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數(shù)字濾波器在兆瓦級風(fēng)電機組控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

2016-03-23 01:28:19盧仁寶王朝東袁金庫
風(fēng)能 2016年7期
關(guān)鍵詞:傳動鏈二階濾波器

文|盧仁寶,王朝東,袁金庫

數(shù)字濾波器在兆瓦級風(fēng)電機組控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

文|盧仁寶,王朝東,袁金庫

近幾年,隨著能源危機的加劇和社會環(huán)境保護(hù)意識的提高,風(fēng)力發(fā)電發(fā)展十分迅速。中國可再生能源學(xué)會風(fēng)能專業(yè)委員會最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,2015年,國內(nèi)新增裝機量3050萬千瓦,同比增加31.5%,累積裝機量1.45億千瓦,同比新增26.6%。目前,風(fēng)電機組往往安裝在偏遠(yuǎn)地區(qū)且無人值守,其運行控制主要靠控制系統(tǒng)自動完成,所以它是一個典型的自動控制系統(tǒng)。由于風(fēng)電場湍流、機組振動和電磁干擾等因素的存在,使得控制系統(tǒng)采集到的信息中含有大量其他頻率成分的干擾信號,因此在進(jìn)行機組控制之前,必須首先對采集到的信號進(jìn)行濾波處理,濾除信號中的干擾成分。而數(shù)字濾波器具有實現(xiàn)簡單、參數(shù)調(diào)整方便、濾波效果好等優(yōu)點,因此在大型風(fēng)電機組控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

常用數(shù)字濾波器類型介紹

一、一階低通數(shù)字濾波器

風(fēng)電機組控制系統(tǒng)采集到發(fā)電機轉(zhuǎn)速信號,由于電磁干擾、機械振動等因素的存在,致使其含有大量高頻干擾信號,因此需要首先濾除該高頻干擾信號。目前最常用的方法是用一階低通數(shù)字濾波器進(jìn)行濾波處理,該濾波器對應(yīng)的傳遞函數(shù)如下:

其中:Ts為濾波器的時間常數(shù),可以根據(jù)所選低通濾波器的截止頻率計算得到。另外,由于控制系統(tǒng)為數(shù)字處理方式,因此需將式(1)進(jìn)行離散化處理,轉(zhuǎn)化為時域表達(dá)式,則為:

其中:Ts為控制系統(tǒng)采樣周期,k為采樣次數(shù),y(k-1)上次濾波輸出,x(k)為本次采樣輸入,y(k)為本次濾波輸出。

二、二階帶阻數(shù)字濾波器

作為旋轉(zhuǎn)機械的風(fēng)電機組結(jié)構(gòu)復(fù)雜,它是一個剛性耦合的多體系統(tǒng),當(dāng)機組在自然風(fēng)條件下工作運行時,葉片受到空氣動力、慣性力及彈性力等交變載荷的影響,會使葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生揮舞、擺振和扭轉(zhuǎn)振動。該振動會造成機組轉(zhuǎn)速信號中疊加有某一頻率成分。因此需要設(shè)計一個帶阻濾波器(陷波器),將含有該頻率成分的分量濾除掉??紤]到整個控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度,其濾波器階數(shù)不易過高,所以在實際應(yīng)用中一般選用二階帶阻濾波器,其對應(yīng)的濾波器傳遞函數(shù)為:

其中:ω1=ω2=2πf為濾波器的固有頻率,ξ1為分子衰減系數(shù),ξ2為分母衰減系數(shù)。同樣需將式(3)進(jìn)行離散化處理,同時為了防止產(chǎn)生頻率混疊現(xiàn)象,利用雙線性變化法進(jìn)行轉(zhuǎn)化可得:

再將式(4)轉(zhuǎn)化為時域表達(dá)式,則為:

