风力发电机组的滤波系统和控制系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型实施例提供一种风力发电机组的滤波系统和控制系统，所述滤波系统包括滤波器组和控制器，所述滤波器组包括多路并联连接的滤波器电路，每路滤波器电路包括串联连接的滤波器和开关，所述控制器与所述滤波器组相连，所述滤波器组中的至少一路滤波器电路导通后对所述风力发电机组的发电机转速信号进行处理。采用本实用新型实施例提供的技术方案，经过滤波器组处理的发电机转速信号中的异常频率信号尽量被衰减，在风机后续根据发电机转速信号生成变流系统控制信号或者变桨系统控制信号的控制过程中，减少异常频率能量的积累，进而减少机组的故障率，同时降低机组整机疲劳以及振动。
【专利说明】
风力发电机组的滤波系统和控制系统
技术领域
[0001] 本实用新型涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种风力发电机组的滤波系统和控 制系统。
【背景技术】
[0002] 随着新能源风力发电市场竞争日趋激烈，市场对大叶轮大容量风力发电机组（以 下简称机组）的需求越来越强。大叶轮大容量机组中的风机叶轮直径以及机组容量等装机 参数都增大，相应的，对于大叶轮大容量机组而言，根据发电机转速信号生成变流系统控制 信号或者变桨系统控制信号的控制过程中，如果发电机转速信号中存在较多的毛刺信号， 一方面，机组的主控系统可能会报出过速或者变桨电机温升过高等故障，另一方面，毛刺信 号代表发电机转速信号中的异常频率信号衰减不足，从而形成异常频率能量的积累，使得 机组整机疲劳增大以及振动增大。目前，采用二阶低通滤波器与二阶带阻滤波器进行组合 对发电机转速信号进行过滤，过滤后的发电机转速信号中存在较多的毛刺信号，影响风力 发电机组的整机满发与安全运行。 【实用新型内容】
[0003] 本实用新型的目的在于提供一种风力发电机组的滤波系统和控制系统，降低风力 发电机组的整机疲劳与振动，提高整机的安全性和稳定性。
[0004] 为达到上述目的，本实用新型的实施例采用如下技术方案：
[0005] -种风力发电机组的滤波系统，所述滤波系统包括滤波器组和控制器，所述滤波 器组包括多路并联连接的滤波器电路，每路滤波器电路包括串联连接的滤波器和开关，所 述控制器与所述滤波器组相连，所述滤波器组中的至少一路滤波器电路导通后对所述风力 发电机组的发电机转速信号进行处理。
[0006] 可选地，所述滤波器组中的滤波器分别为不同阶的低通滤波器;或者，所述滤波器 组中的滤波器分别为同阶的第一带阻滤波器。
[0007] 可选地，所述滤波系统还包括带通滤波器，所述带通滤波器分别与所述滤波器组 和控制器相连。
[0008] 可选地，所述滤波系统还包括第二带阻滤波器，所述第二带阻滤波器与所述滤波 器组相连。
[0009] 可选地，所述滤波系统包括用于输出处理后的发电机转速信号的第一通信接口， 所述第一通信接口与所述风力发电机组的变流控制系统和/或变桨控制系统相连。
[0010] 可选地，所述控制器包括输入所述发电机转速信号的第二通信接口，所述第二通 信接口与所述风力发电机组的主控系统相连。
[0011] 本实用新型还提供一种风力发电机组的控制系统，包括如前所述的任一种风力发 电机组的滤波系统以及变流控制系统和/或变桨控制系统，所述滤波系统与所述变流控制 系统相连，并且/或者，所述滤波系统与所述变桨控制系统相连。
[0012] 可选地，所述变流控制系统与所述风力发电机组的变流系统相连;并且/或者，所 述变桨控制系统与所述风力发电机组的变桨系统相连。
[0013] 采用本实用新型实施例提供的技术方案，提供的滤波器组包括多路并联连接的滤 波器电路，每路滤波器电路包括串联连接的滤波器和开关，提供多路滤波器电路，使得经过 滤波器组处理的发电机转速信号中的异常频率信号尽量被衰减，在风机后续根据发电机转 速信号生成变流系统控制信号或者变桨系统控制信号的控制过程中，减少异常频率能量的 积累，进而减少机组的故障率，同时降低机组整机疲劳以及振动。
