双馈风电机组传动轴系统中稳定器的设计方法、稳定器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及双馈风电机组传动轴系统中稳定器的设计方法、稳定器，其中，设计方法包括：获得电磁转矩增量ΔTe和电机转速增量Δωg之间的复频域闭环传递函数E(s)；将所述复频域闭环传递函数E(s)分解为E(s)＝dH(s)；获得额定运行条件下扭转振荡频率ωi处的相位θH；根据相位θH确定稳定器的补偿角根据补偿角获得稳定器传递函数Gd(s)，实现双馈风电机组传动轴系统中稳定器的设计。相比于现有的稳定器设计方法，本发明保证了稳定器在相同增益下具有更有效的控制性能，对于降低暂态期间传动轴系统的转矩冲击、提高风电机组传动轴系统机械寿命及可靠性具有重要意义。
【专利说明】双馈风电机组传动轴系统中稳定器的设计方法、稳定器
【技术领域】
[0001] 本发明涉及风力发电【技术领域】，特别涉及一种双馈风电机组传动轴系统中稳定器 的设计方法W及通过该方法获得的稳定器。
【背景技术】
[0002] 双馈风电机组中大惯性（2?6s)、低速旋转的叶轮通常通过柔性传动轴系统（包 括低速轴、齿轮箱、高速轴、联轴器等）与小惯性（0.4?0.8s)、高速旋转的发电机转子禪 合。联轴器和齿轮箱的存在使得双馈风电机组的传动轴系统（或称轴系）具有较低的等效 机械刚度（0. 3?0.化u/ele. rad)。在受到来自机械侧（如风速变化）或电气侧（如短路故 障等）的扰动时，传动轴系统会表现出类似于扭转弹黃的振荡特性（振荡频率约为0. 1? 10化），称之为扭转振荡或轴系振荡。
[0003] 对于恒速风电机组，感应电机固有的电磁转矩-转速物理特性使得暂态期间轴系 振荡迅速衰减；而对于双馈风电机组，当其运行于恒转矩或恒功率模式时或者配置有其它 提供电网支撑的有功控制器（如虚拟惯性控制器、有功调制器），变流器的快速有源控制使 得电机固有电气阻尼为零甚至为负。暂态时弱阻尼的扭转振荡会在双馈风电机组轴系产生 较大的转矩脉动和转矩冲击，不仅会降低传动轴系统（特别是齿轮箱）的机械寿命和可靠 性，增加传动轴系统的维护成本，严重时还会引起风电机组因相应保护动作（如转速保护） 而停运。不仅如此，额定风速W上时，扭转振荡所造成的转速波动还会引起奖距控制系统的 频繁动作从而增加其故障率。另外，由双馈风电机组转速振荡引起的风电机组有功振荡还 可能作为扰动源激发电力系统在该频率附近的低频振荡模式。因此，维持风电机组传动轴 系统较高的阻尼水平对于提高风电机组可靠性W及保证电力系统安全稳定运行具有重要 意义。
[0004] 为提高双馈风电机组轴系振荡阻尼，近年来国内外学者对传动轴系统稳定器或阻 尼控制器开展了相关的研究。现有的稳定器可分为两类：第一类是设计时完全忽略了风电 机组电磁转矩-转速回路的电气动态；第二类是用假定的惯性时间常数来近似等效电磁转 矩-转速回路的电气动态。实际上，由于双馈风电机组闭环回路存在动态过程，如控制器的 动态（有功外环调节器、电流内环调节器）和控制对象的惯性（电机本体），造成了阻尼控 制器输出量与控制对象被控量（如电磁转矩）之间的相位滞后，无论是完全忽略还是用假 定的时间常数来近似等效电磁转矩-转速回路的电气动态均无法精确地计及电磁转矩-转 速回路的相位滞后特性，上述不恰当的简化不仅会影响阻尼控制器的控制性能，严重时还 可能起到相反的效果（引起负阻尼）。因此，准确地获取该相位特性并对此实施恰当的相位 补偿是设计双馈风电机组轴系振荡稳定器的关键步骤。
【发明内容】
[0005] 为解决上述技术问题，本发明提出一种双馈风电机组传动轴系统中稳定器的设计 方法、稳定器，能够基于双馈风电机组的数学模型解析准确地获取稳定器所需的相位补偿 角。
[0006] 为实现上述目的，本发明提供了一种双馈风电机组传动轴系统中稳定器的设计方 法，设计方法包括：
[0007] 获得电磁转矩增量AT。和电机转速增量A COg之间的复频域闭环传递函数E(S);
[0008] 将所述复频域闭环传递函数E(S)分解为E(S)=地(S);
[0009] 获得额定运行条件下扭转振荡频率《 i处的相位0 H ;
[0010] 根据相位确定稳定器的补偿角庐
