专利名称：抑制大型风电机组振动的控制系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种控制系统，尤其涉及一种抑制大型风电机组振动的控制系 统。
背景技术：
对于大型变速变桨风力发电机组，在额定风速以下，发电机转速可以随风速变化 而调节，通过变流器控制发电机电磁转矩，维持最佳叶尖速比，追踪最大风能；在额定风速 以上，通过变桨控制系统调整桨距角来改变叶片气动特性，控制风力发电机吸收的风能，保 证风电机组的输出功率和转速稳定，但由于以下原因，风力发电机组容易产生振动。(1)在恒速风力发电机组中，感应发电机滑差曲线像一个很强的阻尼器，使得转矩 随着转速的增加而迅速增加。传统系统的扭振存在着很大的阻尼，一般不会引起什么问题， 然而，在额定风速以上，变速风电机组工作在恒转矩(或接近恒转矩)的模式下，只有很小 的阻尼，因为转矩不再随着风速的变化而变化(或变化很小)，在非常低的阻尼下会导致齿 轮箱等传动部件有较大的转矩振动。(2)湍流、塔影、风切变以及风机载荷的变化都可能使得风力发电机的传动系统和 塔架产生振动，振动通过变桨系统或变流器的放大，反过来通过外部激励作用到电机和风 轮上。当激振频率接近风力发电机组某部件的固有频率时，将产生受迫振动，导致风力发电 机组运行不稳定，特别是叶片，作为吸收风能的主要部件，受风和载荷的影响最大，一旦叶 片或齿轮箱和变桨控制或变流器控制发生耦合，在控制回路中将不断放大传动系统的微小 振荡，风力发电机组将发生自激振荡，甚至共振。(3)在额定风速下，风力发电机通过变桨控制来保持恒定功率输出。由于风力发电 机的变桨控制是通过叶片的气动特性来控制载荷转矩的，过度的变桨动作可能会引起塔架 和传动系统的振动。(4)塔架的前后振动是很弱的阻尼振荡，具有很强的谐振响应，即使在风速很小的 时候也可以保持很强的谐振，响应的快慢取决于阻尼的大小，即来自于风轮的等效机械阻 尼。为了抑制风力发电机组的振动，可以从以下四个方面考虑去解决问题(1)人为地加入一些机械阻尼，如通过设计适当的减震装置(减震器)或耦合器 (用于发电机或齿轮箱)，但这会增加相应的成本；(2)通过控制发电机输出到变流器的电磁转矩，来衰减振荡；(3)在变桨控制中衰减因叶片穿越频率和传动链谐振频率引起的机组振荡；(4)在保证功率输出的前提下，减少不必要的变桨动作；(5)塔架振动控制，增加等效阻尼，来衰减机组振动。
发明内容本实用新型的主要目的在于提供一种抑制大型风电机组振动的控制系统，可以有效衰减或消除变速变桨风力发电机组振动。为了达到上述目的，本实用新型提供了一种抑制变速变桨风力发电机组振动的控 制系统，包括风电机组主控制器和变桨装置；所述变桨装置包括塔架阻尼控制器、变桨变频器、变桨电机和变桨传动模块，其 中，所述塔架阻尼控制器包括振动测量单元和阻尼控制单元；所述振动测量单元，与所述阻尼控制单元的输入端连接，将测量得到的风力发电 机组的振动加速度传送至所述阻尼控制单元；所述风电机组主控制器和所述阻尼控制单元的输出端分别与所述变桨变频器的 输入端连接；所述变桨变频器的输出端、所述变桨电机、所述变桨传动模块和叶片依序连接。实施时，所述转速测量单元和所述带通滤波单元之间还连接有陷频滤波单元。实施时，本实用新型所述的抑制变速变桨风力发电机组振动的控制系统，还包括 变流装置；所述变流装置包括传动链阻尼控制器、PI控制器和变流变频器；所述传动链阻尼控制器包括转速测量单元和带通滤波单元，其中，所述转速测量单元与所述带通滤波单元的输入端连接，用于将测量得到的风力发 电机的转子的转速传送至所述带通滤波单元；所述带通滤波单元和所述风机主控制器分别与所述PI控制器的输入端连接；所述PI控制器的输出端与所述变流变频器的输入端连接，所述变流变频器的输 出端与风力发电机连接。实施时，所述振动测量单元和所述阻尼控制单元之间还连接有陷频滤波单元。与现有技术相比，本实用新型所述的抑制大型风电机组振动的控制系统，可以有 效衰减或消除变速变桨风力发电机组振动。
图1是本实用新型包括的变流装置的结构图；图2A是变桨变速风力发电机组运行于三围湍流风下的仿真图；图2B是在引入传动链阻尼控制器后，变桨变速风力发电机组运行于三围湍流风 下的仿真图；图3是本实用新型包括的变桨装置的结构图；图4A、图4B分别为带有加速度反馈项和没有加速度反馈项的仿真图。
具体实施方式
本实用新型提供了一种可以有效衰减或消除变速变桨风力发电机组振动的控制 系统。本实用新型所述的抑制变速变桨风力发电机组振动的控制系统包括风电机组主 控制器、变流装置和变桨装置。如图1所示，所述变流装置包括传动链阻尼控制器、PI控制器和变流变频器，其中，所述传动链阻尼控制器包括转速测量单元和带通滤波单元，其中，所述转速测量单元与所述带通滤波单元的输入端连接，用于将测量得到的风力发 电机的转子的转速传送至所述带通滤波单元；所述带通滤波单元的形式如下G ^+1ξω8 + ω2其中，G是增益，作用在测量
