大型风电机组的轴系扭振抑制方法及装置

本发明涉及风力发电，特别涉及一种大型风电机组的轴系扭振抑制方法及装置。

背景技术：

1、随着风电机组单机容量的不断增长，其传动轴尺寸不断变大，轴系扭振频率也随之降低，出现了传动轴扭振与桨叶面内振动耦合的现象。这种耦合会对传动轴扭振带来影响，改变其动态特性，如谐振频率及其振幅等。对于发生耦合振动的风机，如果仍采用基于非耦合模型设计的控制器，会造成系统控制性能的下降，不能有效抑制传动轴和桨叶的振动。

2、因此，需要重新分析桨叶与轴系耦合振动的机理，提出考虑桨叶耦合振动情况下，描述轴系扭振动态特性的模型，并据此设计降低耦合载荷的控制方法。

技术实现思路

1、本发明提供一种大型风电机组的轴系扭振抑制方法及装置，以解决现有大型风电机组会出现传动轴扭振与桨叶面内振动耦合的现象，若仍采用基于非耦合模型设计的控制器，会造成系统控制性能的下降，无法抑制传动轴和桨叶的振动等问题。

2、本发明第一方面实施例提供一种大型风电机组的轴系扭振抑制方法，包括以下步骤：利用模态分析法分析预先建立的目标传动轴的等效三质量块模型，得到所述目标传动轴的自然频率；根据所述自然频率确定所述目标传动轴的扭振模态；将所述扭振模态和风轮侧转速与发电机转速的转速差值输入比例谐振控制器中，生成附加电磁转矩；利用所述附加电磁转矩对所述目标传动轴的耦合振动进行抑制。

3、可选地，所述利用模态分析法分析预先建立的目标传动轴的等效三质量块模型，得到所述目标传动轴的自然频率，包括：

4、预先选择所述目标传动轴的桨叶柔性部分、桨叶刚性部分与轮毂、发电机作为质量块，以分别构建所述桨叶柔性部分、所述桨叶刚性部分与轮毂、所述发电机的运动方程，生成所述等效三质量块模型；利用模态分析法分析所述等效三质量块模型，得到所述目标传动轴的自然频率。

5、可选地，所述等效三质量块模型的表达式为：

6、

7、其中，j1为叶片柔性部分的等效转动惯量，ω1为叶片柔性部分的转速，t为时间，tw为气动力矩，ts1为等效桨叶弹簧扭矩，j2为桨叶刚性部分与轮毂的等效转动惯量，ω2为桨叶刚性部分与轮毂的转速，ts2为等效轴系扭矩，j3为发电机的等效转动惯量，ω3为发电机侧的转速，te为电磁转矩。

8、可选地，所述将所述扭振模态和风轮侧转速与发电机转速的转速差值输入比例谐振控制器中，生成附加电磁转矩，包括：

9、利用卡尔曼滤波估计所述风轮侧转速，以计算所述风轮侧转速和所述发电机转速的转速差值；将所述扭振模态和所述转速差值输入多个并联的比例谐振控制器中，生成所述附加电磁转矩。

10、可选地，所述利用所述附加电磁转矩对所述目标传动轴的耦合振动进行抑制，包括：

11、根据所述附加电磁转矩对所述目标传动轴的原始电磁转矩进行调节，获得总电磁转矩；利用所述总电磁转矩抑制所述目标传动轴的耦合振动。

12、可选地，所述总电磁转矩的表达式为：

13、

14、其中，为总电磁转矩，为原始电磁转矩，为附加电磁转矩。

15、本发明第二方面实施例提供一种大型风电机组的轴系扭振抑制装置，包括：分析模块，用于利用模态分析法分析预先建立的目标传动轴的等效三质量块模型，得到所述目标传动轴的自然频率；确定模块，用于根据所述自然频率确定所述目标传动轴的扭振模态；生成模块，用于将所述扭振模态和风轮侧转速与发电机转速的转速差值输入比例谐振控制器中，生成附加电磁转矩；抑制模块，用于利用所述附加电磁转矩对所述目标传动轴的耦合振动进行抑制。

