雙饋風電機組機電耦合影響及載荷主動控制研究.pdf

1、近年來，隨著并網(wǎng)型風電機組單機容量及規(guī)模的不斷增大，一方面對電網(wǎng)擾動影響增強，另一方面機組需要具備更強的抵御電網(wǎng)故障的能力，在更嚴峻電網(wǎng)及風激勵下，需要保證機組動態(tài)載荷在設計范圍內(nèi)，風電機組能夠保持可靠運行。因此，風電機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電機組，從機組的動態(tài)載荷及電磁暫態(tài)影響角度出發(fā)，分析機電耦合影響，研究載荷主動控制策略，主要工作及成果如下:
　　1.為彌補目前雙饋風電機組模型不能

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，研究了機械結構與電氣系統(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)側變流

3、器及低電壓穿越保護控制模型進行了一定簡化，針對低電壓穿越情況下的復雜機側變流器控制，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驗對比方法驗證了模型可靠性，通過風場的實際測試，驗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，對正常運行工況下的機組動態(tài)特性及耦合影響展開研究，分析了傳動特性、大部件結構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、下機電系統(tǒng)之間的主要耦合關系，指出了傳動鏈的低通特性及剛度對系統(tǒng)影響。另外，結合實際測試，從機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”;大部件結構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;電磁轉矩的不同動態(tài)響應對塔筒側向動態(tài)載荷影響較大。
　　3.結合雙饋風電機組低電壓穿越時硬件保護裝置的投切狀態(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投切及機側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)角度與從機械角度對機組分析的不同，為風電機組控制策略設計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況下進行了對比分析，揭示了槳葉擺振、塔筒側向模態(tài)與傳動鏈扭振在電壓跌落情況下的突出耦合關系。為進一

6、步研究電壓跌落對不同部件的沖擊影響，詳細分析了塔筒頂端側向及葉尖擺振加速度在不同風況下的峰值大小，提出了一種量化標準表征電壓跌落對不同模態(tài)引起的沖擊程度，結果表明槳葉擺振主要受風激勵影響，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確定及控制器設計提供了一定依據(jù)。
　　5.為應對陣風及電壓跌落故障下機組超速及過大沖擊載荷問題，結合目前研究，對比分析了正常運行工況與特殊工況下的載荷特性，總結出特

7、殊工況下的控制目標。應用線性二次型高斯調(diào)節(jié)器及kalman狀態(tài)觀測器，設計槳距角補償控制提高機組轉速穩(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的轉矩補償與槳距角補償控制。由于機組的部分關鍵參數(shù)不可準確測量，基于傳動剛度及風輪慣量對觀測器及線性二次型調(diào)節(jié)器的影響分析，進一步提出了基于雙kalman觀測器的轉矩補償控制，能夠有效提高觀測準確性。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下減小轉速波動，減小超