一种风电系统的风剪塔影脉动的抑制方法

摘要

为弥补现有风电系统的技术缺陷，本发明提供一种风电系统的风剪塔影脉动的抑制方法，通过转矩补偿控制有效的减小了脉动幅值；本发明对风剪塔影信号的提取，创造性的用实际的风场风剪塔影信号来代替理论公式推导的信号，排除了由于地形和干扰等因素对信号的影响。有效抑制了风剪塔影效应所导致的双馈风电机组的转矩与功率脉动。有益的技术效果：本发明可以显著的抑制由风剪塔影效应带来的转矩和功率脉动，且由于由风剪塔影效应造成的电磁转矩和功率脉动量显著减小，可以有效的保护机械部分，延长其使用寿命，最大限度的保证其可靠运行，提高了向电网传输的电能质量。

说明书

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种风电系统的风剪塔影脉动的抑制方法。

背景技术

风力发电作为一种有效的可再生能源利用形式，近年来越来越受到关注，双馈风电系统由于风剪切塔影产生的转矩脉动会造成机械部分如齿轮箱的机械疲劳，从而影响机械部分部件的寿命，使整个风电系统的维护工程量与维护成本上升，影响风电系统的稳定运行。另外，风剪切塔影会产生风力机低速轴的气动转矩脉动, 如不采取抑制措施，发动机并网产生的功率脉动会影响并网电能质量和运行稳定性，严重时会导致风电机组的故障，因此抑制风剪切塔影效应造成的转矩脉动是必要的。

文献《Simulation Model of Wind Turbine 3p Torque Oscillations Due to Wind Shear and Tower Shadow》定性地分析了风剪、塔影效应引起的转矩脉动对风力发电系统机械传动机构的影响，而文献《A Dynamic Wind Turbine Simulator of the wind turbine generator system》也仅仅是描述了风剪、塔影效应以及对系统输出功率的影响，然而，这些文献并没有研究如何抑制风剪、塔影效应引起的转矩和功率脉动。文献《Flicker Mitigation by Active Power Control of Variable-Speed Wind Turbines With Full-Scale Back-to-Back Power Converters》提出了一种基于直流电压补偿的风剪塔影效应功率脉动抑制策略，但所提方案只适用于直驱风电机组，如将其方案应用于双馈风电机组时，则对定子侧的功率脉动不能起到抑制作用。

综上所述，针对风剪塔影现象而引起的风力发电机的脉动问题，现有技术尚无有效地解决方案。

发明内容

为弥补现有的技术缺陷，本发明提供一种风电系统的风剪塔影脉动的抑制方法，有效抑制了风剪塔影效应所导致的双馈风电机组的转矩与功率脉动：对于风剪、塔影效应引起的并网功率脉动，通过转矩补偿控制的方式有效地减小脉动的幅值。此外，本发明对风剪塔影信号的提取，创造性的用实际的风场风剪塔影信号来代替理论公式推导的信号，排除了由于地形和干扰等因素对信号的影响，能够针对单一的风电系统的实际运行状态进行逐一的精确、高效地控制。其具体方法步骤如下：一种针对风电系统的风剪塔影脉动的抑制方法，所述的风电系统由风机组件WT、联轴器LZQ、双馈电机DFIG、背靠背变流器VSR、电网平台GRID和数字信号处理单元DSP组成；其中，通过联轴器LZQ将风叶组件WT与双馈电机DFIG连接，并带动双馈电机DFIG旋转发电；双馈电机DFIG产生的一路电流经背靠背变流器VSR的整流后并入电网平台GRID，双馈电机DFIG产生的另一路电流直接并入电网平台GRID；背靠背变流器VSR与数字信号处理单元DSP连接且在矢量脉宽调制算法SVPWM的驱动下，进行实时整流或逆变。

本发明的具体步骤如下所述：

步骤一：获取工作参数

每隔T1时间获取联轴器LZQ和双馈电机DFIG的工作参数，并输送到数字信号处理单元DSP等待处理；数字信号处理单元DSP每隔20个采样周期进行一次采样数值的平均；需要采样的参数具体为：

自联轴器LZQ处获取联轴器的转速ω_wt；

自双馈电机DFIG 处获取双馈电机的额定励磁Ψ_sq、双馈电机定子电压u_s； 

自双馈电机DFIG处获取双馈电机定子的A、B、C相的电压值，依次为A相电压值u_A、B相电压值u_B和C相电压值u_C；

自双馈电机DFIG处获取双馈电机转子的a、b、c相的电流值，依次为a相电流值i_a、b相电流值i_b和c相电流值i_c；

步骤二：设定转子输出功率

设定双馈电机DFIG给定指令无功电流值i_rd*和双馈电机DFIG给定指令转速值ω_r*；其中，作为双馈电机DFIG给定指令无功电流值i_rd*的范围在100A～200A之间；作为双馈电机DFIG给定指令转速值ω_r*的范围在800转/分～1800转/分之间；