的发电机转速上产生波动，角频率ω必须在传动链谐振频率附近，时间常数τ用于补偿系 统的时间滞后。在设计滤波器时，可能会引入低频时转矩和功率的变化，即使峰值很小，也会有很 大的频率响应，以叶片的穿越频率的倍数来干扰系统，如3Ρ或6Ρ，在这种情况下可以在所 述转速测量单元和所述带通滤波单元之间连接一陷频滤波单元。所述带通滤波单元和所述风机主控制器分别与所述PI控制器的输入端连接；所述风机主控制器将预先给定的转矩传送至所述PI控制器；所述带通滤波单元将输出的在传动系统谐振频率上的扰动转矩传送至所述PI控 制器，通过相位的调整来抵消谐振的作用，有效地增加传动系统的阻尼。所述PI控制器的输出端与所述变流变频器的输入端连接，所述变流变频器的输 出端与所述风力发电机连接。图2Α是变桨变速风力发电机组运行于三围湍流风下的仿真图，从图中可以看出， 传动系统正在产生一个很大的谐振，尽管发电机转矩变化时平稳，但是齿轮箱会受到严重 的损坏。而如图2Β所示，在引入传动链阻尼控制器后，从仿真图中可看出，加入谐振的激励 很小，用于阻尼谐振的转矩拨动实际上也非常小，在没有增加发电机功率拨动的情况下几 乎完全消除了系统谐振。如图3所示，所述变桨装置包括塔架阻尼控制器、变桨变频器、变桨电机和变桨传 动模块，其中，所述塔架阻尼控制器包括振动测量单元和阻尼控制单元；所述振动测量单元，与所述阻尼控制单元的输入端连接，将测量得到的风力发电 机组的振动加速度传送至所述阻尼控制单元；所述风电机组主控制器和所述阻尼控制单元的输出端分别与所述变桨变频器的 输入端连接；所述变桨变频器的输出端、变桨电机、变桨传动模块和叶片依序连接。塔架的动态特性可以用简单的二阶谐波阻尼系统近似进行描述Mx+Dx+Kx = F+ Δ F式中，χ为塔架的位移，F为外加力，这里代表叶轮的推力，AF为由变桨控制 动作所引起的附加应力，M为塔架的等效模态质量，K为模态的刚度系数，则塔架频率为 ^jK/Mrad/s。如果AF与-χ成正比，可以明显增加有效阻尼振荡。因为测量加速度要比
测量速度容易，因此通过对塔架加速度的积分来推出χ的变化。为了得到精确的附加阻尼 Dp，由应力对桨距角的偏微分坳可以得到AF合适的增益，其中β为桨距角。
权利要求一种抑制变速变桨风力发电机组振动的控制系统，其特征在于，包括风电机组主控制器和变桨装置；所述变桨装置包括塔架阻尼控制器、变桨变频器、变桨电机和变桨传动模块，其中，所述塔架阻尼控制器包括振动测量单元和阻尼控制单元；所述振动测量单元，与所述阻尼控制单元的输入端连接，将测量得到的风力发电机组的振动加速度传送至所述阻尼控制单元；所述风电机组主控制器和所述阻尼控制单元的输出端分别与所述变桨变频器的输入端连接；所述变桨变频器的输出端、所述变桨电机、所述变桨传动模块和叶片依序连接。
2.如权利要求1所述的抑制变速变桨风力发电机组振动的控制系统，其特征在于，所 述振动测量单元和所述阻尼控制单元之间还连接有陷频滤波单元。
3.如权利要求1所述的抑制变速变桨风力发电机组振动的控制系统，其特征在于，还 包括变流装置；所述变流装置包括传动链阻尼控制器、PI控制器和变流变频器；所述传动链阻尼控制器包括转速测量单元和带通滤波单元，其中，所述转速测量单元与所述带通滤波单元的输入端连接，用于将测量得到的风力发电机 的转子的转速传送至所述带通滤波单元；所述带通滤波单元和所述风机主控制器分别与所述PI控制器的输入端连接；所述PI控制器的输出端与所述变流变频器的输入端连接，所述变流变频器的输出端 与风力发电机连接。
4.如权利要求3所述的抑制变速变桨风力发电机组振动的控制系统，其特征在于，所 述转速测量单元和所述带通滤波单元之间还连接有陷频滤波单元。
专利摘要本实用新型提供了一种抑制变速变桨风力发电机组振动的控制系统，包括风电机组主控制器和变桨装置；所述变桨装置包括塔架阻尼控制器、变桨变频器、变桨电机和变桨传动模块，其中，所述塔架阻尼控制器包括振动测量单元和阻尼控制单元；所述振动测量单元，与所述阻尼控制单元的输入端连接，将测量得到的风力发电机组的振动加速度传送至所述阻尼控制单元；所述风电机组主控制器和所述阻尼控制单元的输出端分别与所述变桨变频器的输入端连接；所述变桨变频器的输出端、所述变桨电机、所述变桨传动模块和叶片依序连接。本实用新型可以有效衰减或消除变速变桨风力发电机组振动。
文档编号F03D7/00GK201747523SQ20102028844
公开日2011年2月16日 申请日期2010年8月11日 优先权日2010年8月11日
发明者刘志, 李磊, 杨明明 申请人:华锐风电科技(集团)股份有限公司