直驱型风力发电系统

直驱型风力发电系统（精选4篇）

直驱型风力发电系统 第1篇

1 偏航系统的基础性功能

直驱型风力发电机组常采用电动的偏航系统, 其主要功能有三种:一是当风的方向变化时, 能够快速平稳地对准风向来调整机组使其对准风向, 确保相应的叶轮能实现基本的有效跟踪, 对于风向形成良性的定位, 从而产生优化的风能利用效率。二是强化了对于电缆的基础性保护, 在风力发电机组运行过程中, 会产生连续性的偏航结构, 若是过度扭绞会产生不必要的电缆断裂, 甚至会出现相应的失效现象。三是风机在正常发电运中提供必要的锁紧力矩, 偏航电机均采用电磁制动三相异步电机, 在不偏航的情况下产生一定的锁紧阻尼力矩, 以保障风力发电机组始终正对迎风向并保证机组安全平稳的运行。

2 偏航系统的基本组成

偏航系统是由偏航控制系统和偏航传动机构两大部分组成。

2.1 偏航控制系统概述

偏航控制系统包括风向标、风速仪、扭缆传感器、数据处理器 (PLC) 。其中风向标主要安装在相应机舱顶部的两侧。对于基础风向以及中心线的偏角进行测量, 在安装过程中通常都会安装一对, 形成有效的互相校对, 减小错误信号的产生, 若是产生两者之间的不一致, 则整体偏航自动切断。而风速仪是有可加热型风速计构成, 在风速比较小的情况下, 相应的检查和监测会同步进行, 并且对于基础性的风速数据进行计量和存储[1]。扭缆传感器:扭缆传感器是一个绝对值行程开关, 一般在机舱与塔筒处安装, 扭缆值以电缆垂直时机械位置为零值点, 准确记录电缆与机舱偏航角度值, 当电缆束随机舱转动到定值告警值或解缆值时触发启动开关。

2.2 偏航传动系统概述

偏航传动机构由回转支撑轴承、驱动电机、行星齿轮减速箱、传动齿轮、偏航制动系统, 润滑系统等组成。实体化的偏航轴承由螺栓与机舱进行外环连接, 由他加进行内环连接。偏航系统的主要动力来源于基础电机, 行星齿轮减速箱是将电机输出的高速转变成低速的机构。传动齿轮将驱动电机产生的驱动力矩传给支撑轴承。在实体的偏航系统中主要包括两个重要组成部分, 其中之一就是电机电磁制动装置, 它会集中安装在驱动机的元件后端。另一个就是液压系统, 它会安装在偏航系统的基础轴承附近, 并且通过基本的液压站和制动缸进行基础项目的操作。在偏航系统运行过程中, 液压系统中的制动缸呈现的是半释放模式, 偏航系统压力约0~20bar;自动解缆时制动缸处于全释放状态。润滑系统采用主动润滑, 按设定的润滑周期对偏航轴承以及齿轮进行必要的润滑操作, 以保证零件的基本运行。另外, 在整体系统运行过程中, 要进行平稳化的启动操作, 保证基本的匀速转动, 规避相应的振动现象。

3 偏航系统中常见问题及应对措施

由于偏航系统的主要助推动力是风力发电机, 在实际的运行过程中, 必然会产生一些相应的故障。

3.1 基础齿圈表面的过度磨损

在实际的操作中, 造成磨损的原因有很多, 其中包括齿轮运转的时限过长、运转过程中出现的杂志渗入、润滑试剂欠缺导致的过度摩擦等等。对于相应的问题要采取相应的措施, 才能对项目设备进行优化的利用。相应的管理人员要形成定期检查的工作模式, 保证齿轮处于润滑的状态, 要对相应的储油设备进行及时性的关注, 保证基本油量的充足。

3.2 偏航的基础时间过长

原因:风向标、偏航电机、扭缆传感器等部件损坏;偏航轴承卡死。检查风向标1、2 工作是否正常, 若风向标故障, 更换风向标;检查扭缆传感器是否有故障, 左右极性是否有接错, 对调接线或更换扭缆传感器。查偏航轴承润滑是否正常, 添加油脂, 检查管路及分配器是否损坏;检查偏航电机运行是否正常, 有无电机损坏, 必要时更偏航电机[2]。

