風力發電機組的濾波系統和控制系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型實施例提供一種風力發電機組的濾波系統和控制系統，所述濾波系統包括濾波器組和控制器，所述濾波器組包括多路并聯連接的濾波器電路，每路濾波器電路包括串聯連接的濾波器和開關，所述控制器與所述濾波器組相連，所述濾波器組中的至少一路濾波器電路導通后對所述風力發電機組的發電機轉速信號進行處理。采用本實用新型實施例提供的技術方案，經過濾波器組處理的發電機轉速信號中的異常頻率信號盡量被衰減，在風機后續根據發電機轉速信號生成變流系統控制信號或者變槳系統控制信號的控制過程中，減少異常頻率能量的積累，進而減少機組的故障率，同時降低機組整機疲勞以及振動。
【專利說明】
風力發電機組的濾波系統和控制系統
技術領域
[0001] 本實用新型涉及風力發電技術領域，尤其涉及一種風力發電機組的濾波系統和控 制系統。
【背景技術】
[0002] 隨著新能源風力發電市場競爭日趨激烈，市場對大葉輪大容量風力發電機組（以 下簡稱機組）的需求越來越強。大葉輪大容量機組中的風機葉輪直徑以及機組容量等裝機 參數都增大，相應的，對于大葉輪大容量機組而言，根據發電機轉速信號生成變流系統控制 信號或者變槳系統控制信號的控制過程中，如果發電機轉速信號中存在較多的毛刺信號， 一方面，機組的主控系統可能會報出過速或者變槳電機溫升過高等故障，另一方面，毛刺信 號代表發電機轉速信號中的異常頻率信號衰減不足，從而形成異常頻率能量的積累，使得 機組整機疲勞增大以及振動增大。目前，采用二階低通濾波器與二階帶阻濾波器進行組合 對發電機轉速信號進行過濾，過濾后的發電機轉速信號中存在較多的毛刺信號，影響風力 發電機組的整機滿發與安全運行。 【實用新型內容】
[0003] 本實用新型的目的在于提供一種風力發電機組的濾波系統和控制系統，降低風力 發電機組的整機疲勞與振動，提高整機的安全性和穩定性。
[0004] 為達到上述目的，本實用新型的實施例采用如下技術方案：
[0005] -種風力發電機組的濾波系統，所述濾波系統包括濾波器組和控制器，所述濾波 器組包括多路并聯連接的濾波器電路，每路濾波器電路包括串聯連接的濾波器和開關，所 述控制器與所述濾波器組相連，所述濾波器組中的至少一路濾波器電路導通后對所述風力 發電機組的發電機轉速信號進行處理。
[0006] 可選地，所述濾波器組中的濾波器分別為不同階的低通濾波器;或者，所述濾波器 組中的濾波器分別為同階的第一帶阻濾波器。
[0007] 可選地，所述濾波系統還包括帶通濾波器，所述帶通濾波器分別與所述濾波器組 和控制器相連。
[0008] 可選地，所述濾波系統還包括第二帶阻濾波器，所述第二帶阻濾波器與所述濾波 器組相連。
[0009] 可選地，所述濾波系統包括用于輸出處理后的發電機轉速信號的第一通信接口， 所述第一通信接口與所述風力發電機組的變流控制系統和/或變槳控制系統相連。
[0010] 可選地，所述控制器包括輸入所述發電機轉速信號的第二通信接口，所述第二通 信接口與所述風力發電機組的主控系統相連。
[0011] 本實用新型還提供一種風力發電機組的控制系統，包括如前所述的任一種風力發 電機組的濾波系統以及變流控制系統和/或變槳控制系統，所述濾波系統與所述變流控制 系統相連，并且/或者，所述濾波系統與所述變槳控制系統相連。
[0012] 可選地，所述變流控制系統與所述風力發電機組的變流系統相連;并且/或者，所 述變槳控制系統與所述風力發電機組的變槳系統相連。
[0013] 采用本實用新型實施例提供的技術方案，提供的濾波器組包括多路并聯連接的濾 波器電路，每路濾波器電路包括串聯連接的濾波器和開關，提供多路濾波器電路，使得經過 濾波器組處理的發電機轉速信號中的異常頻率信號盡量被衰減，在風機后續根據發電機轉 速信號生成變流系統控制信號或者變槳系統控制信號的控制過程中，減少異常頻率能量的 積累，進而減少機組的故障率，同時降低機組整機疲勞以及振動。
