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        直驅(qū)兆瓦風(fēng)電機(jī)組Side-side方向振動(dòng)抑制系統(tǒng)分析

        2013-04-26 00:00:24王明江
        風(fēng)能 2013年11期
        關(guān)鍵詞:閉環(huán)固有頻率扭矩

        王明江

        (金風(fēng)科技股份有限公司,烏魯木齊 830026)

        0 引言

        直驅(qū)兆瓦風(fēng)電機(jī)組一般會(huì)在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速—電磁扭矩的閉環(huán)控制回路中串聯(lián)帶阻濾波器的方式,來抑制機(jī)組在切入風(fēng)速附近以及額定風(fēng)速附近運(yùn)行時(shí),由于Side-side方向氣動(dòng)阻尼小,以及作為電磁扭矩執(zhí)行機(jī)構(gòu)的全功率變流器被動(dòng)響應(yīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速中的Side-side方向一階固有頻率信號(hào)所導(dǎo)致的風(fēng)電機(jī)組塔筒Side-side方向的一階固有頻率振動(dòng)。但帶阻濾波器引入到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速—電磁扭矩閉環(huán)控制回路中,卻可以引起直驅(qū)兆瓦風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速—電磁扭矩閉環(huán)控制回路系統(tǒng)超調(diào)量增大、塔筒Side-side方向一階固有頻率振動(dòng)較大,響應(yīng)速度緩慢,特別是隨著風(fēng)電機(jī)組額定功率和葉輪直徑增大,風(fēng)電機(jī)組達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的功率與風(fēng)電機(jī)組額定功率差值越來越大,緩慢的響應(yīng)速度將導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組在額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)非常大的功率波動(dòng)。

        1 直驅(qū)兆瓦風(fēng)電機(jī)組Side-side方向振動(dòng)抑制

        1.1 直驅(qū)兆瓦風(fēng)電機(jī)組Side-side方向振動(dòng)抑制工作原理

        直驅(qū)兆瓦風(fēng)電機(jī)組Side-side方向振動(dòng)抑制系統(tǒng)原理如圖1所示。風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)電磁扭矩控制輸入由兩部分疊加構(gòu)成:

        其一,轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊輸出的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)經(jīng)過一個(gè)低通濾波器1濾波之后,與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定值進(jìn)行比較,比較結(jié)果作為比例積分PI控制器的輸入,比例積分PI控制器的輸出再經(jīng)過一個(gè)低通濾波器2處理之后,得到直驅(qū)兆瓦風(fēng)電機(jī)組電磁扭矩控制輸入構(gòu)成之一;

        其二,風(fēng)電機(jī)組安裝在機(jī)艙內(nèi)的加速度測(cè)量模塊,其輸出的Side-side方向加速度信號(hào),依次經(jīng)過一個(gè)帶通濾波器、積分器處理之后,作為一個(gè)比例增益模塊的輸入,比例增益模塊的輸出,作為直驅(qū)兆瓦風(fēng)電機(jī)組電磁扭矩控制輸入構(gòu)成之二[2]。

        1.2 直驅(qū)兆瓦風(fēng)電機(jī)組Side-side方向振動(dòng)抑制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性

        為了簡化說明,本文將在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速—電磁扭矩控制回路中引入帶阻濾波器的技術(shù)方案簡稱為方案一,Sideside方向振動(dòng)抑制技術(shù)方案簡稱為方案二。在方案一與方案二的仿真結(jié)果與測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比中,方案一用虛線表示,方案二用實(shí)線表示。

        圖2顯示了發(fā)電機(jī)電磁扭矩—Side-side方向機(jī)艙速度開環(huán)bode圖[3]。相比于方案一,方案二可以使塔筒Side-side方向一階固有頻率振動(dòng)幅值得到大幅度衰減和降低,大幅提升機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性。

        圖3顯示了風(fēng)速—Side-side方向機(jī)艙速度的開環(huán)階躍響應(yīng),相比于方案一,方案二可以大幅度降低由風(fēng)速階躍變化引起的塔筒Side-side方向一階固有頻率振動(dòng)幅度。

        圖4顯示了發(fā)電機(jī)電磁扭矩—Side-side方向機(jī)艙速度的開環(huán)階躍響應(yīng)。相比于方案一,方案二可以大幅度降低由發(fā)電機(jī)電磁扭矩階躍變化引起的塔筒Side-side方向一階固有頻率振動(dòng)幅度。