3.3 偏航制动压力很低

有管路接头松动或损坏;密封件损坏;制动缸损坏;液压站损坏。现场检查液压管道是否有泄漏, 紧固各油管;启动液压泵试打压, 有压力但无法达到工作值且液压泵运行声音沉闷, 可调节流量阀流量。若出现其他情况时, 必要时更换液压站。

3.4 偏航电机工作开关激活

主要原因:电机损坏;电机工作异常, 如制动器未松闸、保护定值太小。检查空开是否跳开, 将跳开该空开合上, 调整保护定值至最大值, 试偏航运行正常即可。若再次跳开, 检查偏航电机有无明显异常损坏烧坏, 进行绝缘测量, 阻值大于0.4MΩ测相间有无缺相断相现象, 必要时更换电机。

4 结束语

本文对直驱型并网风力发电机组偏航系统展开介绍及常见故障进行分析, 提出处理和保养方法, 以降低偏航系统故障提高风机运行性能提高利用率。如何提高风机性能提高利用率, 减少维修几率减少停机时间是大势所趋, 同时也成了各大风电公司提高运营指标的主要考虑方面。

摘要：偏航系统是风力发电机组一个极其重要的组成部分。随着直驱并网型风力机组容量不断增大, 对机组偏航系统工作稳定性要求越来越高, 其工作情况直接影响风机发电机组利用率高低。本文主要围绕直驱永磁风力发电机组的偏航系统展开介绍, 阐述了直驱型风力发电机组偏航系统的工作原理、功能及结构组成, 分析了偏航系统常见故障, 通过降低偏航系统故障率提高机组性能, 从而从根本上提高整体系统的利用率。

关键词：直驱型,风力发电机组,偏航系统,重要性

参考文献

[1]廖明夫.风力发电技术[M].西安:西北工业大学出版社, 2009.

直驱型风力发电系统 第2篇

关键词：风力发电机组,连接螺栓,有限元,ANSYS,极限强度

1 背景

可再生能源的开发利用, 对解决能源问题和环境问题具有重要的作用, 是实现可持续发展的战略选择。风力发电整个过程都不产生任何污染, 是真正的绿色能源。风电技术自上世纪八十年代发展起步, 步入本世纪初, 欧洲、北美、中国等地区和国家迅速开发风电产业, 当前我国风电产业也发展十分迅速, 功率从k W级别发展到MW级别, 结构尺寸也越来越大。传统的计算分析方法已经不能满足风力发电的设计要求, 应用新的3D建模软件和计算分析软件, 可以使风力发电机组的设计和分析的更加精确, 从而保证我国风力发电技术的良好发展。

ANSYS软件是目前国际上最著名的大型通用有限元分析软件, 广泛应用于航空航天、化工、汽车、电子、机械、土木工程等各个研究领域, 其极强的分析功能覆盖了几乎所有的工程问题[1], 是现代设计中必不可少的分析工具, 在风力发电机组的设计分析中起着至关重要的作用。

2 底盘与发电机连接螺栓强度分析的意义

与双馈型风力发电机组不同, 直驱型风力发电机组的风轮直接与发电机相连, 中间省去了主轴、齿轮箱及其附件等部件, 在风的作用下旋转的风轮直接将动能传递给发电机来产生电能。这种直驱型风力发电机组没有齿轮箱, 可减少传动损耗, 提高风力机的发电效率;同时, 简化了传动结构, 提高了机组的可靠性, 从而降低了运行及维护成本[2]。

直驱型风力发电机组的发电机一侧与轮毂相连, 另一侧通过高强度螺栓固定于机舱的底盘上, 然后通过底盘以及偏航轴承等部件固定于塔架上方。因此, 机舱底盘与发电机之间的连接螺栓承受着轮毂传递过来的不同工况下的力与力矩及其发电机自身的重力, 其螺栓的强度对风力发电机组的可靠性起着重要的作用。