【附圖說明】
[0014] 圖la是本實用新型實施例一中的風力發電機組的控制系統的結構示意圖；
[0015] 圖lb是本實用新型實施例二中的風力發電機組的控制系統的結構示意圖；
[0016] 圖2示出本實用新型實施例三中各階低通濾波器的幅值伯德圖；
[0017] 圖3示出本實用新型實施例三中各階低通濾波器的相位伯德圖；
[0018] 圖4示出本實用新型實施例三中各階低通濾波器的階躍響應圖；
[0019] 圖5示出本實用新型實施例三中各階低通濾波器的葉輪轉速仿真曲線圖；
[0020] 圖6示出本實用新型實施例三中四階低通濾波器選通前發電機轉速信號的曲線 圖；
[0021] 圖7示出本實用新型實施例三中四階低通濾波器選通后發電機轉速信號的曲線 圖。
[0022] 附圖標記說明：
[0023] 1、濾波系統；10、濾波器組；110、二階低通濾波器；111、第一開關；120、三階低通濾 波器；121、第二開關；130、四階低通濾波器；131、第三開關；140、五階低通濾波器；141、第四 開關;20、帶通濾波器;30、第二帶阻濾波器;40、控制器;50、變流控制系統;60、變槳控制系 統;70、變流系統;80、變槳系統;90、主控系統。
【具體實施方式】
[0024] 下面結合附圖詳細描述本實用新型的示例性實施例。
[0025] 實施例一
[0026] 圖la是本實用新型實施例一中的風力發電機組的控制系統的結構示意圖。
[0027]參見圖la，一種風力發電機組的濾波系統1，包括濾波器組10和控制器40,所述濾 波器組10包括多路并聯連接的濾波器電路，每路濾波器電路包括串聯連接的濾波器和開 關，所述控制器40與所述濾波器組10相連，所述濾波器組10中的至少一路濾波器電路導通 后對所述風力發電機組的發電機轉速信號進行處理?？蛇x地，控制器40的第一輸出端與濾 波器組10的輸入端相連，向濾波器組10輸出所述發電機轉速信號，所述控制器40的第二輸 出端與所述濾波器組10的控制端相連，向所述濾波器組10輸出每路濾波器電路中的開關的 斷開/導通使能信號。控制器40從風力發電機組的主控系統90獲取發電機轉速信號，提供給 濾波器組10處理（即過濾）。
[0028]其中，所述濾波器組10中的濾波器分別為不同階的低通濾波器;或者，所述濾波器 組10中的濾波器分別為同階的第一帶阻濾波器?？蛇x地，圖la中示出濾波器組10包括四路 濾波器電路的示例，這四路濾波器電路分別為二階低通濾波器110和第一開關111、三階低 通濾波器120和第二開關121、四階低通濾波器130和第三開關131以及五階低通濾波器140 和第四開關141;低通濾波器容許低頻信號通過，但減弱(或減少)頻率高于截止頻率的信號 的通過。或者，其中的低通濾波器也可以為第一帶阻濾波器，帶阻濾波器減弱(或減少)一定 頻率范圍信號，但容許頻率低于下限截止頻率和高于上限截止頻率的信號的通過。例如，還 以四路濾波器電路為例說明，這四路濾波器電路中的每一路濾波器電路包括二階帶阻濾波 器和對應的開關。
[0029]實施例二
[0030] 圖lb是本實用新型實施例二中的風力發電機組的控制系統的結構示意圖。
[0031] 參見圖lb，一種風力發電機組的濾波系統1，在實施例一的基礎上，還包括帶通濾 波器20,帶通濾波器容許一定頻率范圍信號通過，但減弱(或減少)頻率低于下限截止頻率 和高于上限截止頻率的信號的通過。所述帶通濾波器20分別與所述濾波器組10和控制器40 相連?？蛇x地，所述帶通濾波器20的輸出端與所述濾波器組10的輸入端相連，控制器40的第 一輸出端與帶通濾波器20的輸入端相連，控制器40的第二輸出端與所述濾波器組10的控制 端相連，向所述濾波器組10輸出每路濾波器電路中的開關的斷開/導通使能信號?？刂破?0 從風力發電機組的主控系統90獲取發電機轉速信號，通過帶通濾波器20過濾后提供給濾波 器組10處理（即過濾）。