        圖5、圖7顯示了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速—電磁扭矩閉環(huán)bode圖,方案二比方案一在閉環(huán)系統(tǒng)帶寬上大幅度增加[4],相應(yīng)閉環(huán)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間大幅縮短,響應(yīng)速度大大提高;方案二比方案一在塔筒Side-side方向一階固有頻率信號(hào)上有大幅度衰減,意味著機(jī)組發(fā)電運(yùn)行時(shí)塔筒Side-side方向加速度一階固有頻率信號(hào)振蕩幅值大幅度減小,塔底Mx彎矩疲勞載荷大幅度降低。

        圖6、圖8顯示了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速—電磁扭矩閉環(huán)階躍響應(yīng)。方案二比方案一超調(diào)量大幅降低,對(duì)應(yīng)于風(fēng)電機(jī)組在額定風(fēng)速以下運(yùn)行時(shí),發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)幅度大幅減小,功率波動(dòng)幅度大幅度降低。

        圖1 直驅(qū)兆瓦風(fēng)電機(jī)組Side-side方向振動(dòng)抑制系統(tǒng)原理

        圖2 發(fā)電機(jī)電磁扭矩—Side-side方向機(jī)艙速度開環(huán)bode圖

        圖3 風(fēng)速—Side-side方向機(jī)艙速度的開環(huán)階躍響應(yīng)

        1.3 直驅(qū)兆瓦風(fēng)電機(jī)組Side-side方向振動(dòng)抑制系統(tǒng)在切入風(fēng)速附近的補(bǔ)償方案

        圖4 發(fā)電機(jī)電磁扭矩—Side-side方向機(jī)艙速度的開環(huán)階躍響應(yīng)

        圖5 帶阻濾波器技術(shù)方案發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速—電磁扭矩閉環(huán)bode圖

        圖6 帶阻濾波器技術(shù)方案發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速—電磁扭矩閉環(huán)階躍響應(yīng)

        在切入風(fēng)速附近,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速—電磁扭矩閉環(huán)PI計(jì)算的發(fā)電機(jī)電磁扭矩給定值比較小,為了防止引入Sideside速度至發(fā)電機(jī)扭矩給定值控制回路導(dǎo)致發(fā)電機(jī)工作在電動(dòng)機(jī)模式,對(duì)于Side-side振動(dòng)抑制系統(tǒng)而言,只有當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速—電磁扭矩閉環(huán)PI計(jì)算的發(fā)電機(jī)電磁扭矩給定值超過一定的閾值時(shí),才會(huì)啟動(dòng)Side-side加阻功能。

        圖7 Side-side加阻技術(shù)方案發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速—電磁扭矩閉環(huán)bode圖

        圖8 Side-side加阻技術(shù)方案發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速—電磁扭矩閉環(huán)階躍響應(yīng)

        圖9中在3-4m/s湍流風(fēng)下,由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速一電磁扭矩PI控制增益選擇較大,導(dǎo)致首先在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)中激勵(lì)了比較明顯的塔筒Side-side方向一階固有頻率的信號(hào),在被發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速一電磁扭矩PI控制響應(yīng)之后,導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生Side-side方向塔筒一階固有頻率振動(dòng),此時(shí)發(fā)電機(jī)電磁扭矩給定值范圍正好對(duì)應(yīng)于Side-side振動(dòng)抑制功能關(guān)閉情況下。

        為了避免在切入風(fēng)速附近由于Side-side振動(dòng)抑制功能關(guān)閉所導(dǎo)致的機(jī)組Side-side方向塔筒一階固有頻率振動(dòng),可以采取在切入風(fēng)速附近,大幅降低發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速一電磁扭矩閉環(huán)PI控制增益的辦法來實(shí)現(xiàn)。

        從圖10和圖11的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),通過降低發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速一電磁扭矩閉環(huán)PI控制參數(shù)的增益值,可以大幅度衰減發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速一電磁扭矩閉環(huán)PI控制系統(tǒng)bode圖中塔筒Side-side方向一階固有頻率信號(hào),從而避免切入風(fēng)速附近由于Side-side塔筒加阻功能關(guān)閉所導(dǎo)致的塔筒Side-side方向一階固有頻率振動(dòng)。