16、本发明第三方面实施例提供一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序，以实现如上述实施例所述的大型风电机组的轴系扭振抑制方法。

17、本发明第四方面实施例提供一种计算机程序产品，该计算机程序/指令被处理器执行时实现如上的大型风电机组的轴系扭振抑制方法。

18、本发明第五方面实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上的大型风电机组的轴系扭振抑制方法。

19、本发明实施例提出的大型风电机组的轴系扭振抑制方法及装置，可用于运行在各风速区的大型风机，能够有效跟踪风电机组功率，同时抑制传动轴的耦合扭振，有助于降低风电机组运维成本和延长风电机组的使用寿命；实现不需要对风电机组自身的机械结构以及桨距角控制器做任何改变，仅需在原有的电磁转矩指令上附加用于抑制传动轴扭振的电磁转矩指令，具有很好的经济性，且有利于实际应用；不需要获取风机的具体参数，可以直接根据实际工程中的轴系耦合振动现象设计控制器，同时实现对于多个轴系振动模态的抑制，适用于工程实践；仅需设计一个非线性控制器，便可以实现对全风速工作区的有效控制，使得控制器设计更为简洁、高效；动态性能好、功率调节和轴系耦合振动抑制方面的控制效果明显优于传统的非耦合振动抑制方法。

20、本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

技术特征：

1.一种大型风电机组的轴系扭振抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的大型风电机组的轴系扭振抑制方法，其特征在于，所述利用模态分析法分析预先建立的目标传动轴的等效三质量块模型，得到所述目标传动轴的自然频率，包括：

3.根据权利要求2所述的大型风电机组的轴系扭振抑制方法，其特征在于，所述等效三质量块模型的表达式为：

4.根据权利要求1所述的大型风电机组的轴系扭振抑制方法，其特征在于，所述将所述扭振模态和风轮侧转速与发电机转速的转速差值输入比例谐振控制器中，生成附加电磁转矩，包括：

5.根据权利要求1所述的大型风电机组的轴系扭振抑制方法，其特征在于，所述利用所述附加电磁转矩对所述目标传动轴的耦合振动进行抑制，包括：

6.根据权利要求5所述的大型风电机组的轴系扭振抑制方法，其特征在于，所述总电磁转矩的表达式为：

7.一种大型风电机组的轴系扭振抑制装置，其特征在于，包括：

8.一种电子设备，其特征在于，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序，以实现如权利要求1-6任一项所述的大型风电机组的轴系扭振抑制方法。

9.一种计算机程序产品，其特征在于，该计算机程序/指令被处理器执行时实现权利要求1-6任一项所述的大型风电机组的轴系扭振抑制方法。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行，以用于实现如权利要求1-6任一项所述的大型风电机组的轴系扭振抑制方法。

技术总结本发明涉及风力发电技术领域，特别涉及一种大型风电机组的轴系扭振抑制方法及装置，其中，方法包括：利用模态分析法分析预先建立的目标传动轴的等效三质量块模型，得到目标传动轴的自然频率；根据自然频率确定目标传动轴的扭振模态；将扭振模态和风轮侧转速与发电机转速的转速差值输入比例谐振控制器中，生成附加电磁转矩；利用附加电磁转矩对目标传动轴的耦合振动进行抑制。由此，解决了现有大型风电机组会出现传动轴扭振与桨叶面内振动耦合的现象，若仍采用基于非耦合模型设计的控制器，会造成系统控制性能的下降，无法抑制传动轴和桨叶的振动等问题。技术研发人员：耿华,刘映含,杨娟霞,李佳奇,王瑞,刘忠朋受保护的技术使用者：清华大学技术研发日：技术公布日：2024/7/15