[0032] 可選地，還包括第二帶阻濾波器30,第二帶阻濾波器30與濾波器組10相連。可選 地，第二帶阻濾波器30的輸入端與濾波器組10的輸出端相連。
[0033]可選地，所述濾波系統1包括用于輸出處理后的發電機轉速信號的第一通信接口， 所述第一通信接口與所述風力發電機組的變流控制系統50和/或變槳控制系統60相連。當 濾波系統1包括濾波器組10和控制器40時，濾波器組10的輸出端包括該第一通信接口；或 者，當濾波系統1包括濾波器組10、控制器40和第二帶阻濾波器30時，第二帶阻濾波器30的 輸出端包括該第一通信接口。
[0034]可選地，所述控制器40包括輸入所述發電機轉速信號的第二通信接口，所述第二 通信接口與所述風力發電機組的主控系統90相連。
[0035] 實施例三
[0036]參見圖la，本實施例提供一種風力發電機組的控制系統，該控制系統中包括實施 例一中所述的任一種風力發電機組的濾波系統1以及變流控制系統50和/或變槳控制系統 60,所述濾波系統1與所述變流控制系統50相連，并且/或者，所述濾波系統1與所述變槳控 制系統60相連。可選地，所述濾波系統1的第一輸出端與所述變流控制系統50的輸入端通信 連接，并且/或者，所述濾波系統1的第二輸出端與所述變槳控制系統60的輸入端通信連接。 或者，參見圖lb，本實施例提供一種風力發電機組的控制系統，該控制系統中包括實施例二 中所述的任一種風力發電機組的濾波系統1以及變流控制系統50和/或變槳控制系統60,所 述濾波系統1與所述變流控制系統50相連，并且/或者，所述濾波系統1與所述變槳控制系統 60相連。
[0037]進一步地，所述變流控制系統50與所述風力發電機組的變流系統70相連?？蛇x地， 所述變流控制系統50的輸出端與所述風力發電機組的變流系統70的控制端連接。
[0038]進一步地，所述變槳控制系統60與所述風力發電機組的變槳系統80相連。可選地， 所述變槳控制系統60的輸出端與所述風力發電機組的變槳系統80的控制端連接。
[0039]濾波系統1將風力發電機組的發電機轉速信號處理后，輸出給變流控制系統50,變 流控制系統50采用比例-積分（Proport ion Integral，PI)算法或者比例-積分-微分 (ProportionlntegralDifferential coefficient，PID)算法根據處理后的發電機轉速信 號生成風力發電機組的變流需求指令，并將該變流需求指令發送給變流系統70,變流系統 70執行變流需求指令后風力發電機組的主控系統90得到調整后的發電機轉速信號，并將該 調整后的發電機轉速信號發送給濾波系統1，從而形成閉環控制回路，變流控制系統50。變 流系統70執行變流需求指令具體可以包括對扭矩進行調整等。
[0040] 并且/或者，濾波系統1將風力發電機組的發電機轉速信號處理后，輸出給變槳控 制系統60,變槳控制系統60采用PI算法或者PID算法根據處理后的發電機轉速信號生成風 力發電機組的變槳需求指令，并將該變槳需求指令發送給變槳系統80,變槳系統80執行變 槳需求指令后風力發電機組的主控系統90得到調整后的發電機轉速信號，并將該調整后的 發電機轉速信號發送給濾波系統1，從而形成閉環控制回路。以上變槳系統80執行變槳需求 指令具體可以包括對槳距角進行調整等。