底盘与发电机的连接螺栓在连接位置处圆周均布, 因此在相同载荷下不同位置的螺栓受力各不相同, 同时, 风力发电机组有多种工况, 不同工况下产生的载荷情况也不相同, 因此, 连接螺栓的受力情况比较复杂, 应用传统的工程计算方法来计算螺栓的强度较麻烦且准确性不高[3]。采用有限元分析法, 应用有限元软件ANSYS构建了该结构的有限元计算模型, 对连接螺栓进行了不同工况的强度分析, 并且根据分析结果验证了连接螺栓的可靠性。

3 连接螺栓的强度分析

3.1 底盘与发电机连接螺栓的几何分析模型

底盘与发电机连接螺栓的几何模型如图1所示, 发电机通过两排均布的10.9级M36螺栓与机舱底盘连接, 内外两圈的螺栓数均为60个, 其中内圈螺纹孔的分布直径为1700mm, 外圈螺纹孔的分布直径1900mm。由于连接螺栓的有限元模型是直接在ANSYS中建立相应的单元, 因此该几何模型只需确定螺栓孔位置与大小即可。

由于本次分析主要是分析连接螺栓的强度, 因此本次分析中的底盘与发电机的几何模型在原设计结构的基础上进行了简化, 将小的孔类、圆角及小凸台等对计算结果影响很小的结构略去, 这样可以在保证计算精度的前提下, 降低网格划分难度, 缩短计算时间。

3.2 材料特性

在有限元分析计算中, 结构的静强度分析所需的材料特性主要是材料的弹性模量和泊松比。文章的底盘和发电机均为铸件, 其材料为球墨铸铁QT400-18AL, 该材料的弹性模量为1.731011Pa, 泊松比为0.3。10.9级的高强度螺栓的材质一般为低碳合金钢或中碳钢, 屈服强度为940MPa, 而所用的螺栓垫圈的材料为Q345E, 它们的弹性模量均为1.731011Pa, 泊松比为0.3。

3.3 有限元模型的建立

3.3.1 结构的网格划分

网格划分是建立有限元模型过程中最复杂最关键的一部分, 网格质量的好坏以及所选择的的单元类型直接影响到求解精度、求解收敛性和求解速度[4]。底盘与发电机部分是将Solidworks建立的三维模型直接导入ANSYS中, 然后分别进行网格划分得到所需单元。由于底盘结构复杂且形状不规则, 该结构的单元类型采用SOL-ID187四面体单元, 而发电机是规则的轴对称结构, 故单元类型采用SOLID185六面体单元, 采用这种网格划分形式, 可以在保证计算精度的前提下加快计算速度。螺栓部分则直接在ANSYS中采用BEAM188梁单元建立相应的单元模型, BEAM188梁单元的截面大小按M36螺栓的应力截面面积进行设定。完成网格划分的有限元模型如图2所示。

3.3.2 载荷及边界条件的施加

底盘与发电机的连接螺栓承受的载荷主要是轮毂中心处的极限工况载荷和发电机的重力。在轮毂中心处建立节点, 该节点与发电机端面节点做MPC绑定接触, 在该节点处施加由风力机载荷计算软件Bladed软件计算得到的16组极限工况载荷, 节点的坐标系采用GL规范中规定的轮毂坐标系[5], 坐标系方向如图3所示。在发电机重心位置建立节点, 同理, 该节点与发电机部分内表面做绑定接触, 并在该节点处施加发电机重力。分析中发电机与机舱底盘的接触面之间定义摩擦接触关系, 摩察系数大小取0.2, 在主机架下端节点上施加全约束, 即约束该面上所有节点的X、Y、Z三个方向上位移和旋转自由度。

3.4 求解计算与结果分析

由于该结构的有限元计算模型涉及到接触非线性问题, 并且连接螺栓在受载荷力之前需施加螺栓预紧力, 因此, 求解过程采用多载荷步的方式进行计算, 第一步施加螺栓预紧力, 第二步施加螺栓所受的极限工况载荷。