【附图说明】
[0014] 图la是本实用新型实施例一中的风力发电机组的控制系统的结构示意图；
[0015] 图lb是本实用新型实施例二中的风力发电机组的控制系统的结构示意图；
[0016] 图2示出本实用新型实施例三中各阶低通滤波器的幅值伯德图；
[0017] 图3示出本实用新型实施例三中各阶低通滤波器的相位伯德图；
[0018] 图4示出本实用新型实施例三中各阶低通滤波器的阶跃响应图；
[0019] 图5示出本实用新型实施例三中各阶低通滤波器的叶轮转速仿真曲线图；
[0020] 图6示出本实用新型实施例三中四阶低通滤波器选通前发电机转速信号的曲线 图；
[0021] 图7示出本实用新型实施例三中四阶低通滤波器选通后发电机转速信号的曲线 图。
[0022] 附图标记说明：
[0023] 1、滤波系统；10、滤波器组；110、二阶低通滤波器；111、第一开关；120、三阶低通滤 波器；121、第二开关；130、四阶低通滤波器；131、第三开关；140、五阶低通滤波器；141、第四 开关;20、带通滤波器;30、第二带阻滤波器;40、控制器;50、变流控制系统;60、变桨控制系 统;70、变流系统;80、变桨系统;90、主控系统。
【具体实施方式】
[0024] 下面结合附图详细描述本实用新型的示例性实施例。
[0025] 实施例一
[0026] 图la是本实用新型实施例一中的风力发电机组的控制系统的结构示意图。
[0027]参见图la，一种风力发电机组的滤波系统1，包括滤波器组10和控制器40,所述滤 波器组10包括多路并联连接的滤波器电路，每路滤波器电路包括串联连接的滤波器和开 关，所述控制器40与所述滤波器组10相连，所述滤波器组10中的至少一路滤波器电路导通 后对所述风力发电机组的发电机转速信号进行处理。可选地，控制器40的第一输出端与滤 波器组10的输入端相连，向滤波器组10输出所述发电机转速信号，所述控制器40的第二输 出端与所述滤波器组10的控制端相连，向所述滤波器组10输出每路滤波器电路中的开关的 断开/导通使能信号。控制器40从风力发电机组的主控系统90获取发电机转速信号，提供给 滤波器组10处理（即过滤）。
[0028]其中，所述滤波器组10中的滤波器分别为不同阶的低通滤波器;或者，所述滤波器 组10中的滤波器分别为同阶的第一带阻滤波器。可选地，图la中示出滤波器组10包括四路 滤波器电路的示例，这四路滤波器电路分别为二阶低通滤波器110和第一开关111、三阶低 通滤波器120和第二开关121、四阶低通滤波器130和第三开关131以及五阶低通滤波器140 和第四开关141;低通滤波器容许低频信号通过，但减弱(或减少)频率高于截止频率的信号 的通过。或者，其中的低通滤波器也可以为第一带阻滤波器，带阻滤波器减弱(或减少)一定 频率范围信号，但容许频率低于下限截止频率和高于上限截止频率的信号的通过。例如，还 以四路滤波器电路为例说明，这四路滤波器电路中的每一路滤波器电路包括二阶带阻滤波 器和对应的开关。
[0029]实施例二
[0030] 图lb是本实用新型实施例二中的风力发电机组的控制系统的结构示意图。
[0031] 参见图lb，一种风力发电机组的滤波系统1，在实施例一的基础上，还包括带通滤 波器20,带通滤波器容许一定频率范围信号通过，但减弱(或减少)频率低于下限截止频率 和高于上限截止频率的信号的通过。所述带通滤波器20分别与所述滤波器组10和控制器40 相连。可选地，所述带通滤波器20的输出端与所述滤波器组10的输入端相连，控制器40的第 一输出端与带通滤波器20的输入端相连，控制器40的第二输出端与所述滤波器组10的控制 端相连，向所述滤波器组10输出每路滤波器电路中的开关的断开/导通使能信号。控制器40 从风力发电机组的主控系统90获取发电机转速信号，通过带通滤波器20过滤后提供给滤波 器组10处理（即过滤）。