其中:TS為采樣時間, k為采樣次數(shù)。

三、二階帶通數(shù)字濾波器

眾所周知,風(fēng)電機組的傳動鏈系統(tǒng)主要由葉片、主軸、齒輪箱傳動系統(tǒng)和發(fā)電機組成,由于傳動鏈工作轉(zhuǎn)速范圍寬,在時變外部載荷和內(nèi)部載荷的共同作用下易于系統(tǒng)發(fā)生共振,發(fā)電機轉(zhuǎn)速會出現(xiàn)明顯的抖動情況,對整個機組的運行安全產(chǎn)生重大隱患。因此,為了防止整個傳動鏈在風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)共振情況,工程上會利用傳動鏈加阻轉(zhuǎn)矩去抵制其共振。而生成加阻轉(zhuǎn)矩首先需要獲得發(fā)電機轉(zhuǎn)速在傳動鏈固有頻率附近的信號分量。因此,需要設(shè)計一個帶通濾波器,僅僅將該傳動鏈共振頻率范圍內(nèi)的信號分量提取出來。另外,由于該加阻轉(zhuǎn)矩對轉(zhuǎn)速信號的時序要求非常嚴(yán)格,兩者必須保持同步,考慮到變流器在轉(zhuǎn)矩響應(yīng)上有一定的滯后時間,因此,該濾波器在相位上還應(yīng)超前約15°-30°。根據(jù)以上要求,設(shè)計機組傳動鏈加阻濾波器的傳遞函數(shù)為:

其中:ω為濾波器的固有頻率,ξ為衰減系數(shù),T為補償時間常數(shù)。

同樣利用雙線性變化法對式(6)進(jìn)行離散化處理,可得:

將式(7)轉(zhuǎn)化為時域表達(dá)式,則為:

其中:Ts為采樣時間,k為采樣次數(shù)。

數(shù)字濾波器在風(fēng)電機組控制系統(tǒng)中的實際應(yīng)用

本文接下來將以河南省某風(fēng)電場實際采集到的機組在額定功率附近發(fā)電機轉(zhuǎn)速信號為例,詳細(xì)介紹上述數(shù)字濾波器在機組控制中的應(yīng)用。

一、一階低通濾波器在機組控制中的應(yīng)用

機組在正常運行過程中,由控制系統(tǒng)采集到的原始發(fā)電機轉(zhuǎn)速信號及其功率頻譜如圖1所示。

從圖1中不難看出,由于轉(zhuǎn)速信號在高頻部分存在干擾分量,造成發(fā)電機轉(zhuǎn)速信號出現(xiàn)一定的波動,因此需要對其進(jìn)行濾波處理,濾除高頻干擾。對于風(fēng)電機組發(fā)電機轉(zhuǎn)速信號而言,其低通濾波器的截止頻率應(yīng)為機組塔筒固有頻率的10倍-15倍,這樣既可以保證將高頻干擾信號濾除,又能保留有用信號的頻率分量。

根據(jù)該機組的設(shè)計參數(shù)可知其塔筒的一階固有頻率為0.335Hz,考慮到機組控制系統(tǒng)的采樣時間為0.02s,則濾波器時間常數(shù)T應(yīng)為0.04s比較適宜,對應(yīng)濾波器的截止頻率為4Hz,則其傳遞函數(shù)為:

利用Matlab求出其對應(yīng)的幅頻特性和相頻特性曲線,如圖2所示。

通過式(2)得到一階低通數(shù)字濾波器的離散時域表達(dá)式為:

利用式(10),對原始轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行濾波處理,處理后的數(shù)據(jù)如圖3所示。

與圖2相比,不難看出發(fā)電機轉(zhuǎn)速信號在經(jīng)過一階低通濾波器處理后,信號中大于4Hz的頻率分量已經(jīng)明顯降低,功率頻譜圖明顯比較平滑,無多余毛刺。

二、二階帶阻濾波器在機組控制中的應(yīng)用

通過圖3發(fā)現(xiàn),發(fā)電機轉(zhuǎn)速信號在經(jīng)過一階低通濾波器處理后,在其功率頻譜圖中,在1.5Hz-2.5Hz區(qū)間仍存在含量比較高的頻率分量,轉(zhuǎn)速信號仍有明顯的波動。因此,需要再次對其進(jìn)行濾波處理,僅僅將該頻段的干擾信號濾除。

