雙饋風(fēng)電機(jī)組機(jī)電耦合影響及載荷主動控制研究.pdf

1、近年來，隨著并網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量及規(guī)模的不斷增大，一方面對電網(wǎng)擾動影響增強(qiáng)，另一方面機(jī)組需要具備更強(qiáng)的抵御電網(wǎng)故障的能力，在更嚴(yán)峻電網(wǎng)及風(fēng)激勵下，需要保證機(jī)組動態(tài)載荷在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，風(fēng)電機(jī)組能夠保持可靠運(yùn)行。因此，風(fēng)電機(jī)組的多耦合影響及控制策略研究具有重要意義。本文針對大型兆瓦級雙饋風(fēng)電機(jī)組，從機(jī)組的動態(tài)載荷及電磁暫態(tài)影響角度出發(fā)，分析機(jī)電耦合影響，研究載荷主動控制策略，主要工作及成果如下:
　　1.為彌補(bǔ)目前雙饋風(fēng)電機(jī)組模型不能

2、同時考慮大部件柔性、傳動特性及電磁暫態(tài)特性的不足，研究了機(jī)械結(jié)構(gòu)與電氣系統(tǒng)的整合建模方法，基于FAST軟件與Matlab的聯(lián)合仿真，提出了適用于機(jī)電聯(lián)合仿真的多耦合模型。其中，氣動、槳葉及塔筒模型利用FAST軟件建立，傳動鏈模型及電氣系統(tǒng)模型在Matlab中建立。模型中傳動鏈模型較以往質(zhì)量塊模型包含了更多傳動細(xì)節(jié)，如齒輪嚙合剛度、傳動綜合誤差及多級傳動軸，能夠分析行星級傳動的低頻激勵對系統(tǒng)影響。為提高仿真速度并保證求解穩(wěn)定性，對網(wǎng)側(cè)變流

3、器及低電壓穿越保護(hù)控制模型進(jìn)行了一定簡化，針對低電壓穿越情況下的復(fù)雜機(jī)側(cè)變流器控制，給出了用于仿真的簡單參考信號給定模型。針對傳動模型及電氣模型，分別采用不同仿真方法對比及仿真與實(shí)驗(yàn)對比方法驗(yàn)證了模型可靠性，通過風(fēng)場的實(shí)際測試，驗(yàn)證了所提多耦合模型的有效性。
　　2.基于多耦合模型的仿真分析，對正常運(yùn)行工況下的機(jī)組動態(tài)特性及耦合影響展開研究，分析了傳動特性、大部件結(jié)構(gòu)柔性對電氣擾動影響及電氣系統(tǒng)對動態(tài)載荷的影響，突出了正常發(fā)電工況

4、下機(jī)電系統(tǒng)之間的主要耦合關(guān)系，指出了傳動鏈的低通特性及剛度對系統(tǒng)影響。另外，結(jié)合實(shí)際測試，從機(jī)理分析了行星級傳動對系統(tǒng)影響。研究發(fā)現(xiàn)，傳動系統(tǒng)中的低頻擾動對電氣系統(tǒng)影響最為顯著，高頻擾動容易快速衰減或被“濾除”;大部件結(jié)構(gòu)柔性在一定外部激勵下，受電網(wǎng)短路容量影響能夠引起明顯的功率及電壓波動;電磁轉(zhuǎn)矩的不同動態(tài)響應(yīng)對塔筒側(cè)向動態(tài)載荷影響較大。
　　3.結(jié)合雙饋風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越時硬件保護(hù)裝置的投切狀態(tài)及變流器控制策略，研究了電壓跌落

5、故障下傳動鏈所受的沖擊影響。通過對crowbar投切及機(jī)側(cè)變流器不同控制策略的影響分析，解釋了高速軸扭矩不同動態(tài)響應(yīng)與電氣控制之間的相互聯(lián)系，反映出從電磁暫態(tài)及電網(wǎng)角度與從機(jī)械角度對機(jī)組分析的不同，為風(fēng)電機(jī)組控制策略設(shè)計(jì)提供了理論分析依據(jù)。
　　4.為研究電壓對稱跌落故障下的機(jī)組耦合振動，以加速度為研究變量，在不同電壓跌落深度及不同風(fēng)況下進(jìn)行了對比分析，揭示了槳葉擺振、塔筒側(cè)向模態(tài)與傳動鏈扭振在電壓跌落情況下的突出耦合關(guān)系。為進(jìn)一

6、步研究電壓跌落對不同部件的沖擊影響，詳細(xì)分析了塔筒頂端側(cè)向及葉尖擺振加速度在不同風(fēng)況下的峰值大小，提出了一種量化標(biāo)準(zhǔn)表征電壓跌落對不同模態(tài)引起的沖擊程度，結(jié)果表明槳葉擺振主要受風(fēng)激勵影響，對電壓小幅值跌落并不敏感，塔筒受到的沖擊相對較大。這為電壓跌落情況下的載荷控制目標(biāo)確定及控制器設(shè)計(jì)提供了一定依據(jù)。
　　5.為應(yīng)對陣風(fēng)及電壓跌落故障下機(jī)組超速及過大沖擊載荷問題，結(jié)合目前研究，對比分析了正常運(yùn)行工況與特殊工況下的載荷特性，總結(jié)出特

7、殊工況下的控制目標(biāo)。應(yīng)用線性二次型高斯調(diào)節(jié)器及kalman狀態(tài)觀測器，設(shè)計(jì)槳距角補(bǔ)償控制提高機(jī)組轉(zhuǎn)速穩(wěn)定能力，在電壓跌落故障下，提出通過切換增益改變控制目標(biāo)的轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償與槳距角補(bǔ)償控制。由于機(jī)組的部分關(guān)鍵參數(shù)不可準(zhǔn)確測量，基于傳動剛度及風(fēng)輪慣量對觀測器及線性二次型調(diào)節(jié)器的影響分析，進(jìn)一步提出了基于雙kalman觀測器的轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償控制，能夠有效提高觀測準(zhǔn)確性。通過線性模型的理論分析及非線性模型仿真，所提控制方法能夠在陣風(fēng)下減小轉(zhuǎn)速波動，減小超