[0032] 可选地，还包括第二带阻滤波器30,第二带阻滤波器30与滤波器组10相连。可选 地，第二带阻滤波器30的输入端与滤波器组10的输出端相连。
[0033]可选地，所述滤波系统1包括用于输出处理后的发电机转速信号的第一通信接口， 所述第一通信接口与所述风力发电机组的变流控制系统50和/或变桨控制系统60相连。当 滤波系统1包括滤波器组10和控制器40时，滤波器组10的输出端包括该第一通信接口；或 者，当滤波系统1包括滤波器组10、控制器40和第二带阻滤波器30时，第二带阻滤波器30的 输出端包括该第一通信接口。
[0034]可选地，所述控制器40包括输入所述发电机转速信号的第二通信接口，所述第二 通信接口与所述风力发电机组的主控系统90相连。
[0035] 实施例三
[0036]参见图la，本实施例提供一种风力发电机组的控制系统，该控制系统中包括实施 例一中所述的任一种风力发电机组的滤波系统1以及变流控制系统50和/或变桨控制系统 60,所述滤波系统1与所述变流控制系统50相连，并且/或者，所述滤波系统1与所述变桨控 制系统60相连。可选地，所述滤波系统1的第一输出端与所述变流控制系统50的输入端通信 连接，并且/或者，所述滤波系统1的第二输出端与所述变桨控制系统60的输入端通信连接。 或者，参见图lb，本实施例提供一种风力发电机组的控制系统，该控制系统中包括实施例二 中所述的任一种风力发电机组的滤波系统1以及变流控制系统50和/或变桨控制系统60,所 述滤波系统1与所述变流控制系统50相连，并且/或者，所述滤波系统1与所述变桨控制系统 60相连。
[0037]进一步地，所述变流控制系统50与所述风力发电机组的变流系统70相连。可选地， 所述变流控制系统50的输出端与所述风力发电机组的变流系统70的控制端连接。
[0038]进一步地，所述变桨控制系统60与所述风力发电机组的变桨系统80相连。可选地， 所述变桨控制系统60的输出端与所述风力发电机组的变桨系统80的控制端连接。
[0039]滤波系统1将风力发电机组的发电机转速信号处理后，输出给变流控制系统50,变 流控制系统50采用比例-积分（Proport ion Integral，PI)算法或者比例-积分-微分 (ProportionlntegralDifferential coefficient，PID)算法根据处理后的发电机转速信 号生成风力发电机组的变流需求指令，并将该变流需求指令发送给变流系统70,变流系统 70执行变流需求指令后风力发电机组的主控系统90得到调整后的发电机转速信号，并将该 调整后的发电机转速信号发送给滤波系统1，从而形成闭环控制回路，变流控制系统50。变 流系统70执行变流需求指令具体可以包括对扭矩进行调整等。
[0040] 并且/或者，滤波系统1将风力发电机组的发电机转速信号处理后，输出给变桨控 制系统60,变桨控制系统60采用PI算法或者PID算法根据处理后的发电机转速信号生成风 力发电机组的变桨需求指令，并将该变桨需求指令发送给变桨系统80,变桨系统80执行变 桨需求指令后风力发电机组的主控系统90得到调整后的发电机转速信号，并将该调整后的 发电机转速信号发送给滤波系统1，从而形成闭环控制回路。以上变桨系统80执行变桨需求 指令具体可以包括对桨距角进行调整等。
