一种用于应对持续性湍流激励的扭振抑制控制方法与流程

本发明涉及发电机转矩控制技术领域，尤其是涉及一种用于应对持续性湍流激励的扭振抑制控制方法。

背景技术：

湍流风是持续性作用于轴系的激励源，对轴系部件(含齿轮箱、轴承、叶片)等部件的疲劳损伤产生不利的影响，会造成上述部件提前失效，不利于风电机组高效可靠运行。

与本发明最相近似的实现方案是通过带通滤波器提取发电机转速的轴系扭振特征频率分量，并以此施加主动阻尼。

在随机波动风速的激励下，轴系扭振除了特征频率分量外，还存在与风速波动频率相吻合的、较宽频率分布的受迫扭振。

分析发现，现有技术仅能对轴系扭振频率分量起到较好的抑制作用，对受迫扭振不仅无效，还可能存在负面影响(与带通滤波器参数相关)。

此外，现有技术中设计到的带通滤波器，以最常用的二阶带通滤波器为例，包含带通滤波器增益系数、带通滤波器阻尼比、带通滤波器中心频率三个参数。目前关于带通滤波器增益系数和带通滤波器阻尼比没有统一的设计标准。另外，现有技术带通滤波器中心频率的设计没有考虑电气阻尼变化对有阻尼振荡频率的影响。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于应对持续性湍流激励的扭振抑制控制方法，作为一种能够应对持续性湍流激励的受迫扭振镇定方法，包括消除现有技术对受迫扭振的负面影响。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于应对持续性湍流激励的扭振抑制控制方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：针对风电机组常规发电机转矩控制所产生的转矩参考值后添加低通滤波器并整定该低通滤波器中的参数τ；

步骤2：针对风电机组常规发电机转矩控制中的转速环pi调节器的比例系数进行优化设计；

步骤3：针对风电机组常规发电机转矩控制中用于施加轴系主动阻尼的带通滤波器进行参数优化设计；

步骤4：单独执行步骤1、步骤2和步骤3其中任意一步或按顺序组合执行步骤1、步骤2和步骤3时，湍流持续激励下的受迫扭振受到抑制控制。

进一步地，所述的步骤1包括以下分步骤：

步骤101：针对风电机组常规发电机转矩控制所产生的转矩参考值后添加低通滤波器；

步骤102：建立从风速小扰动到传动扭矩小扰动的传递函数，以在该传递函数的幅频响应综合下降最为显著为原则整定低通滤波器中的参数τ。

进一步地，所述的步骤102包括以下分步骤：

步骤1021：依据风电机组常规发电机转矩控制中转矩参考值与发电机转速之间的关系式，于某一稳态工作点对其线性化并做拉普拉斯变换，得到从发电机风速小扰动δωg(s)到发电机传动扭矩小扰动δte(s)的传递函数

步骤1022：利用步骤1021中的该稳态工作点可对包含柔性连接的传动系统模型和风力机气动模型分别进行线性化并做拉普拉斯变换；

步骤1023：综合线性化的传动系统模型、风力机气动模型以及传递函数列写得到从风速波动到传动轴扭矩波动的传递函数并进一步编制不同的低通滤波器中的参数下的幅频响应曲线；

步骤1024：基于不同的低通滤波器中的参数下的幅频响应曲线通过定性或定量的方法对低通滤波器中的参数进行整定。

进一步地，所述的步骤1024中基于不同的低通滤波器中的参数下的幅频响应曲线通过定性的方法对低通滤波器中的参数进行整定的过程具体包括：逐渐增加低通滤波器参数τ并对比不同τ下的幅频响应曲线，满足0.1hz以下频段内的幅频响应均不超出频率为0处幅频响应这一条件所对应的最大τ值即为优选的低通滤波器参数。

进一步地，所述的步骤1024中基于不同的低通滤波器中的参数下的幅频响应曲线通过定量的方法对低通滤波器中的参数进行整定的过程具体包括以下步骤：

步骤s1：根据该风电机组所处地理位置的历史风速数据，建立用于描述自然风速蕴含能量在不同频率段分布的能量谱密度psd(ω)；

步骤s2：在不同的低通滤波器参数τ下，取风速能量谱密度与幅频响应的乘积对频率进行积分，以积分值最小对应的参数τ即为优选的滤波器参数；

所述步骤s2中的积分的上下限选取为幅频响应与τ＝0情况下幅频响应满足差别条件所对应的频率区间，该差别条件具体包括：任意频率小于ω1的频段内当前τ值下幅频响应与τ＝0情况下幅频响应的相对误差小于某一值，如1％；任意频率大于ω2的频段内当前τ值下幅频响应与τ＝0情况下幅频响应的相对误差小于某一值，如1％。