[0041] 以下以直驅121/3.0MW機組為例說明本實施例中風力發電機組的控制系統的具體 應用，以在其他型號或者參數的機組中的應用原理相同。在直驅121/3.0MW機組中的濾波器 組中包括四路濾波器電路的示例，這四路濾波器電路分別為二階低通濾波器和第一開關、 三階低通濾波器和第二開關、四階低通濾波器和第三開關以及五階低通濾波器和第四開 關。在應用之前，預先采用Matlab/Simulink和GH bladed軟件等風力發電機仿真軟件對其 進行建模，并對建立的風力發電機組的模型輸入模擬風速進行仿真研究，給出風力發電機 組的仿真波形。通過Mat lab軟件對線性化的121 /3.0MW Bladed模型進行仿真分析，發現現 有風力發電機組中對IN_plane3頻率、4.8HZ頻率及發電機基波頻率信號衰減不足。
[0042] 本應用中通過Matlab軟件對直驅121/3.0MW機組的線性化仿真模型進行仿真計 算。
[0043]根據經典數字信號原理，計算出來的二階低通濾波器公式如下：
[0045] 式（1)中62表示二階低通濾波器的傳遞函數，s表示拉普拉斯算子，ω#Ρω 2表示截 止頻率，d表示阻尼。
[0046] 計算出來的三階低通濾波器公式如下：
[0048] 式(2)中G3表不三階低通濾波器的傳遞函數，s表不拉普拉斯算子，ω?Ν c〇2和ω3表 示截止頻率，di和d2表示阻尼。
[0049]計算出來的四階低通濾波器公式如下：
[0051] 式(3)中G4表示四階低通濾波器的傳遞函數，s表示拉普拉斯算子，ωι、ω2、ω 3和 ω 4表示截止頻率，di、d2和d3表示阻尼。
[0052]計算出來的五階低通濾波器公式如下：
[0054] 式(4)中&表示五階低通濾波器的傳遞函數，s表示拉普拉斯算子，ωι、ω2、ω 3、ω4 和ω 5表示截止頻率，di、d2、d3和d4表示阻尼。
[0055]發電機基波頻率計算公式如下：
[0057]式(5)中r表示發電機轉速，單位是rpm，本應用以12.6為例;p表示電機極對數，本 應用以42為例;n = l，2,3,......分別表示電機基頻、二倍頻、三倍頻等。
[0058]在本應用中變流控制系統50或者變槳控制系統60采用PI算法，PI算法中的傳遞函 數如下：
[0060] 式(6)中kp表示比例系數，ki表示積分系數，s表示拉普拉斯算子。
[0061] 圖2示出本實用新型實施例三中各階低通濾波器的幅值伯德圖。圖3示出本實用新 型實施例三中各階低通濾波器的相位伯德圖。圖4示出本實用新型實施例三中各階低通濾 波器的階躍響應圖。圖2中的曲線210表示二階低通濾波器的幅值伯德曲線，曲線220表示三 階低通濾波器的幅值伯德曲線，曲線230表示四階低通濾波器的幅值伯德曲線，曲線240表 示五階低通濾波器的幅值伯德曲線；圖3中的曲線310表示二階低通濾波器的相位伯德曲 線，曲線320表示三階低通濾波器的相位伯德曲線，曲線330表示四階低通濾波器的相位伯 德曲線，曲線340表示五階低通濾波器的相位伯德曲線；圖4中的曲線410表示二階低通濾波 器的階躍響應曲線，曲線420表示三階低通濾波器的階躍響應曲線，曲線430表示四階低通 濾波器的階躍響應曲線，曲線440表示五階低通濾波器的階躍響應曲線。參見圖3,濾波器階 數越高，對目標的衰減值越大，例如在本應用中三階、四階及五階低通濾波器比二階低通濾 波器在IN_plane3頻率處分別多衰減了約7dB、14dB及22dB;在4.8HZ頻率處，分別多衰減了 16dB、32dB及48dB，其它高頻率段也都有較大程度的衰減；由于發電機基波頻率范圍為 5.25HZ到8.82HZ，由圖3可知，在該頻率段內衰減的dB值會更多一些。同時，也可以看出低通 濾波器階數越高，其對目標頻率衰減的幅值越大，超調問題也越突出，繼而引起控制系統的 不穩定。以上所指的目標包括但不限于扭矩、槳距角等等。
[0062] 圖5示出本實用新型實施例三中各階低通濾波器的葉輪轉速仿真曲線圖，圖5示出 不同階濾波器分別在3mps、9mps及15mps風速條件下的工況，圖5中的曲線510表示二階低通 濾波器的葉輪轉速仿真曲線圖，曲線520表示三階低通濾波器的葉輪轉速仿真曲線圖，曲線 530表示四階低通濾波器的葉輪轉速仿真曲線圖，曲線540表示五階低通濾波器的葉輪轉速 仿真曲線圖。參見圖5,二階、三階及四階低通濾波器的葉輪轉速仿真效果較好，而經過五階 低通濾波器處理后的葉輪轉速超調嚴重，這與圖4中五階低通濾波器的階躍響應超調相互 印證。