[0041] 以下以直驱121/3.0MW机组为例说明本实施例中风力发电机组的控制系统的具体 应用，以在其他型号或者参数的机组中的应用原理相同。在直驱121/3.0MW机组中的滤波器 组中包括四路滤波器电路的示例，这四路滤波器电路分别为二阶低通滤波器和第一开关、 三阶低通滤波器和第二开关、四阶低通滤波器和第三开关以及五阶低通滤波器和第四开 关。在应用之前，预先采用Matlab/Simulink和GH bladed软件等风力发电机仿真软件对其 进行建模，并对建立的风力发电机组的模型输入模拟风速进行仿真研究，给出风力发电机 组的仿真波形。通过Mat lab软件对线性化的121 /3.0MW Bladed模型进行仿真分析，发现现 有风力发电机组中对IN_plane3频率、4.8HZ频率及发电机基波频率信号衰减不足。
[0042] 本应用中通过Matlab软件对直驱121/3.0MW机组的线性化仿真模型进行仿真计 算。
[0043]根据经典数字信号原理，计算出来的二阶低通滤波器公式如下：
[0045] 式（1)中62表示二阶低通滤波器的传递函数，s表示拉普拉斯算子，ω#Ρω 2表示截 止频率，d表示阻尼。
[0046] 计算出来的三阶低通滤波器公式如下：
[0048] 式(2)中G3表不三阶低通滤波器的传递函数，s表不拉普拉斯算子，ω?Ν c〇2和ω3表 示截止频率，di和d2表示阻尼。
[0049]计算出来的四阶低通滤波器公式如下：
[0051] 式(3)中G4表示四阶低通滤波器的传递函数，s表示拉普拉斯算子，ωι、ω2、ω 3和 ω 4表示截止频率，di、d2和d3表示阻尼。
[0052]计算出来的五阶低通滤波器公式如下：
[0054] 式(4)中&表示五阶低通滤波器的传递函数，s表示拉普拉斯算子，ωι、ω2、ω 3、ω4 和ω 5表示截止频率，di、d2、d3和d4表示阻尼。
[0055]发电机基波频率计算公式如下：
[0057]式(5)中r表示发电机转速，单位是rpm，本应用以12.6为例;p表示电机极对数，本 应用以42为例;n = l，2,3,......分别表示电机基频、二倍频、三倍频等。
[0058]在本应用中变流控制系统50或者变桨控制系统60采用PI算法，PI算法中的传递函 数如下：
[0060] 式(6)中kp表示比例系数，ki表示积分系数，s表示拉普拉斯算子。
[0061] 图2示出本实用新型实施例三中各阶低通滤波器的幅值伯德图。图3示出本实用新 型实施例三中各阶低通滤波器的相位伯德图。图4示出本实用新型实施例三中各阶低通滤 波器的阶跃响应图。图2中的曲线210表示二阶低通滤波器的幅值伯德曲线，曲线220表示三 阶低通滤波器的幅值伯德曲线，曲线230表示四阶低通滤波器的幅值伯德曲线，曲线240表 示五阶低通滤波器的幅值伯德曲线；图3中的曲线310表示二阶低通滤波器的相位伯德曲 线，曲线320表示三阶低通滤波器的相位伯德曲线，曲线330表示四阶低通滤波器的相位伯 德曲线，曲线340表示五阶低通滤波器的相位伯德曲线；图4中的曲线410表示二阶低通滤波 器的阶跃响应曲线，曲线420表示三阶低通滤波器的阶跃响应曲线，曲线430表示四阶低通 滤波器的阶跃响应曲线，曲线440表示五阶低通滤波器的阶跃响应曲线。参见图3,滤波器阶 数越高，对目标的衰减值越大，例如在本应用中三阶、四阶及五阶低通滤波器比二阶低通滤 波器在IN_plane3频率处分别多衰减了约7dB、14dB及22dB;在4.8HZ频率处，分别多衰减了 16dB、32dB及48dB，其它高频率段也都有较大程度的衰减；由于发电机基波频率范围为 5.25HZ到8.82HZ，由图3可知，在该频率段内衰减的dB值会更多一些。同时，也可以看出低通 滤波器阶数越高，其对目标频率衰减的幅值越大，超调问题也越突出，继而引起控制系统的 不稳定。以上所指的目标包括但不限于扭矩、桨距角等等。
[0062] 图5示出本实用新型实施例三中各阶低通滤波器的叶轮转速仿真曲线图，图5示出 不同阶滤波器分别在3mps、9mps及15mps风速条件下的工况，图5中的曲线510表示二阶低通 滤波器的叶轮转速仿真曲线图，曲线520表示三阶低通滤波器的叶轮转速仿真曲线图，曲线 530表示四阶低通滤波器的叶轮转速仿真曲线图，曲线540表示五阶低通滤波器的叶轮转速 仿真曲线图。参见图5,二阶、三阶及四阶低通滤波器的叶轮转速仿真效果较好，而经过五阶 低通滤波器处理后的叶轮转速超调严重，这与图4中五阶低通滤波器的阶跃响应超调相互 印证。