步骤三：计算风剪塔影脉动的频率

由公式f_Mp=M*ω_wt/(60）获得风剪塔影脉动的频率f_Mp，其中，M为风叶组件WT的风叶数量，ω_wt为联轴器的转速；

将风剪塔影脉动的频率f_Mp带入公式ω_c=2πf_Mp，获得风剪塔影脉动的角频率ω_c；

将风剪塔影脉动的角频率ω_c带入公式F(s)=K*s/(s²+ω_c*s/Q+ω_c²)，获得带通滤波器F(s)；其中，K为滤波器的增益，ω_c=2πf_Mp为风剪塔影脉动的角频率，Q为滤波器的品质因素；

由公式P_s=3*u_s（Ψ_sq-L_m*i_rq）/（2*L_s）获得双馈电机定子有功功率P_s，其中u_s为双馈电机定子电压，Ψ_sq为双馈电机的额定励磁，i_rq为双馈电机的转子无功电流，L_m为双馈电机的定子和双馈电机的转子之间的互感，L_s为双馈电机的定子电感；

其中, u_s的大小为定子的A、B、C相相电压u_A、u_B和u_C的幅值大小，Ψ_sq的大小为定子电压u_s的幅值大小的1/ω_s倍，ω_s=2πf，f为电网频率；

将所得到的双馈电机有功功率P_s与带通滤波器F(s)相乘，获得风剪塔影脉动的脉动量；

步骤四：进行相位幅值补偿

将步骤三中获得的风剪塔影脉动的脉动量与相位幅值补偿单元G(s)相乘，获得经过延迟处理的脉动量；

所述的相位幅值补偿单元G(s)为一阶惯性环节，其公式为：G(s)=Kp/(1+sT)，其中，时间常数T=tanφ/ω_Mp；K_P为幅值补偿系数；

步骤五：对有功功率进行取反计算

将第步骤四中经过延迟处理的脉动量进行取反处理，获得经过延迟和取反处理的脉动量，其中，取反处理的公式为：x’=-x；

步骤六：获得双馈电机的无功电压指令信号V_rd*

将双馈电机DFIG处获取的双馈电机转子a、b、c相的电流值，即a相电流值i_a、b相电流值i_b和c相电流值i_c进行坐标变换，获得双馈电机DFIG的实际无功电流值i_rd和双馈电机DFIG的实际有功电流值i_rq；

进行坐标变换的公式为：

其中，为双馈电机DFIG中转子的定向角度；双馈电机DFIG中转子的定向角度θ是通过锁相环（PLL）确定的电网角度θ_g与双馈电机转子的电角度θ_r作差得到的；

将双馈电机DFIG实际无功电流值i_rd与双馈电机DFIG给定指令无功电流i_rd*作差并经PI调节器处理获得无功电压指令信号V_rd*，由该无功电压指令信号V_rd*驱动背靠背变流器VSR控制双馈电机DFIG进行无功功率输出；

PI调节器的公式为：

V_rd*=( i_rd*-i_rd)K_P1+( i_rd*-i_rd)K_I1/s

其中，K_P1为比例系数，K_I1为积分系数；

将双馈电机DFIG实际转速ω_wt与双馈电机DFIG给定指令转速ω_wt*作差并通过PI调节器处理获得未进行风剪塔影补偿的原始有功电流指令信号i_rq*； 

PI调节器的公式为：

i_rq*=(ω_wt*-ω_wt)K_P2+(ω_wt*-ω_wt)K_I2/s

其中，K_P2为比例系数，K_I2为积分系数；

步骤七：获得含有风剪塔影脉动抑制量的转矩信号T’

将步骤五计算得到的经过延迟和取反处理的脉动量与步骤六中的未进行风剪塔影补偿的原始有功电流指令信号i_rq*相加，获得含有风剪塔影脉动抑制量的转矩信号T’；

步骤八：获取针对背靠背变流器VSR的有功控制信号，并进行实时整流或逆变

再将步骤七中的含有风剪塔影脉动抑制量的转矩信号T’与有功电流i_rq作差后通过PI调节器获得有功电压指令信号V_rq*；由该有功电压指令信号V_rq*驱动背靠背变流器VSR控制双馈电机DFIG进行有功功率输出；