[0063] 圖6示出本實用新型實施例三中四階低通濾波器選通前發電機轉速信號的曲線 圖。圖7示出本實用新型實施例三中四階低通濾波器選通后發電機轉速信號的曲線圖。比較 圖6中的曲線610和圖7中的曲線710,在保證機組良好運行的條件下，選通四階低通濾波器 后，發電機轉速信號中的IN_plane3頻率和電機基波頻率毛刺信號均得到較大幅度的衰減， 從而保證機組順利實現滿發。
[0064] 對于濾波器組中選擇哪路濾波器電路中的開關導通，除了參考接收的轉速信號 外，還可以綜合考慮各濾波器電路中濾波器的截止頻率和階次，例如，低通濾波器的截止頻 率越低，濾波器對相同頻率毛刺信號的衰減幅值越大;低通濾波器的階次越高，低通濾波器 在指定頻率處對信號的衰減程度越大。在截止頻率和階次的基礎上結合選通哪路濾波器電 路后機組出現了超調的結果作為參考，最終確定具體選通哪路濾波器電路。以本應用為例， 雖然五階低通濾波器能夠在IN_plane3和電機基波頻率處衰減較大的幅值，參見圖5可知， 選通五階低通濾波器對應的葉輪轉速出現超調，機組不穩定，因此，在該機組中選通四階低 通濾波器電路中的開關。
[0065] 以上所述，僅為本實用新型的【具體實施方式】，但本實用新型的保護范圍并不局限 于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本實用新型揭露的技術范圍內，可輕易想到變化 或替換，都應涵蓋在本實用新型的保護范圍之內。因此，本實用新型的保護范圍應以所述權 利要求的保護范圍為準。
【主權項】
1. 一種風力發電機組的濾波系統，其特征在于，所述濾波系統包括濾波器組和控制器， 所述濾波器組包括多路并聯連接的濾波器電路，每路濾波器電路包括串聯連接的濾波器和 開關，所述控制器與所述濾波器組相連，所述濾波器組中的至少一路濾波器電路導通后對 所述風力發電機組的發電機轉速信號進行處理。2. 根據權利要求1所述的風力發電機組的濾波系統，其特征在于，所述濾波器組中的濾 波器分別為不同階的低通濾波器;或者，所述濾波器組中的濾波器分別為同階的第一帶阻 濾波器。3. 根據權利要求1所述的風力發電機組的濾波系統，其特征在于，所述濾波系統還包括 帶通濾波器，所述帶通濾波器分別與所述濾波器組和控制器相連。4. 根據權利要求1所述的風力發電機組的濾波系統，其特征在于，所述濾波系統還包括 第二帶阻濾波器，所述第二帶阻濾波器與所述濾波器組相連。5. 根據權利要求1至4任一項所述的風力發電機組的濾波系統，其特征在于，所述濾波 系統包括用于輸出處理后的發電機轉速信號的第一通信接口，所述第一通信接口與所述風 力發電機組的變流控制系統和/或變槳控制系統相連。6. 根據權利要求1至4任一項所述的風力發電機組的濾波系統，其特征在于，所述控制 器包括輸入所述發電機轉速信號的第二通信接口，所述第二通信接口與所述風力發電機組 的主控系統相連。7. -種風力發電機組的控制系統，其特征在于，包括如權利要求1至6任一項所述的風 力發電機組的濾波系統以及變流控制系統和/或變槳控制系統，所述濾波系統與所述變流 控制系統相連，并且/或者，所述濾波系統與所述變槳控制系統相連。8. 根據權利要求7所述的風力發電機組的控制系統，其特征在于，所述變流控制系統與 所述風力發電機組的變流系統相連;并且/或者， 所述變槳控制系統與所述風力發電機組的變槳系統相連。
【文檔編號】F03D7/00GK205646825SQ201620502293
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月26日
【發明人】李波, 樊帥
【申請人】新疆金風科技股份有限公司