基于状态反馈的双馈风电机组传动链动态扭转载荷控制_刘颖明

Fig. 1 Block diagram of DFIG wind turbine system
1.1 气动模型
风力机输出的机械功率：
Pm
=
1 2
ρπR2 v3CP
（1）
式中，ρ ——空气密度；R ——风轮半径；v ——风
速；CP ——风能利用系数，是关于桨距角 β 和叶尖
速比 λ 的函数。
叶尖速比 λ 定义为：
ETa
(t)来自（9）式中，X ——状态变量，X =[ωt ωg T ]ls ；u ——控制
量 ， u = Te ； Y —— 输 出 变 量 ， Y = ωg ；
é ê
0
0
A
=
ê ê ê
0
0
êêKls ë
-
Kls n
-Bls
æ ç
è
-
1 Jr
1
nJg
Jr + n2Jg
n2Jr Jg
ù ú ú ú ú öú ÷ú øû
风电机组传统的控制目标是在额定风速以下 时，保持风机叶片的桨距角不变，发电机转矩采用 矢量控制或直接转矩控制，调节风轮转速，由叶尖 速比控制、功率信号反馈或爬山搜索等算法实现机 组在不同风速下的最大功率追踪 。 ［10］ 在额定风速 以上时，保持发电机的额定转矩不变，采用增益调 度 PI 控制调节叶片桨距角，限制输入传动系统的气 动转矩稳定在与发电机转矩相匹配的值，实现功率 的稳定控制，模型如图 3 所示。
（17）
316
太阳能学报
36 卷
P(k + 1, k + 1) = P(k + 1, k) - Kf(k + 1)CaP(k + 1, k)
（18）
2.2 扭转载荷控制器设计
扭转载荷控制器的主要作用是根据已得的风
轮转速及发电机转速的估计值 ω̂ t 和 ω̂ g ，通过在原
转矩参考值上叠加一个可使等效在轴上的转速差
减小的转矩分量 Te2 ，达到降低传动链动态扭转载 荷的目的。
等效转速差为 ε ：
ε = ω̂ t - ω̂ g /n
（19）
本文采用工业应用中最为常见、简单的 PI 控制
算法。原因在于：第一，PI 控制算法易于实现；第
二，PI 控制中只用到等效在轴上的转速偏差，无需
惯量 Jg 由高速轴转矩 Ths 克服发电机电磁转矩 Te 以 转速 ωg 驱动，轴上的转矩和转速通过传动比为 n 的 齿轮箱传递。
ωt
ωg
Kls
Ta Jr
Tls
Bls
n Ths Jg Te
图 2 传动系统两质量块模型 Fig. 2 Two-mass model of drive system
Jr ω̇ t = Ta - Tls
（1. 沈阳工业大学系能源工程学院，沈阳 110870；2. 沈阳工业大学风能技术研究所，沈阳 110023）
摘 要：针对恒转矩控制时传动链阻尼小、扭转载荷大会降低机组传动链上关键部件使用寿命的问题，设计基于
状态反馈的传动链动态扭转载荷控制器，使等效在轴上的发电机转速更好地跟踪风轮转速，从而减小低速轴扭矩，
（5）
Tls = Kls(θt - θ )ls + Bls(ωt - ω )ls
（6）
Jg ω̇ g = Ths - Te
n=
Tls Ths
=
ωg ωls
=
θg θls
（7） （8）
根据式（5）~式（8），系统的状态方程为：
ìẊ (t) íîY (t)
= =
AX (t) CX (t)
+
Bu
(
t)
+
增 到 系 统 的 状 态 中 ，假 设 其 导 数 为 零 。 w（t）为 过
程 噪 声 ，v（t）为 测 量 噪 声 ，均 为 零 均 值 高 斯 白 噪 声
输入，协方差矩阵分别为 Q0 和 R0 。系统状态方程
变化为：
Ẋ a(t) = Aa Xa(t) + Bau(t) + w(t) Y (t) = Ca Xa(t) + v(t)
2期
刘颖明等：基于状态反馈的双馈风电机组传动链动态扭转载荷控制
315
ωg*
+ ωg
β* PI