进一步地，所述的步骤2的优化设计具体包括：降低风电机组发电机转矩控制的转速环pi调节器比例参数kp，进一步还能够优选的设置仅当转速偏离转速参考值小于设定值时减小kp，当转速偏离转速参考值大于设定值时恢复原有比例参数的控制逻辑。

进一步地，所述的步骤3具体包括以下分步骤：

步骤301：根据轴系关键部件的疲劳极限确定带通滤波器的增益系数；

步骤302：将带通滤波器的增益系数作为发电机等效自阻尼，以确定轴系主导振荡模态的有阻尼振荡频率，将带通滤波器中心频率设计为该有阻尼振荡频率；

步骤303：按照带通滤波器的通带频率宽度设计滤波器的其余参数。

进一步地，所述的步骤301中根据轴系关键部件的疲劳极限确定带通滤波器的增益系数的过程具体包括：基于现场测试数据或仿真数据，逐渐增加带通滤波器的增益系数，当其对应使得轴系主导振荡模态的扭振落在相应部件的疲劳极限以内时，取此时对应的增益系数作为带通滤波器的增益系数。

进一步地，所述的步骤303具体包括：当采用二阶带通滤波器时，滤波器阻尼比取为0.2～0.3；若采用其他带通滤波器，以该带通滤波器的通带频率宽度与二阶带通滤波器阻尼比取0.2～0.3时相同为原则设计带通滤波器的其余参数。

进一步地，该用于应对持续性湍流激励的扭振抑制控制方法还能够用于风电传动系统传动轴以外的其他部件的降载，包括柔性桨叶在旋转平面内的扭振。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明控制方法通过步骤1：针对风电机组常规发电机转矩控制所产生的转矩参考值后添加低通滤波器并整定该低通滤波器中的参数；步骤2：针对风电机组常规发电机转矩控制中的带通滤波器进行施加轴系主动阻尼的控制器参数优化设计；步骤3：针对风电机组常规发电机转矩控制中的转速环pi调节器的比例系数进行优化设计三步，可以更好的对湍流持续激励下的受迫扭振进行抑制。

(2)采用本发明的三项子技术，即对应控制方法中的步骤1、2和3或采用本发明子技术一和子技术二，即对应控制方法中的步骤1和2，可有效降低湍流激励下的传动轴扭矩。

附图说明

图1为本发明的控制方法所对应的控制逻辑示意图；

图2为本发明实施例中的自动调节比例系数的pi控制逻辑示意图，其中图2(a)为常规pi控制逻辑示意图，图2(b)为自动调节比例系数的pi控制逻辑示意图；

图3为本发明的控制方法在平均风速5m/s湍流风下的测试效果示意图；

图4为本发明的控制方法在平均风速8m/s湍流风下的测试效果示意图；

图5为本发明的控制方法中不同参数τ下的的幅频特性曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

具体实施例

在本发明方案之前，已经基于理论分析得出应对湍流激励的轴系扭振时，发电机转矩提供的轴系电气阻尼需要在低频段足够低、在轴系扭振主导振荡模式附近应足够高的结论。以上述结论为原则和指导，设计了本发明的三项子技术，三项子技术单独采用时均可获得一定的效果，组合采用时效果更佳。

子技术一：采用低通滤波器消除低频段的轴系电气阻尼。

第一步，在风电机组发电机转矩控制产生的转矩参考值后增加一个低通滤波器得到新的发电机转矩参考值，记为发电机转矩参考值1；

第二步，建立从风速小扰动到传动轴扭矩小扰动的传递函数以在的幅频响应综合下降最为显著为原则整定低通滤波器中的参数τ；

具体步骤如下：

①依据发电机转矩参考值1与发电机转速之间的关系式，在某一稳态工作点对其线性化并做拉普拉斯变换，得到从发电机转速小扰动δωg(s)到发电机转矩小扰动δte(s)的传递函数