        圖9 直驅(qū)兆瓦機(jī)組在切入風(fēng)速附近發(fā)生振動(dòng)故障時(shí)的運(yùn)行數(shù)據(jù)

        圖10 切入風(fēng)速附近保持發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速一電磁扭矩閉環(huán)PI控制參數(shù)時(shí)的閉環(huán)bode圖

        圖11 切入風(fēng)速附近減小發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速一電磁扭矩閉環(huán)PI控制參數(shù)時(shí)的閉環(huán)bode圖

        1.4 直驅(qū)兆瓦風(fēng)電機(jī)組Side-side方向振動(dòng)抑制系統(tǒng)的bladed軟件仿真與試驗(yàn)結(jié)果

        圖12、圖13顯示了直驅(qū)兆瓦機(jī)組在額定風(fēng)速以上仿真運(yùn)行結(jié)果中Side-side方向加速度時(shí)域信號(hào)和頻域譜密度比較,方案二比方案一在Side-side方向一階固有頻率有非常大幅度的衰減。

        圖14、圖15顯示了直驅(qū)兆瓦機(jī)組在額定風(fēng)速以上運(yùn)行時(shí),仿真結(jié)果中塔筒底部Mx彎矩時(shí)域信號(hào)和頻域譜密度比較,方案二比方案一在一階固有頻率上有非常大幅度的衰減。

        圖16、圖17 顯示了1.5MW機(jī)組在16m/s平均風(fēng)速的湍流風(fēng)下,2min運(yùn)行時(shí)間內(nèi)Side-side方向測(cè)試加速度時(shí)域數(shù)據(jù)和頻域譜密度對(duì)比[5],方案二比方案一在Side-side方向一階固有頻率加速度有更大的衰減。

        圖12 Side-side方向振動(dòng)抑制技術(shù)方案與帶阻濾波器方案在額定風(fēng)速以上運(yùn)行時(shí)Side-side方向加速度時(shí)域仿真信號(hào)比較

        圖13 Side-side方向振動(dòng)抑制技術(shù)方案與帶阻濾波器方案在額定風(fēng)速以上運(yùn)行時(shí)Side-side方向加速度譜密度仿真信號(hào)比較

        圖14 Side-side方向振動(dòng)抑制技術(shù)方案與帶阻濾波器方案在額定風(fēng)速以上運(yùn)行時(shí)塔筒底部Mx彎矩時(shí)域仿真信號(hào)比較

        圖15 Side-side方向振動(dòng)抑制技術(shù)方案與帶阻濾波器方案在額定風(fēng)速以上運(yùn)行時(shí)塔筒底部Mx彎矩頻域譜密度仿真信號(hào)比較

        2 結(jié)論

        本文從動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性、bladed軟件仿真結(jié)果以及實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)三個(gè)方面,對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速—電磁扭矩控制回路中引入帶阻濾波器的技術(shù)方案和Side-side方向振動(dòng)抑制技術(shù)方案進(jìn)行了對(duì)比,通過對(duì)比發(fā)現(xiàn):

        (1)Side-side方向振動(dòng)抑制技術(shù)方案設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)具有更小的超調(diào)量、更大的帶寬和更快的響應(yīng)速度,因此具有更好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性;

        圖16 Side-side方向振動(dòng)抑制技術(shù)方案與帶阻濾波器方案在16m/s湍流風(fēng)下Side-side加速度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較

        圖17 Side-side方向振動(dòng)抑制技術(shù)方案與帶阻濾波器方案在16m/s湍流風(fēng)下Side-side加速度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)譜密度比較

        (2)對(duì)Side-side方向一階固有頻率振動(dòng)具有更好的抑制效果,一方面大幅降低Side-side方向振動(dòng)加速度超閾值的發(fā)生概率,另一方面大幅降低塔筒底部Mx彎矩疲勞載荷。

        [1] Guideline for the Certification of Wind Turbines Edition 2003[S].2003.

        [2] E.van der Hooft.Wind Turbine Control algorithms [R].ECN-C-03-111,2003.

        [3] E.A.Bossanyi.GH Bladed Version 3.82 User Manual[M].2009.

        [4] 胡壽松.自動(dòng)控制原理[M].北京:科學(xué)出版社,2001.

        [5] 丁正生.概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)簡明教程[M].北京:高等教育出版社,2005.

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