PI调节器的公式为：

V_rq*=( T’-i_rq)K_P3+( T’-i_rq)K_I3/s

其中，K_P3为比例系数，K_I3为积分系数；

驱动背靠背变流器VSR依据接收到的有功电压指令信号V_rq*和无功电压指令信号V_rd*进行实时整流或逆变，实现对风剪塔影脉动的抑制。

有益的技术效果

本发明可以显著的抑制由风剪塔影效应带来的转矩和功率脉动。采用抑制前，由风剪塔影效应造成的电磁转矩和功率脉动约占各自的6%，脉动非常明显，其脉动应力对整个风力系统的机械部分的损害很大，因为输出功率脉动的原因向电网传输的电能质量也较差。采用抑制控制后，由风剪塔影效应造成的电磁转矩和功率脉动量显著减小，约为控制前的20%，可以有效的保护机械部分，延长其使用寿命，最大限度的保证其可靠运行，向电网输出功率的脉动减小，提高了向电网传输的电能质量。

附图说明

图1为本发明的所针对的风力发电机与控制方法的简视图。

图2为本发明的流程图。

图3为采用本发明的系统的电磁转矩输出特性图。

图4为采用本发明的系统的定子功率输出特性图。

图5为采用本发明的系统的转子功率输出特性图。

具体的实施方式

现结合附图详细说明本发明的技术特点。

参见图1，一种针对风电系统的风剪塔影脉动的抑制方法，所述的风电系统由风机组件WT、联轴器LZQ、双馈电机DFIG、背靠背变流器VSR、电网平台GRID和数字信号处理单元DSP组成；其中，通过联轴器LZQ将风叶组件WT与双馈电机DFIG连接，并带动双馈电机DFIG旋转发电；双馈电机DFIG产生的一路电流经背靠背变流器VSR的整流后并入电网平台GRID，双馈电机DFIG产生的另一路电流直接并入电网平台GRID；背靠背变流器VSR与数字信号处理单元DSP连接且在矢量脉宽调制算法SVPWM的驱动下，进行实时整流或逆变。

参见图2，本发明的具体步骤如下所述：

步骤一：获取工作参数

每隔T1时间获取联轴器LZQ和双馈电机DFIG的工作参数，并输送到数字信号处理单元DSP等待处理；数字信号处理单元DSP每隔20个采样周期进行一次采样数值的平均；需要采样的参数具体为：

自联轴器LZQ处获取联轴器的转速ω_wt；

自双馈电机DFIG 处获取双馈电机的额定励磁Ψ_sq、双馈电机定子电压u_s； 

自双馈电机DFIG处获取双馈电机定子的A、B、C相的电压值，依次为A相电压值u_A、B相电压值u_B和C相电压值u_C；

自双馈电机DFIG处获取双馈电机转子的a、b、c相的电流值，依次为a相电流值i_a、b相电流值i_b和c相电流值i_c；

步骤二：设定转子输出功率

设定双馈电机DFIG给定指令无功电流值i_rd*和双馈电机DFIG给定指令转速值ω_r*；其中，作为双馈电机DFIG给定指令无功电流值i_rd*的范围在100A～200A之间；作为双馈电机DFIG给定指令转速值ω_r*的范围在800转/分～1800转/分之间；

步骤三：计算风剪塔影脉动的频率

由公式f_Mp=M*ω_wt/(60）获得风剪塔影脉动的频率f_Mp，其中，M为风叶组件WT的风叶数量，ω_wt为联轴器的转速；

将风剪塔影脉动的频率f_Mp带入公式ω_c=2πf_Mp，获得风剪塔影脉动的角频率ω_c；

将风剪塔影脉动的角频率ω_c带入公式F(s)=K*s/(s²+ω_c*s/Q+ω_c²)，获得带通滤波器F(s)；其中，K为滤波器的增益，ω_c=2πf_Mp为风剪塔影脉动的角频率，Q为滤波器的品质因素；

由公式P_s=3*u_s（Ψ_sq-L_m*i_rq）/（2*L_s）获得双馈电机定子有功功率P_s，其中u_s为双馈电机定子电压，Ψ_sq为双馈电机的额定励磁，i_rq为双馈电机的转子无功电流，L_m为双馈电机的定子和双馈电机的转子之间的互感，L_s为双馈电机的定子电感；