通過對該機組主要部件的固有頻率點進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)該機組葉片的一階揮舞頻率為0.75Hz,而干擾信號中心頻率正好與2倍頻的葉片一階揮舞頻率重合,因此可以推斷正是該固有頻率點造成發(fā)電機轉(zhuǎn)速在該頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生波動,需要使用二階帶阻濾波器對該信號進(jìn)行濾波處理。根據(jù)上述要求,則二階帶阻濾波器的相關(guān)參數(shù)為:

于是,式(3)可化為:

利用Matlab求出其幅頻特性和相頻特性曲線如圖4所示。

根據(jù)式(5),對上述傳遞函數(shù)進(jìn)行處理,可得二階帶阻濾波器的離散時域表達(dá)式為:

利用該式對由一階低通濾波器得到的轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行濾波,結(jié)果如圖5所示。

通過圖5不難發(fā)現(xiàn),經(jīng)過二階帶阻濾波處理后,轉(zhuǎn)速信號波動明顯減少,并且在其功率頻譜圖中,中心頻率為1.56Hz的干擾分量已經(jīng)被濾除掉。

三、二階帶通濾波器在機組控制中的應(yīng)用

但是,通過圖5發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)速信號功率頻譜圖中,2.0Hz-3.0Hz區(qū)間頻譜含量比其他區(qū)間要高,這說明發(fā)電機轉(zhuǎn)速信號在該頻段區(qū)間內(nèi)存在一定抖動,這不利于風(fēng)電機組部件的運行安全。通過查看該機組對應(yīng)設(shè)計的坎貝爾圖,發(fā)現(xiàn)該機組整個傳動系統(tǒng)的固有頻率為2.31Hz,從而可以推斷出該頻率分量為機組傳動鏈共振所致,針對該類現(xiàn)象,只能通過加阻轉(zhuǎn)矩減少共振。根據(jù)前文所述,則傳動鏈加阻所需二階

帶通濾波器相關(guān)參數(shù)為:

于是,式(6)可轉(zhuǎn)化為:

利用Matlab求出其幅頻特性和相頻特性曲線如圖6所示。

根據(jù)式(8),對上述傳遞函數(shù)進(jìn)行處理,可得二階帶通濾波器的離散時域表達(dá)式為:

利用該式對由二階帶阻濾波器得到的轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行濾波處理,結(jié)果如圖7所示。

通過圖7不難發(fā)現(xiàn),經(jīng)過傳動鏈加阻濾波處理后,可將該頻率區(qū)間的轉(zhuǎn)速信號分量提取出來。在實際應(yīng)用中將該信號乘以適當(dāng)?shù)脑鲆嫦禂?shù),并將其疊加到控制策略轉(zhuǎn)矩輸出上,進(jìn)而去抑制發(fā)電機轉(zhuǎn)速在傳動鏈固有頻率附近波動,保護(hù)齒輪箱、發(fā)電機等重要部件不被損壞。

結(jié)論

本文以風(fēng)電場實際采集的風(fēng)電機組轉(zhuǎn)速信號為例,對該信號的頻率特性以及干擾源進(jìn)行分析,詳細(xì)對數(shù)字濾波器參數(shù)選取及其實現(xiàn)方法進(jìn)行說明,并通過轉(zhuǎn)速信號功率頻譜圖對濾波器的效果進(jìn)行分析,最終得出結(jié)論:選擇合適的數(shù)字濾波器,可以很好地將干擾信號濾除,滿足控制系統(tǒng)對輸入信號的要求,提高機組控制效果。至于其他類型信號的數(shù)字濾波器(如溫度、風(fēng)速、功率等)的設(shè)計,則需要根據(jù)信號的屬性不同選擇合適的濾波器類型和參數(shù),以保證達(dá)到較好的濾波效果??傊?,數(shù)字濾波器實現(xiàn)簡單,參數(shù)調(diào)整方便,濾波效果好,未來它將會在大型風(fēng)電機組控制系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

(作者單位:許昌許繼風(fēng)電科技有限公司)

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