运用ANSYS软件分别计算比较轮毂中心处的16组极限工况载荷下螺栓的应力大小, 可以得到My-min工况下螺栓组的应力最大。My-min工况下轮毂的极限载荷为:Mx=-3.51k Nm, My=-4457.1k Nm, Mz=-2192.2k Nm, Fx=-110.6k N, Fy=90.5k N, Fx=-778.7k N。在该工况下, 螺栓组整体应力结果和最危险螺栓应力结果分别如图4和图5所示, 从图中可以看出, 螺栓组的最大应力为746MPa。10.9级的螺栓的屈服应力为940MPa, 根据风力发电机组的相关规范, 螺栓的安全系数为1.1, 则螺栓的许用应力为854.5 MPa, 因此, 该组连接螺栓在极限工况下能够满足静强度要求。

底盘与发电机之间的连接螺栓, 除了满足强度要求外, 还需要考虑它们接触面之间在预紧力和极限载荷作用下, 圆周方向是否会发生滑移, 应避免使螺栓承受剪切力。通过ANSYS的计算分析, 可以得到接触面之间的接触状态, 图5为在Mymin工况下发电机与底盘的接触状态分布图, 从图中状态分布可知, 接触状态较好, 接触面之间没有发生滑移。

4 结束语

通过上述有限元的分析计算, 可以看出该MW级风力发电机组的机舱底盘与发电机之间的连接螺栓的极限强度满足各工况载荷的要求, 同时它们的接触面之间也不会发生使螺栓承受剪切力的滑移。通过上述分析过程, 可以看出与传统工程计算方法相比, 采用有限元法分析受力复杂螺栓组的极限强度, 能够缩短计算时间, 提高计算的准确性。

在实际设计生产中, 螺栓的强度分析除了要进行极限强度分析外, 还需进行疲劳强度的分析。需要根据螺栓所受的载荷时间历程和螺栓的S-N曲线等内容来进行分析计算, 最终确定螺栓是否能够满足疲劳强度的要求。

参考文献

[1]刘伟, 高伟成, 于广滨.ANSYS12.0宝典[M].北京:电子工业出版社, 2010 (7) .

[2]姚兴佳, 宋俊.风力发电机组原理与应用[M].北京:机械工业出版社, 2009 (6) .

[3]王健.变载荷工况下风力发电机连接部件接触强度分析研究[D].新疆:新疆大学, 2010 (6) .

[4]任重.ANSYS实用分析教程[M].北京:北京大学出版社, 2003.

[5]GL Rules and Guidelines IV1 Guideline for the Certification of Wind Turbines[Z].2010.

[6]何玉林, 雷增宏, 石秉楠.MW级风力发电机组轮毂连接螺栓接触强度分析[J].现代制造工程, 2011 (04) :110-114.

直驱型风力发电系统 第3篇

在大功率风力发电技术中交流励磁双馈电机发电机(简称DFIG)和直驱永磁同步风力发电机各占有一席之地 [1,2]。DFIG风力发电系统中,风力机与发电机之间的转速匹配是一个关键问题,低速运转的风力机与发电机一般需要通过升速齿轮箱连接。大容量齿轮箱价格昂贵、故障率高和维护困难,它的存在已成为风力发电系统进一步发展的瓶颈。因此,研究直驱永磁同步风力发电系统是提高效率和可靠性的有效途径之一。

直驱永磁同步风力发电系统具有变速运行,变桨距调解,低转速,高效率,高功率因数等特点[3]。该发电系统的控制系统主要包括:最大功率跟踪控制系统(MPPT)[4],用于跟踪风机的最大功率,提高风能利用率;网侧逆变器的功率解耦控制系统,用于完成有功功率和无功功率的分别调整[5];变桨距控制系统,用于完成在高风速下的恒功率控制。本文建立了直驱永磁同步风力发电系统中并网逆变器的数学模型,在此基础上采用空间矢量脉宽调制(SVPWM)方式和电网电压合成矢量定向的控制策略,实现有功功率和无功功率的解耦控制[6,7,8,9];用经典PI调解器控制Boost电路的占空比,从而实现了MPPT控制;同样在高风速下用经典PI调解器控制桨距角[10],实现了变桨距恒功率控制。通过MATIAB仿真证明了方案的可行性和正确性。

