永磁同步風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)軸振動(dòng)控制

緱覲

摘? 要：可再生能源是現(xiàn)今乃至未來(lái)一段時(shí)間能源發(fā)展的熱門(mén)話題。我國(guó)在東南沿海和西北風(fēng)場(chǎng)都設(shè)立有風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。永磁同步風(fēng)電機(jī)組是變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的一種。在永磁同步風(fēng)電機(jī)組運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受風(fēng)剪切力、風(fēng)速等多種因素的影響導(dǎo)致永磁同步風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)軸振動(dòng)。為了解決這一問(wèn)題，在不改變傳動(dòng)軸機(jī)械阻尼的前提下，通過(guò)提高系統(tǒng)的電氣阻尼來(lái)控制傳動(dòng)軸的扭振進(jìn)行抑制。保障永磁同步風(fēng)電機(jī)組的正常運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：永磁同步風(fēng)電機(jī)組;傳動(dòng)軸;扭振;控制

中圖分類號(hào)：TP274? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 前言

永磁同步風(fēng)電機(jī)組體積龐大，其傳動(dòng)軸在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中受到的承載力極大，其“柔性”已不可忽略，再加上需要考慮到風(fēng)速、其他擾動(dòng)和風(fēng)力大小等因素的影響導(dǎo)致傳遞軸承受著極大的振動(dòng)作用力。通過(guò)對(duì)傳動(dòng)軸振動(dòng)的測(cè)量分析發(fā)現(xiàn)作用于傳動(dòng)軸上的振動(dòng)力來(lái)自于外作用力綜合作用下的剛性振動(dòng)力和因軸系“柔性”所引發(fā)的扭振力。為了抑制永磁同步風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)軸上的振動(dòng)，可以通過(guò)向永磁同步風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)中加入電子阻尼提高系統(tǒng)的總阻尼用以完成對(duì)于永磁同步風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)軸振動(dòng)的抑制。

1 永磁同步風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)軸振動(dòng)的分析

永磁同步風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)軸的振動(dòng)主要分為剛性機(jī)械振動(dòng)和電氣系統(tǒng)所引起的扭振。2種振動(dòng)共同作用于永磁同步風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)軸，進(jìn)而導(dǎo)致永磁同步風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)軸的輸出功率波幅較大，不僅影響了永磁同步風(fēng)電機(jī)組的使用壽命，同時(shí)也影響永磁同步風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電質(zhì)量，容易造成并網(wǎng)電壓的閃變。在不考慮永磁同步風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)軸機(jī)械振動(dòng)影響的作用下利用電氣控制阻尼的方式抑制并消除扭振，能夠有效地提升永磁同步風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)軸的使用壽命和運(yùn)動(dòng)特性。通過(guò)對(duì)永磁同步風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)時(shí)的振動(dòng)進(jìn)行建模分析后發(fā)現(xiàn)，在永磁同步風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)參數(shù)Ki一定的情況下，永磁同步風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)出現(xiàn)了3個(gè)諧振點(diǎn)。其中第一、三諧振頻率點(diǎn)由控制系統(tǒng)所產(chǎn)生，而第二諧振點(diǎn)則為永磁同步風(fēng)電機(jī)組的固有頻率點(diǎn)。永磁同步風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)軸振動(dòng)頻率靠近上述3個(gè)諧振點(diǎn)時(shí)將會(huì)引起永磁同步風(fēng)電機(jī)組的諧振，進(jìn)而影響永磁同步風(fēng)電機(jī)組的正常使用。其中第一諧振點(diǎn)所引起的諧振為剛性振動(dòng)，該諧振點(diǎn)的振動(dòng)頻率較低，其振動(dòng)為低頻振蕩。而第二、三諧振點(diǎn)的振動(dòng)頻率較高，其所引起的振動(dòng)將會(huì)激勵(lì)軸系的諧振模態(tài)，容易引起永磁同步風(fēng)電機(jī)組的軸系扭振。扭振對(duì)永磁同步風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)軸的影響較大。總體來(lái)說(shuō)，作用于永磁同步風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)軸上的擾動(dòng)力較多，如風(fēng)速變化、開(kāi)關(guān)元件所引起的信號(hào)污染等，上述擾動(dòng)力共同作用于永磁同步風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)軸上并覆蓋永磁同步風(fēng)電機(jī)組運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的中低頻率區(qū)段。

通過(guò)調(diào)整永磁同步風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)的參數(shù)Ki增大永磁同步風(fēng)電機(jī)組的諧振頻率點(diǎn)將能夠有效地抑制永磁同步風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)軸的扭振。通過(guò)對(duì)永磁同步風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，作用在中低頻率區(qū)段傳動(dòng)函數(shù)增益越小，其永磁同步風(fēng)電機(jī)組的抗干擾性能越強(qiáng)。