[0011] 根据补偿角巧获得稳定器传递函数Gd(S)，实现双馈风电机组传动轴系统中稳定 器的设计。
[0012] 优选地，设计方法还包括：
[0013] 利用所述相位0H、补偿角I口定稳定器输出后的净阻尼转矩增量ATdD
[0014] 优选地，所述获得额定运行条件下扭转振荡频率《 i处的相位e H的方法为：0 H = arg(H(j?i))，arg(〇表示取相角函数。
[0015] 优选地，所述补偿角刮的计算公式为：
[0016] 口 =-化 。
[0017] 优选地，所述根据补偿角庐获得稳定器传递函数的步骤包括：
[0018] 根据补偿角确定相位补偿环节数m、超前校正时间常数Ti、滞后校正时间常数 了2 ;同时，根据所述双馈风电机组传动轴系统实际运行需要确定隔直环节时间常数T，、稳定 器增益K,tab和限幅环节幅值常数Uiim的取值情况；
[0019] 利用相位补偿环节数m、超前校正时间常数Ti、滞后校正时间常数T,、稳定器增益 隔直环节时间常数T，和限幅环节幅值常数Uiim确定稳定器的传递函数。
[0020] 优选地，所述相位补偿环节数m的计算公式为：
[0021]
【权利要求】
1. 一种双馈风电机组传动轴系统中稳定器的设计方法，其特征在于，设计方法包括： 获得电磁转矩增量和电机转速增量△ ?g之间的复频域闭环传递函数E(S); 将所述复频域闭环传递函数E(s)分解为E(s) = dH(s); 获得额定运行条件下扭转振荡频率处的相位9 H ; 根据相位911确定稳定器的补偿角仍 根据补偿角⑷获得稳定器传递函数Gd(S)，实现双馈风电机组传动轴系统中稳定器的 设计。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，设计方法还包括： 利用所述相位eH、补偿角0确定稳定器输出后的净阻尼转矩增量A Td。
3. 如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述获得额定运行条件下扭转振荡频率 处的相位0H的方法为：0H = arg(H(j (Oi))，arg( ?)表示取相角函数。
4. 如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述补偿角纠的计算公式为： (P=-Or 。
5. 如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述根据补偿角P获得稳定器传递函数 的步骤包括： 根据补偿角糾确定相位补偿环节数m、超前校正时间常数T1、滞后校正时间常数T2 ;同 时，根据所述双馈风电机组传动轴系统实际运行需要确定隔直环节时间常数Tw、稳定器增 益Kstab和限幅环节幅值常数Ulim的取值情况； 利用相位补偿环节数m、超前校正时间常数T1、滞后校正时间常数T2、稳定器增益Kstab、 隔直环节时间常数Tw和限幅环节幅值常数Ulim确定稳定器的传递函数。
6. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述相位补偿环节数m的计算公式为：
式中，[?]表示取整函数。
7. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述超前校正时间常数T1的计算公式为：
其中，Qi为双馈风电机组传动轴系统的固有扭转振荡频率，
m为相 位补偿环节数，0为补偿角。
8. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述滞后校正时间常数T2的计算公式为： T2= a Ji
其中，Dg表示净阻尼转矩系数。
10. -种如权利要求1?9的设计方法获得的稳定器。
【文档编号】H02P9/06GK104362916SQ201410674616
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年11月21日 优先权日:2014年11月21日
【发明者】孙荣富, 程林, 王立新, 马锁明, 崔正湃, 王若阳, 王靖然, 崔慧军 申请人:国家电网公司, 国网冀北电力有限公司, 清华大学