阻尼濾波器，提高控制器阻尼，降低傳動系統(tǒng)扭矩波的幅值;文獻(xiàn)[5]當(dāng)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行在額定風(fēng)速以上時，將二階滑膜阻尼頻率加到附加轉(zhuǎn)矩上以抑制風(fēng)電機(jī)組傳動鏈的扭振;文獻(xiàn)[6?10]研究了風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)故障下如何減小傳動鏈扭振的控制策略;文獻(xiàn)[11?12]通過槳距角控制機(jī)械扭矩的方法抑制風(fēng)電機(jī)組傳動鏈扭振;文獻(xiàn)[13]提出基于科爾曼坐標(biāo)變化的獨(dú)立變槳控制器;文獻(xiàn)[14]對風(fēng)電機(jī)組傳動鏈扭振控制的穩(wěn)定性做了研究，分析了風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速作為輸入信號時對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響;文獻(xiàn)[15]提出以擴(kuò)張狀態(tài)觀測器和非線性狀態(tài)誤差反饋的自抗擾控制策略實現(xiàn)對傳動系統(tǒng)扭振的控制。文獻(xiàn)[16?19]研究了風(fēng)機(jī)在視在最大功率跟蹤的情況下對系統(tǒng)軸系扭振進(jìn)行控制。

由于發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量遠(yuǎn)小于風(fēng)輪，因此，電磁轉(zhuǎn)矩的波動更容易造成傳動鏈的扭振。雖然上述方法都能達(dá)到抑制風(fēng)電機(jī)組傳動鏈扭振的目的，但大多數(shù)是在電網(wǎng)故障情況下，或是通過控制機(jī)械轉(zhuǎn)矩的方法來抑制扭振，很少涉及電網(wǎng)正常運(yùn)行時傳動鏈長期低幅、低頻扭振的控制問題。本文提出一種雙通道主動控制策略，在保證風(fēng)電機(jī)組輸出功率不受影響的前提下，通過控制發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，達(dá)到抑制傳動鏈扭振的目的。

1? 雙饋風(fēng)電機(jī)組傳動鏈建模

雙饋風(fēng)電機(jī)組傳動鏈主要由風(fēng)輪、變槳控制系統(tǒng)、主軸前軸承、低速軸、變速箱、高速軸、發(fā)電機(jī)等組成。風(fēng)輪吸收的機(jī)械能通過低速軸傳給變速箱，變速箱的高速輸出端與發(fā)電機(jī)連接。為了提高計算速度且能夠準(zhǔn)確反映傳動鏈的扭振特性，本文采用兩個質(zhì)量塊模型對雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動鏈建模。將葉輪和輪轂視為一個質(zhì)量塊，發(fā)電機(jī)和齒輪箱視為一個質(zhì)量塊，如圖1所示。

將風(fēng)電機(jī)組高速軸各部件轉(zhuǎn)動慣量和剛度折算到低速側(cè)，根據(jù)運(yùn)動學(xué)基本方程式可以得到風(fēng)電機(jī)組雙質(zhì)量塊傳動鏈運(yùn)動方程的數(shù)學(xué)模型為[20]：

2? 傳動鏈主動控制策略

2.1? 扭振特性分析

根據(jù)傳動鏈的兩個質(zhì)量塊模型，可得到風(fēng)電機(jī)組傳動鏈關(guān)于扭轉(zhuǎn)角（[θs]）的運(yùn)動方程如下：

由式（2）可進(jìn)一步推導(dǎo)出以[Tt]和[Te]為輸入變量的傳遞函數(shù)，分別如式（3）和式（4）所示：

根據(jù)式（3）和式（4），可得到[θs（s）Tt（s）]和[θs（s）Te（s）]的頻域特性，如圖2所示?？梢钥闯?，無論是電磁轉(zhuǎn)矩擾動還是機(jī)械轉(zhuǎn)矩擾動，傳動鏈共振頻率附近的幅值增益都很高，也就是說機(jī)械轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩的波動都會引起傳動鏈的扭振。還可以看出，以電磁轉(zhuǎn)矩作為輸入時幅值增益高于機(jī)械轉(zhuǎn)矩作為輸入時的幅值增益，這說明電磁轉(zhuǎn)矩的波動更易引起傳動鏈的扭振。

2.2? 控制策略

本文在PID控制的基礎(chǔ)上，增加一個由帶通濾波器（BPF）和陷波濾波器（BRF）構(gòu)成的轉(zhuǎn)矩反饋回路，實現(xiàn)雙通道主動阻尼控制，如圖3所示。通過該控制策略，在傳動鏈的固有振動頻率附近增加了附加轉(zhuǎn)矩[Tdamp1]和[Tdamp2]。兩個通道的作用分別為：BPF主要是產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩，BRF主要是為了避開風(fēng)輪的多階穿越頻率;PID控制可快速準(zhǔn)確地消除系統(tǒng)偏差，使系統(tǒng)的振蕩和偏差減小。