1 驱永磁同步风力发电机系统

直驱永磁同步风力发电机主系统由风机、直驱永磁发电机、不控整流、Boost电路、直流侧储能电容、PWM逆变器、交流侧滤波电抗器等组成。

不控整流电路具有结构简单、功率因数高等特点,因此被广泛用于PMG发电机机端整流系统中;Boost电路(图3所示)用于发电机MPPT控制;PWM逆变器实现发电机并网控制和功率解耦控制;交流侧滤波电抗器用于抑制变流器输出谐波。在本论文中,PWM逆变器主电路采用三电平逆变电路(图2所示),该电路具有:网侧电流畸变率低,开关频率较二电平变流器低,开关损耗小,交流侧滤波电控器容量小等特点[11,12]。

2网侧变流器控制策略

图1中,设三相电网电压为:

undefined

式中Em为相电压峰值;ω为电网角频率。

设网侧线路总电阻为R,可得:

undefined

式中ik,uk分别为并网逆变器输出电流和输出电压。

经两相静止变换和两相旋转变换后得到在两相旋转坐标系下数学模型为[13]:

undefined

(3)式中ud,uq为逆变器输出电压在旋转坐标系下的d轴和q轴电压;id,iq为逆变器输出电流在旋转坐标系下的d轴和q轴电流;ed,eq为网侧电压在旋转坐标系下的d轴和q轴电压。

在以上动态数学模型的基础上,采用以电网电压合成矢量为定向的控制策略,即:ed=Es,eq=0。

将ed=Es,eq=0代入式(3),同时忽略平波电抗器电阻,整理得[14]:

undefined

为了实现 d,q 轴电流分量的解耦控制,达到有功功率和无功功率的解耦控制,令:

undefined

则有:

undefined

从而实现了电流有功分量id和电流无功分量iq的解耦控制。

网侧变换器的主要控制目标为: ① 维持直流母线电压恒定,并稳定地向电网传输有功功率;② 通过无功电流环控制网侧变换器输出无功功率,从而满足电网对无功功率的要求[15]。

由上述理论推导可见,经典的基于 d,q 坐标系下的解耦控制, 配合简化的SVPWM 矢量控制可很好地实现上述要求。将检测到的电流进行 3/2 变换和旋转变换,得到按电网电压合成矢量定向下的电流分量id,iq采用电流 PI 调节器实现闭环控制,电流调节器的输出为逆变侧输出电压的给定值 u*d,u*q,再经过SVPWM控制逆变器输出三相电压。控制框图如图4。

在图4中,电流分量id,iq反应了发电机输出有功功率和无功功率的大小,故id,iq的整定值i*d和i*q由发电机功率控制系统来确定[16,17]。i*d采用直流侧电压Udc经PI 调节器实现闭环控制;i*q由发电机无功功率给定值Q*以及网侧电压的偏差经PI调节器调节后确定,用于控制变换器与系统间的无功功率交换及变流器网侧电压的稳定;同时应当考虑发电机最大电流Imax对i*d和i*q的约束;从而得到i*d和i*q控制算法框图如图5。

3Boost电路控制及变桨距控制

根据空气动力学的原理可以得出,风轮机输出功率的表达式为:

P=CpρAυ3/2 (6)

公式(6)中P为风轮机输出功率,ρ为空气密度,A为转轮旋转截面面积(扫掠面积),υ为风速,Cp=f(λ,α)为风轮功率系数,λ=ωR/υ为风轮叶尖速比,α为风机桨矩角。该公式说明在相同风速下,风力机的不同转速会使其输出的功率不同,要捕获最大风能必须在风速变化时及时调整转速ω,并保持最佳叶尖速比。为实现最大风能捕获,根据风力机的3种典型运行状态可以做出相应调整:① 低风速段实行变速运行,可保持一个恒定的Cp值。调节发电机转速并保持λ不变,直到转速达到极限。根据最佳功率曲线,使风力发电机组具有最高的转换效率;② 风机在额定转速附近运行时,随着风速的变化,调整转速,改变Cp的值,控制风力机运行直到输出最大功率;③ 在高于额定风速时,主要通过改变变桨距系统的桨叶节距来限制风力机获取能量,使风力发电机组输出功率达到极限并趋于稳定。

由于直流侧电压Udc采用恒压控制,所以续流电感电流il的大小反应了发电机输出用功功率的大小。因此Boost电路占空比调节可采用如下控制策略:

