[发明专利]一种风剪切效应所造成纹波的抑制方法

说明书

一种能够抑制由风剪切效应所造成纹波的方法，其应用对象为直驱永磁同步风力发电系统；包括包括了基于ANN人工神经网络的软测量模块、特征信号提取模块、控制指令生成模块。通过对由风剪切效应所造成的转速纹波进行软测量，得到其特征值，生成对消控制指令，注入控制闭环前端，从而抑制由风剪切效应所造成电流纹波在风力发电系统中的传播。本发明所提出的方法能够减弱塔架振动响应幅值、减小电流畸变率、改善电压闪变现象的发生，最终保证在风剪切效应下的并网电能质量。

技术领域

本发明涉及风力发电技术、软测量技术及纹波抑制方法，属于风力发电技术领域。

背景技术

风速在某垂直平面内并不是均匀分布的，在一定高度内，随着高度的增长，风速也呈增长趋势。在海拔高度0-1000m范围内，随着海拔每增加100m，风速平均增加0.5m/s，这个数据在0-300m范围内则达到了1.5m/s左右。

上述风速在垂直高度上的分布特性在风力发电机中造成了风剪切效应—即风力机所产生机械转矩中包含周期性脉动的现象。本专利中将受风剪切效应影响所产生的各种周期性脉动定义为纹波，该纹波将会在风力发电系统中的转矩、叶片、塔架、发电机、变流器以及并网点之间相互传递。

风速的垂直分布不均，将会造成风力机叶片在旋转过程中所受的力发生周期性变化，即纹波传递至叶片中。叶片所受反复增减的纹波力可分解为叶片旋转的切向力与垂直旋转平面的垂向力，两力的长期共同作用下，将加速叶片根部螺栓结构的疲劳进程，引起螺栓松动。

与风力机相连的塔架，将会在上述纹波力的作用下，产生固定频率的振动响应，即纹波传递至塔架中。该响应若与塔架固有频率发生耦合，则会扩大振动的危害，造成安全隐患。

由风剪切效应所造成的转矩纹波，会影响风力发电机的运行转速，进而使风力发电系统的输出功率发生变化，并造成电压闪变等电能质量相关问题，至此，纹波传递至变流器及并网点。

针对风剪切效应，目前的应对措施目前大多是通过变桨控制，改善风力机在剪切风下进行风能捕获的情况，抑制机械转矩中纹波的幅值。然而变桨控制可以理解为顺浆，改变了风力机的最佳桨距角，降低了风能利用率。

授权公告CN 103780174 A号专利针对直接转矩控制所驱动的风力发电机中的电压闪变等现象，通过自抗扰控制方式改变了发电机转子电流，抑制了由风速随机变化所产生的电压闪变等现象。虽然自抗扰控制本身结构优异，但其参数难以整定；并且在风速不断发生非线性变化时，其控制稳定性不突出。

本发明方案能够在不改变发电机电流，且不采取顺浆、变桨策略的前提下，达到抑制风剪切效应所造成纹波的目的，保证并网电能质量。

发明内容

本发明提出了一种抑制风剪切效应在直驱永磁同步风力发电系统中所造成纹波的方法。

在风剪切效应下，风力机所捕获的机械转矩中将包含纹波分量，该纹波分量会造成风力机转矩方程的不平衡，进而使风力机不断重复增速与减速的运行过程。而转速的不断变化将使纹波传入风力发电系统的控制闭环中，改变发电机输出电流，造成电压闪变，电流畸变率增加等现象，进而影响最终的并网电能质量。

风剪切效应同样会造成叶片受力的周期性波动，周期性波动的叶片受力在加速叶片螺栓结构疲劳的同时，还会在与风力机相连的塔架上产生振动响应。该振动响应若与塔架固有频率发生耦合，则会扩大振动所产生的危害。

本发明抑制纹波的方式是：通过构建ANN人工神经网络，软测量风剪切效应所造成转速纹波的特征，根据纹波特征生成控制指令信号，将控制指令注入风力发电系统控制闭环前端，与风剪切效应所造成转速纹波对消，使纹波不再向后续控制环节传递，从而达到抑制纹波，改善并网电能质量的目的。

由于风力机转速的变化情况复杂，故需要建立软测量模型得到风剪切效应下的转速变化特征。