[0063] 图6示出本实用新型实施例三中四阶低通滤波器选通前发电机转速信号的曲线 图。图7示出本实用新型实施例三中四阶低通滤波器选通后发电机转速信号的曲线图。比较 图6中的曲线610和图7中的曲线710,在保证机组良好运行的条件下，选通四阶低通滤波器 后，发电机转速信号中的IN_plane3频率和电机基波频率毛刺信号均得到较大幅度的衰减， 从而保证机组顺利实现满发。
[0064] 对于滤波器组中选择哪路滤波器电路中的开关导通，除了参考接收的转速信号 外，还可以综合考虑各滤波器电路中滤波器的截止频率和阶次，例如，低通滤波器的截止频 率越低，滤波器对相同频率毛刺信号的衰减幅值越大;低通滤波器的阶次越高，低通滤波器 在指定频率处对信号的衰减程度越大。在截止频率和阶次的基础上结合选通哪路滤波器电 路后机组出现了超调的结果作为参考，最终确定具体选通哪路滤波器电路。以本应用为例， 虽然五阶低通滤波器能够在IN_plane3和电机基波频率处衰减较大的幅值，参见图5可知， 选通五阶低通滤波器对应的叶轮转速出现超调，机组不稳定，因此，在该机组中选通四阶低 通滤波器电路中的开关。
[0065] 以上所述，仅为本实用新型的【具体实施方式】，但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化 或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权 利要求的保护范围为准。
【主权项】
1. 一种风力发电机组的滤波系统，其特征在于，所述滤波系统包括滤波器组和控制器， 所述滤波器组包括多路并联连接的滤波器电路，每路滤波器电路包括串联连接的滤波器和 开关，所述控制器与所述滤波器组相连，所述滤波器组中的至少一路滤波器电路导通后对 所述风力发电机组的发电机转速信号进行处理。2. 根据权利要求1所述的风力发电机组的滤波系统，其特征在于，所述滤波器组中的滤 波器分别为不同阶的低通滤波器;或者，所述滤波器组中的滤波器分别为同阶的第一带阻 滤波器。3. 根据权利要求1所述的风力发电机组的滤波系统，其特征在于，所述滤波系统还包括 带通滤波器，所述带通滤波器分别与所述滤波器组和控制器相连。4. 根据权利要求1所述的风力发电机组的滤波系统，其特征在于，所述滤波系统还包括 第二带阻滤波器，所述第二带阻滤波器与所述滤波器组相连。5. 根据权利要求1至4任一项所述的风力发电机组的滤波系统，其特征在于，所述滤波 系统包括用于输出处理后的发电机转速信号的第一通信接口，所述第一通信接口与所述风 力发电机组的变流控制系统和/或变桨控制系统相连。6. 根据权利要求1至4任一项所述的风力发电机组的滤波系统，其特征在于，所述控制 器包括输入所述发电机转速信号的第二通信接口，所述第二通信接口与所述风力发电机组 的主控系统相连。7. -种风力发电机组的控制系统，其特征在于，包括如权利要求1至6任一项所述的风 力发电机组的滤波系统以及变流控制系统和/或变桨控制系统，所述滤波系统与所述变流 控制系统相连，并且/或者，所述滤波系统与所述变桨控制系统相连。8. 根据权利要求7所述的风力发电机组的控制系统，其特征在于，所述变流控制系统与 所述风力发电机组的变流系统相连;并且/或者， 所述变桨控制系统与所述风力发电机组的变桨系统相连。
【文档编号】F03D7/00GK205646825SQ201620502293
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月26日
【发明人】李波, 樊帅
【申请人】新疆金风科技股份有限公司