采用双闭环控制系统(速度外环和电流内环),在情况①下用最大功率曲线查出当前功率点的最优转速ω*作为转速整定值,调节发电机转速;用PI调节器计算出续流电感电流i*l,由i*l与il的差值调节Boost电路的占空比Duty-cycle,进而调节续流电感电流il,从而控制发电机输出有功功率PG。控制流图如图6所示。

在情况②和情况③下用发电机额定功率PGN查出转速ω*作为转速整定值,通过图3调节Boost电路的占空比Duty-cycle,使发电机输出有功功率稳定在额定功率PGN;同时根据转速调节发电机桨距角Pitch,实现变桨距调节,变桨距控制流图如图7所示。

4 基于MATIAB的仿真

本文在MATIAB中设计了仿真系统,系统的参数:风场有5台2 MW发电机,端电压为597 V、频率f=60 Hz;额定的直流侧电压1 150 V,直流侧电容(DC bus capacitor)=0.075 F,额定风速=12 m/s。

第一种情况:在仿真时要求网侧逆变器运行在单位功率因数状态,因此设定Q*=0;初始风速为8 m/s,在t=10 s时风速上升到10 m/s,在t=20 s时风速上升到13 m/s;仿真时间为30 s。以下仿真图形均根据风速的变化而变化。

由仿真图8和图9可以看出,在低风速段(风速在8 m/s和10 m/s时),当风速发生变化时,发电机转速会随风速的变化而及时调整(图9左),实行了变速运行,有功功率会随发电机转速的变化而快速调整(图8左),实现了最大风能捕捉;当风速接近额定风速或超过额定风速时(风速在13 m/s时),发电机采用变桨距调节(图9右),桨距角随风速的变化而及时调整,有功功率会稳定在发电机额定功率附近(图8左),实现了恒功率控制;由于采用了单位功率因数控制,发电机输出无功功率始终在0附近变化(图8右)。

第二种情况:在仿真时要求网侧逆变器运行Q*=1 MVar,其他仿真条件不变,仿真结果如下:

由仿真图10和图11可以看出,在低风速运行时,有功功率会随发电机转速的变化而快速调整(图10左,图11左),实现了最大风能捕捉;在高风速运行时,有功功率基本稳定在额定功率附近,而桨距角随风速快速调整(图10左,图11右),实现了恒功率控制;发电机输出无功功率稳定后始终在1 MVar附近变化,可见无功功率不会随风速的变化而调整,从而很好地实现了功率解耦控制(图10右)。

5 结束语

本文通过对直驱永磁同步风力发电机控制方法的研究。建立了基于电网电压合成矢量为定向的直驱永磁同步风力发电机功率解耦控制模型,并对网侧逆变器在低风速下采用基于最大功率跟踪控制策略,在高风速下采用恒功率变桨距控制策略。经仿真得出功率、风机转速及桨距角的变化曲线,并分析比较,可以得出:

(1) 基于电网电压合成矢量为定向的直驱永磁同步风力发电机功率解耦控制方法具有较快的调解特性,能适应风速的快速变化。

(2) 在低风速下能完成最大功率捕获控制,能提高风机的能源转化效率。

(3) 在高风速下能完成恒功率变桨距控制,能很好地保护风力发电机组,使之不产生过负荷。

(4) 具有较好的有功、无功解耦控制效果。

直驱型风力发电系统 第4篇

由于永磁同步发电机 (PMSG) 定子和转子磁场之间没有相对运动, 不能在阻尼绕组中产生感应电压;再者, PMSG转子上没有磁场绕组, 也不存在磁场绕组中产生感应电流或阻尼作用;另外, 多极低速永磁同步发电机的极距很小, 不能采用传统的阻尼绕组去抑制功率角振荡, 因此连接到直驱风电系统中PMSG是没有阻尼系统的。又由于直驱永磁同步风力发电系统驱动链的特性较软, 当系统受到激励 (如风速变化或发电机端电压变化时) , 变速风轮中发电机容易出现次同步谐振。

风轮速度变化引起的振荡可以通过控制输入到发电机的机械功率或不同的机械控制方案进行阻尼。然而, 这种阻尼方法有一个缺点, 它对风轮注入电网的功率有负面影响, 即:速度振荡使输入到电网的电功率振荡变得明显。本文采用基于次同步谐振抑制措施, 结合直驱风电系统的变流器控制策略, 对直驱风电系统振荡阻尼系统进行设计改革。