其中, u_s的大小为定子的A、B、C相相电压u_A、u_B和u_C的幅值大小，Ψ_sq的大小为定子电压u_s的幅值大小的1/ω_s倍，ω_s=2πf，其中，f为电网频率；通常情况下电网频率f的取值为50Hz；

将所得到的双馈电机有功功率P_s与带通滤波器F(s)相乘，获得风剪塔影脉动的脉动量；

步骤四：进行相位幅值补偿

将步骤三中获得的风剪塔影脉动的脉动量与相位幅值补偿单元G(s)相乘，获得经过延迟处理的脉动量；

所述的相位幅值补偿单元G(s)为一阶惯性环节，其公式为：G(s)=Kp/(1+sT)，其中，时间常数T=tanφ/ω_Mp；K_P为幅值补偿系数；

步骤五：对有功功率进行取反计算

将第步骤四中经过延迟处理的脉动量进行取反处理，获得经过延迟和取反处理的脉动量，其中，取反处理的公式为：x’=-x；

步骤六：获得双馈电机的无功电压指令信号V_rd*

将双馈电机DFIG处获取的双馈电机转子a、b、c相的电流值，即a相电流值i_a、b相电流值i_b和c相电流值i_c进行坐标变换，获得双馈电机DFIG的实际无功电流值i_rd和双馈电机DFIG的实际有功电流值i_rq；

进行坐标变换的公式为：

其中，为双馈电机DFIG中转子的定向角度；双馈电机DFIG中转子的定向角度θ是通过锁相环（PLL）确定的电网角度θ_g与双馈电机转子的电角度θ_r作差得到的；

将双馈电机DFIG实际无功电流值i_rd与双馈电机DFIG给定指令无功电流i_rd*作差并经PI调节器处理获得无功电压指令信号V_rd*，由该无功电压指令信号V_rd*驱动背靠背变流器VSR控制双馈电机DFIG进行无功功率输出；

PI调节器的公式为：

V_rd*=( i_rd*-i_rd)K_P1+( i_rd*-i_rd)K_I1/s

其中，K_P1为比例系数，K_I1为积分系数；

将双馈电机DFIG实际转速ω_wt与双馈电机DFIG给定指令转速ω_wt*作差并通过PI调节器处理获得未进行风剪塔影补偿的原始有功电流指令信号i_rq*； 

PI调节器的公式为：

i_rq*=(ω_wt*-ω_wt)K_P2+(ω_wt*-ω_wt)K_I2/s

其中，K_P2为比例系数，K_I2为积分系数；

步骤七：获得含有风剪塔影脉动抑制量的转矩信号T’

将步骤五计算得到的经过延迟和取反处理的脉动量与步骤六中的未进行风剪塔影补偿的原始有功电流指令信号i_rq*相加，获得含有风剪塔影脉动抑制量的转矩信号T’；

步骤八：获取针对背靠背变流器VSR的有功控制信号，并进行实时整流或逆变

再将步骤七中的含有风剪塔影脉动抑制量的转矩信号T’与有功电流i_rq作差后通过PI调节器获得有功电压指令信号V_rq*；由该有功电压指令信号V_rq*驱动背靠背变流器VSR控制双馈电机DFIG进行有功功率输出；

PI调节器的公式为：

V_rq*=( T’-i_rq)K_P3+( T’-i_rq)K_I3/s

其中，K_P3为比例系数，K_I3为积分系数；

驱动背靠背变流器VSR依据接收到的有功电压指令信号V_rq*和无功电压指令信号V_rd*进行实时整流或逆变，实现对风剪塔影脉动的抑制。

参见图3，图3的上半部分为抑制前由风剪塔影效应造成的电磁转矩和功率脉动，脉动非常明显，图3的下半部分为采用抑制控制后，由风剪塔影效应造成的电磁转矩和功率脉动量显著减小且平滑。

参见图4，图4的上半部分为抑制前由风剪塔影效应造成的电磁转矩和功率脉动，脉动非常明显，图4的下半部分为采用抑制控制后，由风剪塔影效应造成的电磁转矩和功率脉动量显著减小且平滑。

参见图5，图5的上半部分为抑制前由风剪塔影效应造成的电磁转矩和功率脉动，脉动非常明显，图5的下半部分为采用抑制控制后，由风剪塔影效应造成的电磁转矩和功率脉动量显著减小且平滑。

由图3、4、5综合分析可知，使用本方法前，由于无法有效抑制风剪塔影效应造成的电磁转矩和功率脉动约占各自的4-6%，采用抑制控制后，由风剪塔影效应造成的电磁转矩和功率脉动显著降低，约为控制前电磁转矩和功率脉动值（幅度）的20%。