②在步骤①中的同一稳态工作点对包含柔性连接的传动系统模型和风力机气动模型分别进行线性化并做拉普拉斯变换；

③综合线性化的传动系统模型、线性化的风力机气动模型以及可以列写得到从风速波动到传动轴扭矩波动的传递函数进一步可编制不同参数τ下的幅频响应曲线；

对应实施例，当发电机转矩采用最优转矩控制且施加低通滤波器并通过带通滤波器施加主动阻尼时，发电机转矩可写为：

对上式线性化可得

对两质量块轴系模型在稳态工作点(ta0＝ts0＝te0)线性化并做拉式变换(s为拉式算子)，得到：

对风力机气动转矩为：

在最大功率跟踪段时，dcp/dλ≈0，对气动转矩线性化可得：

综合(2)、(3)、(5)可得从风速波动到传动轴扭矩波动的传递函数

④一种定性的参数τ的设计方法是，绘制不同参数τ下的的幅频特性曲线，以在大部分频段的幅频响应显著下降、且仅少部分频段的幅频响应略微上升为原则整定低通滤波器中的参数τ。

本实施例中，对某台特定的风电机组应用上述分析，得出的幅频响应如图5所示，其中τ＝0等同于不采用低通滤波器(即现有的常规控制结构)。在该案例下对比可见，当τ＝10时，0.1hz以内的幅频响应均未超出频率为0时的幅频响应；当τ＝15时，0.006hz附近的幅频响应超出频率为0时的幅频响应。因此该案例下，取τ＝10左右较为合适。

⑤一种定量的参数τ的设计方法，还需结合该地区的历史风速数据。

具体的，根据该风电机组所处地理位置的历史风速数据，建立描述其自然风速蕴含能量在不同频率段分布的能量谱密度psd(ω)，以表示不同频率ω下的幅频响应，计算不同参数τ下的其中积分上限频率ω2的选取原则是自然风速几乎不包含高于该频率的波动分量(典型值是2hz对应的角频率)，积分下限频率ω1取为τ不对产生影响的频率分界点(典型值是0.0002hz对应的角频率)。最小所对应的参数τ即为优选的参数τ设计值。

子技术二：对常规通过带通滤波施加轴系主动阻尼的控制器参数进行优化设计。

第一步，根据轴系关键部件的疲劳极限(又名疲劳强度)确定带通滤波器的增益系数。具体的，采用现场测试数据或仿真数据，当逐渐增加带通滤波器的增益系数使得轴系主导振荡模态的扭振大部分落在相应部件的疲劳极限以内时，认为此时的带通滤波器增益系数是合适的；

第二步，以带通滤波器增益系数作为发电机等效自阻尼，可确定轴系主导振荡模态的有阻尼振荡频率，将带通滤波器中心频率设计为此有阻尼振荡频率；

以两质量块轴系模型为例，忽略发电机自阻尼和风力机自阻尼时，原有的轴系模型如下

可求得一个无阻尼振荡频率单位rad/s。

当计入带通滤波器的作用时，求取有阻尼振荡频率时，将带通滤波器的增益系数作为发电机等效自阻尼列写在轴系模型中，得到：

据此可以求取特征根，其中存在一对共轭复根σ+jω，且其虚部所对应角频率ω与ωosc接近，则此虚部所对应角频率ω即为有阻尼振荡频率。

第三步，按照带通滤波器的通带频率宽度设计滤波器的其余参数。具体的，当采用二阶带通滤波器时，滤波器阻尼比取为0.2至0.3；若采用其它带通滤波器，以带通滤波器的通带频率宽度与二阶带通滤波器阻尼比取0.2～0.3时相当为原则设计带通滤波器的其余参数。

子技术三：降低风电机组发电机转矩控制的转速环pi调节器比例系数kp。考虑到降低转速环pi调节器比例系数kp会造成机组转速波动增加的问题，还需要设置仅当转速偏离转速参考值较小时减小kp；当转速偏离转速参考值较大时，恢复为原有比例系数。

一种具体的自动调节比例系数的pi的实施例见图2所示，其中kp是常规pi控制中的参数。用自动调节比例系数的pi替换常规pi时，若转速环的转速偏差的绝对值较小，kp1<kp；若转速环的转速偏差绝对值大于b2，滞环输出为1，从而比例系数自动调整为原有kp值。

实际仿真验证：

本发明经过仿真验证是可行的。在一段平均风速为5m/s的湍流风速下，设置三组仅发电机转矩控制不同的仿真，三组仿真分别采用现有带通滤波加阻尼技术、同时采用本发明的三项子技术、采用本发明子技术一和子技术二，测试结果见图3。可见，本发明技术可有效降低湍流激励下的传动轴扭矩。

在另一段平均风速为8m/s的湍流风速下，同样设置三组相同的仿真，测试结果见图4。可见，本发明技术可有效降低湍流激励下的传动轴扭矩。

更多实施例

本发明以传动轴扭矩的扭振为对象进行叙述，上述方法通过消化吸收再移植，还可用于传动系统其它部分的扭振抑制，例如柔性桨叶在旋转平面内的扭振。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。