通過圖3可以得到如下等式：

式中：[Tgen]為電機(jī)當(dāng)前運(yùn)行電磁轉(zhuǎn)矩的反饋值;[Tdamp1]和[Tdamp2]分別為通過BPF，BRF和PID后形成的補(bǔ)償電磁轉(zhuǎn)矩。BPF和BRF的傳遞函數(shù)如下：

2.3? 控制器穩(wěn)定性分析

根據(jù)本文提出的抑制傳動鏈扭振的主動控制策略，設(shè)計出BPF和BRF的傳遞函數(shù)如下：

BPF和BRF串聯(lián)后乘系數(shù)[K]，支路的伯德圖如圖4所示。

3? 仿真結(jié)果及分析

為了驗證本文提出的主動控制策略，用Matlab/Simulink仿真軟件對1.5 MW雙饋風(fēng)電機(jī)組傳動鏈進(jìn)行建模與仿真，其中，風(fēng)速輸入選擇更接近風(fēng)電機(jī)組實際運(yùn)行狀況的湍流風(fēng)，仿真時間為6 s。雙饋風(fēng)電機(jī)組參數(shù)見表1，表2。

本文用Matlab/Simulink仿真軟件對風(fēng)電機(jī)組傳動鏈建模，為了更接近風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的真實環(huán)境，假設(shè)本文所研究的雙饋風(fēng)電機(jī)組輸入的風(fēng)能為湍流風(fēng)況。

3.1? 仿真結(jié)果

湍流風(fēng)的波形如圖5所示。

湍流風(fēng)況下電磁轉(zhuǎn)矩的參考值和反饋值波形如圖6所示。

傳動鏈輸出的機(jī)械轉(zhuǎn)矩的參考值和傳動鏈扭轉(zhuǎn)角的波形如圖7所示。

兩種控制方式與無任何控制下輸出功率比較的波形如圖8所示。

3.2? 仿真結(jié)果分析

在湍流風(fēng)況下，仿真結(jié)果圖6表明：PID單獨(dú)控制和采用PID與扭轉(zhuǎn)載荷控制器聯(lián)合控制的方法所得電磁轉(zhuǎn)矩基本重合，說明本文提出的這種控制策略并沒影響電機(jī)的正常運(yùn)行，表明該控制策略在復(fù)雜風(fēng)況下對雙饋風(fēng)電機(jī)組傳動鏈扭振具有良好的控制性能，具有普遍適用性。仿真結(jié)果圖7表明：當(dāng)只有PID控制時，雙饋風(fēng)電機(jī)組傳動鏈的扭振比較嚴(yán)重，當(dāng)采用本文提出的控制策略時有效地減小了傳動鏈的扭振，說明本文提出的控制策略能很好地抑制雙饋風(fēng)電機(jī)組的扭振。仿真結(jié)果圖8表明：與只有PID控制時相比，PID控制和扭轉(zhuǎn)載荷控制器聯(lián)合控制時有功功率的曲線基本一致，這表明本文提出的控制策略能夠有效抑制傳動鏈的扭振，同時也可以看出在本文提出的控制策略作用下，雙饋風(fēng)電機(jī)組的輸出功率比未加任何控制策略時的輸出功率曲線要高，這說明在本文提出的控制策略作用下會提高雙饋風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電量。

4? 結(jié)? 論

本文首先對雙饋風(fēng)電機(jī)組傳動系統(tǒng)進(jìn)行分析，然后建立傳動鏈的兩個質(zhì)量塊模型。通過對雙饋風(fēng)電機(jī)組傳動鏈扭振特性分析，得出電磁轉(zhuǎn)矩擾動比機(jī)械轉(zhuǎn)矩的擾動更容易引起傳動鏈的扭振。為抑制在電網(wǎng)正常運(yùn)行時傳動鏈的低幅低頻扭振，以扭轉(zhuǎn)角（[θs]）作為反饋信號設(shè)計基于BPF和BRF的扭轉(zhuǎn)載荷控制器，提出了PID控制與扭轉(zhuǎn)載荷控制器相結(jié)合的雙通道主動控制策略。最后在湍流風(fēng)況下對本文提出的雙通道控制策略進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明，本文提出的控制策略對傳動鏈扭振有很好的抑制效果且不影響風(fēng)電機(jī)組的輸出功率。

注：本文通訊作者為魯敏。

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