2 永磁同步風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)軸扭振建模分析

結(jié)合永磁同步風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)動(dòng)情況完成對(duì)于永磁同步風(fēng)電機(jī)組風(fēng)電系統(tǒng)的構(gòu)建。通過(guò)觀測(cè)模型所產(chǎn)生的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的波動(dòng)可以獲得永磁同步風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所承受的剛性振動(dòng)力。同時(shí)通過(guò)測(cè)量相關(guān)參數(shù)可以觀測(cè)到永磁同步風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)軸上的扭振。當(dāng)永磁同步風(fēng)電機(jī)組采用MPPT控制時(shí)，調(diào)整參考轉(zhuǎn)速，將風(fēng)機(jī)葉尖速比保持在最優(yōu)值，用以測(cè)到永磁同步風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)速信息。永磁同步風(fēng)電機(jī)葉片受塔影效應(yīng)與風(fēng)剪效應(yīng)的影響，葉片風(fēng)輪回轉(zhuǎn)面上的風(fēng)速大小不規(guī)則。建模時(shí)設(shè)定永磁同步風(fēng)電機(jī)組葉片在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的會(huì)產(chǎn)生3次的波動(dòng)變化，這一波動(dòng)頻率接近風(fēng)輪選擇頻率的3倍。在風(fēng)速中的3P分量的作用于機(jī)組下，將會(huì)使得永磁同步風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)能利用系數(shù)、軸系扭振角度以及直流母線的電壓、電磁轉(zhuǎn)矩、電磁功率中都含有與塔影風(fēng)、剪切風(fēng)相同的頻率3P分量，從而導(dǎo)致永磁同步風(fēng)電機(jī)組在該頻率下產(chǎn)生剛性振動(dòng)。通過(guò)對(duì)所建模的結(jié)果進(jìn)行分析后確定永磁同步風(fēng)電機(jī)組的剛性振動(dòng)頻率諧振點(diǎn)分布在中、低頻段，其激勵(lì)來(lái)自于塔影風(fēng)與剪切風(fēng)。

3 永磁同步風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)軸振動(dòng)抑制

在完成對(duì)于永磁同步風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)軸扭振的控制時(shí)，僅僅依靠調(diào)整永磁同步風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)的增益是不夠的，需要在原有的控制環(huán)節(jié)加入轉(zhuǎn)速控制環(huán)和轉(zhuǎn)矩控制環(huán)來(lái)補(bǔ)償轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，從而使得永磁同步風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)的諧振點(diǎn)頻率增大，完成對(duì)于永磁同步風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)軸扭振的抑制。

結(jié)合永磁同步風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)軸的模型，確定電氣阻尼的變化對(duì)永磁同步風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)軸扭振的抑制作用。結(jié)合模型對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析，在電氣阻尼μ變化的條件下，永磁同步風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)軸的扭振得到了一定的抑制。以第一組參數(shù)下的電機(jī)轉(zhuǎn)速、軸系的扭轉(zhuǎn)角度、直流母線電壓、電磁轉(zhuǎn)矩和電磁功率等參數(shù)為例，上述各參數(shù)中都含有扭振的影響，通過(guò)調(diào)整阻尼μ至0.5，η增大至1將使得永磁同步風(fēng)電機(jī)組的扭振被完全控制，使得由塔影風(fēng)、切變風(fēng)所引起的永磁同步風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)軸低頻振蕩得到了一定的控制。

在永磁同步風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)中，借助于調(diào)整參數(shù)可以抑制機(jī)械振動(dòng)。調(diào)整參數(shù)μ可以控制并抑制永磁同步風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)軸的剛性振動(dòng)。而通過(guò)調(diào)整參數(shù)η可以抑制永磁同步風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)軸的扭振，當(dāng)參數(shù)增大至1時(shí)永磁同步風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)軸的扭振將全部被抑制。在調(diào)整永磁同步風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)軸控制參數(shù)時(shí)需要結(jié)合永磁同步風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)動(dòng)特性合理地進(jìn)行調(diào)整，確保永磁同步風(fēng)電機(jī)組運(yùn)動(dòng)處于最佳狀態(tài)。在μ和η調(diào)整時(shí)風(fēng)電電機(jī)功率曲線如圖1所示。

4 結(jié)語(yǔ)

永磁同步風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)軸的振動(dòng)嚴(yán)重影響永磁同步風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)軸的使用壽命和使用質(zhì)量。為了增強(qiáng)對(duì)于永磁同步風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)軸的控制抑制傳動(dòng)軸振動(dòng)，可以通過(guò)采用在控制系統(tǒng)中加入轉(zhuǎn)速控制環(huán)與轉(zhuǎn)矩控制環(huán)完成對(duì)于永磁同步風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的補(bǔ)償。從而使得永磁同步風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)軸具有更強(qiáng)的抗干擾能力，完成對(duì)于機(jī)械振動(dòng)和扭振的抑制。提高永磁同步風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1]劉軍，周飛航，劉飛.永磁同步風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)軸振動(dòng)分析與抑制[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2018（4）：930-942.

[2]秦世耀，李少林，王瑞明，等.大容量永磁同步風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)諧振與抑制策略[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2014（22）：11-16.