β

图 3 变桨控制器模型 Fig. 3 Pitch control model
2 基于状态反馈的动态扭转载荷控
制器设计
传动系统中，低速轴扭矩是传递能量的中间过程
量，其变化也直接反映传动链的扭转载荷。由式（6）
实现传动链的动态扭转载荷控制。利用 FAST 和 Matlab/Simulink 软件对机组模型和控制器进行联合仿真，结果表明
所提出的方法能有效降低双馈风电机组传动链的动态扭转载荷。
关键词：风力发电；状态反馈；传动链扭转载荷；转矩控制
中图分类号：TK81
文献标识码：A
0引言
双馈风力发电机组因其成本低、变流器容量小 等特点成为现在风电市场上使用最为广泛的机型［1］， 但齿轮箱的高故障率成为制约其发展的主要原因 之一。由于机组运行的实际环境大多比较恶劣，在 受到随机风和强阵风的冲击作用时，传动链受到的 动态载荷变化十分剧烈，严重增加了各传动部件的 疲劳。传统的控制方法在高于额定风速区域时，发 电机转矩保持不变，导致机组传动链阻尼过小，易 引发振动，甚至机组结构共振［2］。因此，采取主动控 制策略减小传动链扭转载荷，对于降低各传动部件 设计、制造的要求，提高系统可靠性，延长机组寿命 具有重要意义。减小传动链扭转载荷可通过调节 桨距角或改变发电机转矩给定值来实现，根据文献 ［3］，改变发电机转矩给定值的方法更为有效。最 常用的方法是基于带通滤波器（BPF）的转矩波纹控 制［4］。利用带通滤波器产生的阻尼转矩与原发电机 转矩参考值相加，增加系统阻尼，进而抑制传动系 统扭振，减小载荷，该方法已在很多风力机上成功
全的控制目标，因为如果发电机转矩的变化过大，
会对转速产生影响，并导致产生功率的较大波动，
增加变桨控制的负担。所以，扭转载荷控制器的控
制输出需限定在一定范围内，再叠加在原转矩参考
值上。控制框图如图 4 所示，其中 Te1 为原转矩参 考值，Te2 为转速跟踪控制的作用量。由于风轮转 速、气动转矩、低速轴扭矩都是传动系统中不易测
（11）
式中，Xa =[ωt ωg Tls Ta] ；u = Te ；Y = ωg ；
é ê
0
ê
Aa
=
ê ê
0
êêKls
ê
0
0
Kls n
-
1 Jr
1
nJg
-
B
æ çls è
Jr + n2J n2Jg Jr
g
ö ÷ ø
1ù
Jr
ú ú
0ú ú
；
B úls
Jr
ú ú
ë0 0
0
0û
Ba = éê0 ë
-
1 Jg
λ
=
ωt R v
（2）
式中，ωt ——风轮转速。 风力机输出的气动转矩：
Ta
=
1 2
ρπR3 v2Cq
=
Pm ωt
（3）
式中，Cq ——转矩系数，与 CP 关系如式（4）所示。
Cq
=
CP λ
（4）
1.2 齿轮传动系统模型
齿轮传动系统采用两质量模型，结构如图 2 所
示。风轮的转动惯量 Jr 由气动转矩 Ta 以转速 ωt 驱 动；低速轴转矩 Tls 是由于 ωt 和低速轴转速 ωls 的不 同，而在刚度和阻尼下的作用结果；发电机的转动
应用［5，6］，但其在模型存在不确定性时，系统的稳定 性和其他性能会受到影响［7］。文献［8］视传动系统 为非线性不确定系统，在建模时考虑齿轮啮合过程 中的弹性形变、啮合误差等不确定因素，基于扩张 状态观测器和非线性状态误差反馈，采用自抗扰控 制，减小传动链扭转载荷。
本文针对双馈风电机组传动链扭转载荷长期 复 杂 多 变 ，在 额 定 风 速 以 上 区 域 内 发 电 机 转 矩 恒 定，系统阻尼过低，易出现组成部件疲劳损坏的问 题。在额定风速以上区域，基于状态反馈，通过对 发电机转矩进行控制、减小等效在轴上的转速差， 从 而 降 低 传 动 系 统 动 态 扭 转 载 荷 。 最 后 ，利 用 FAST 和 Matlab/Simulink 仿 真 软 件，对 某 3 MW 机 组和所设计的控制器进行仿真，并与传统的恒转矩 控制进行比较，验证方法的有效性。
何设定变流器的参考输入才是转矩控制的重点［4］。
此外，电气系统与机械系统相比，时间常数很小，能
在短时间内响应转矩给定，在描述机械特性时，可
进行简化［9］。所以，这里将电气系统等效成一阶惯
性系统，时间常数为 τ 。
Te
=
1
1 + τs
T∗ e
式中，Te∗ ——发电机转矩给定值。
（10）
1.4 控制系统
第 36 卷 第２期
2015 年２月
文章编号：0254-0096（2015）02-0313-06
太阳能学报
ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICA
基于状态反馈的双馈风电机组 传动链动态扭转载荷控制
Vol. 36, No. 2
Feb., 2015
刘颖明 1，马奎超 2，姚兴佳 2，朱江生 2，王晓东 1，郭庆鼎 2
可看出，低速轴两侧扭转位移的差决定扭矩值。对
传动系统扭转载荷进行控制就是控制低速轴两端
的位移差。扭转位移差是由等效在轴上的风轮转
速与发电机转速之差对时间进行积分而得到的，所