2 直驱永磁同步风电系统的阻尼措施

2.1 直驱永磁同步风电系统控制结构

直驱永磁同步风电系统的控制包括桨距角控制和功率变换器控制等2部分, 如图1所示。该功率变换器采用的控制策略是:机侧变流器对发电机定子电压和直流环母线电压进行控制, 网侧变流器对流入电网的有功和无功功率进行控制。

2.2 通过控制桨距角对速度振荡进行阻尼

在直驱风电系统中, 当风速发生变化或电网故障引起发电机机端电压发生变化时, 发电机的电磁转矩和轴上的机械转矩之间会处于不平衡状态, 驱动链会出现扭振现象。通过对桨距角系统进行控制以改变桨距角来控制发电机速度。为防止过速, 将速度控制在额定值内, 可通过增加桨距角气动功率自动地减小速度。因此, 通过控制桨距角, 发电机的动态稳定性将得到加强。

2.3 通过对功率变流器进行控制来抑制振荡

(1) 直驱风电系统中阻尼系统的基本原理。在带全功率变换器的风力发电系统中, 当直流母线上输入的有功功率大于输送到电网的功率时, 将导致直流母线电压上升;相反, 直流母线电压则下降。因此, 有功功率的控制和直流母线电压恒定的控制是密切相关的。直驱永磁同步风力发电机组阻尼速度振荡的方法可从电力系统稳定器 (PSS) 中得到启发。它的基本原理是使用直流电路中的电容器作为发电机和电网之间的能量储存器 (缓冲器) , 为了吸收转矩振荡, 可允许直流母线电压在小范围内发生变化。通过周期性地对电容器短期充、放电, 使能量储存在电容器中, 负载电流相应发生变化, 从而影响转矩, 以致抵消速度振荡和提供有效的阻尼。

(2) 直驱永磁同步风力发电机的电气阻尼系统。将电力系统稳定器 (PSS) 这个阻尼方法应用在多极PMSG风轮时, 需要进行稍微的调整, 因为PMSG的磁场是固定的, 不能像直流励磁同步发电机风轮那样通过改变发电机励磁来改变直流母线电压以阻尼速度振荡, 但是可以从功率变流器控制方面采取措施来抑制振荡。因为通过功率变流器进入电网的功率与直流电压大小无关, 它是通过控制直流母线电压变化来抑制驱动链振荡, 不会影响送入电网的功率。

2.4 直驱风电系统的阻尼设计

(1) 设计直驱风电系统的阻尼系统思路是:将速度振荡转换成一个与速度有相同频率和相同相位角的直流参考电压UDCref, 这可以通过在发电机侧变流器控制器内的一个主动阻尼模块产生一个直流电压参考值来实现。与PSS的情况类似, 当提供给一个与速度振荡同相的发电机电气转矩分量时, 可以实现多极PMSG风轮驱动链振荡的抑制。一般情况下, 直流母线电压要保持恒定, 但是当需要系统的电气阻尼时, 可以允许直流母线电压有一个小的变化。发电机侧变流器的一般控制结构单元如图2所示。

(2) 直驱风电系统的阻尼系统如图3所示, 它由2个基本模块组成:1个带通过滤器和1个相位补偿器。阻尼系统的输入是发电机速度, 将阻尼系统的输出△μdamp迭加在直流电压设置点UDCset上, 从而为发电机侧变流器控制器提供直流电压参考信号。

△μdamp是一个频率为fdamp的正弦干扰信号。直流电压参考UDCref是一个有正弦偏移△μdamp, 并围绕平均值UDCset波动的电压信号。

在本文中, 阻尼系统的带通滤波器设计成只通过自由频率的振荡, 而对其它所有的频率进行阻止。带通滤波器不能改变输入信号的相位, 可用一个低通滤波器作为相位补偿器来引入一个90°相位滞后。通过设计一个很窄的带宽, 带通滤波器允许相位补偿器只对自由频率的振荡起作用, 而不对系统中现有的其它频率起作用。