劉明

摘 要：論文旨在探討機械軸系模型帶給直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電機暫態(tài)機制的影響，分析了直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電機的機械軸系模型，主要有兩質(zhì)塊模型和單質(zhì)塊模型兩種。并探討了兩質(zhì)塊模型和單質(zhì)塊模型帶給直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電機暫態(tài)響應的影響，確定機械軸系模型的暫態(tài)響應特性，明確直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電機暫態(tài)機械軸系模型選取原則。結(jié)果表明兩質(zhì)塊模型和單質(zhì)塊模型減少了直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電機暫態(tài)震蕩幅度值，一旦不進行附加阻尼控制，機械軸系模型需要做好兩質(zhì)塊模型的暫態(tài)研究，借助于阻尼控制直驅(qū)風機的控制，并應用單質(zhì)塊模型機械軸系的暫態(tài)行為。

關(guān)鍵詞：機械軸系模型；直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電機；暫態(tài)機制；仿真

中圖分類號： TH132 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2017）03-193-2

0 引言

21世紀的今天，我國越來越注重風力發(fā)電的多方面發(fā)展，逐漸擴大風電并網(wǎng)規(guī)模的發(fā)展。本文關(guān)于機械軸系模型帶給直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電機暫態(tài)機制的影響研究，主要是結(jié)合能量守恒基本原理，做好兩質(zhì)塊模型和單質(zhì)塊模型的有效模擬應用，確定暫態(tài)分析結(jié)果的有效性，盡可能地做好兩質(zhì)塊模型和單質(zhì)塊模型的有效性應用分析，實現(xiàn)暫態(tài)響應特性的分析，做好理論性正確性應用管理，確定機組機械軸系模型選取理念。

1 直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電機的機械軸系模型

1.1 兩質(zhì)塊模型

直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電機結(jié)構(gòu)如圖1所示。

發(fā)電機和風輪機在低速傳動軸連接下，借助于全載背靠背變流器接入電網(wǎng)控制，進而做好應力分析管理工作，同時確定風機的暫態(tài)特性應用，做好風輪機的有效控制和管理。關(guān)于直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電機的機械軸系特性的確定，其兩質(zhì)塊模型示意圖如圖2所示。

就兩質(zhì)塊模型的數(shù)學表達，如下所示：

時間用t表示，其中風輪機質(zhì)塊用Jt表示，發(fā)電機質(zhì)塊的轉(zhuǎn)動慣量用Jg表示?；陲L輪機轉(zhuǎn)速的表達，用ω1表示，發(fā)電機轉(zhuǎn)速用ω2表示，關(guān)于風輪機質(zhì)塊自阻尼系數(shù)用D1表示，發(fā)電機質(zhì)塊自阻尼系數(shù)用Dg表示，在風輪機空氣動力學模型的探討過程，結(jié)合傳動軸的扭轉(zhuǎn)角應用，做好發(fā)電機輸出電磁轉(zhuǎn)矩的規(guī)?；刂坪凸芾怼Ｍ瑫r傳動軸的機械轉(zhuǎn)矩輸出而言，用Tsharf表示，如下所示：Tsharf=Kθs+Ds（ωt-ωg）

傳動軸的剛度用K表示，傳動軸扭轉(zhuǎn)阻尼系數(shù)用Ds表示。

1.2 單質(zhì)塊模型

基于機械軸系單質(zhì)塊模型的確定，主要是結(jié)合風輪機和發(fā)電機的不同轉(zhuǎn)速控制，進而做好風輪機質(zhì)塊的集中化處理，確定質(zhì)量塊的結(jié)構(gòu)，并確定直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電機的單質(zhì)塊模型。關(guān)于直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電機機械軸系單質(zhì)塊模型，如圖3所示。

單質(zhì)塊轉(zhuǎn)動慣量用J表示，單質(zhì)塊轉(zhuǎn)速用ω表示，單質(zhì)塊自阻尼系數(shù)用D表示。

2 機械軸系模型影響直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電機暫態(tài)機制分析

2.1 兩質(zhì)塊模型帶給直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電機暫態(tài)響應的影響

基于兩質(zhì)塊模型的確定，結(jié)合發(fā)電機轉(zhuǎn)速變化進行分析，機械軸系阻尼損耗忽略，同時在暫態(tài)研究階段，盡可能地確定風速恒定控制，并確定風機轉(zhuǎn)速變化幅度的小范圍，并做好風輪機捕獲的機械功率確定工作，實現(xiàn)故障前穩(wěn)態(tài)值的有效維持。基于兩質(zhì)塊模型應用中，保證有著較大轉(zhuǎn)動慣量，同時在風輪機轉(zhuǎn)速變化的同時，和故障前穩(wěn)態(tài)值大致相同。基于直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電機機械軸系兩質(zhì)塊模型能量的確定，用EW表示風輪機捕獲的風能，用Etk表示風輪機質(zhì)塊旋轉(zhuǎn)功能，用ESP表示傳動軸扭轉(zhuǎn)勢能，同時用Egk表示發(fā)電機質(zhì)塊的旋轉(zhuǎn)功能。可以得到如下所示：

ΔEsp+ΔEgk=PmoΔt-（PeoΔt+ΔEe）=-ΔEe

其中發(fā)電機故障發(fā)生之前的電磁功率穩(wěn)態(tài)值用Pe0表示。

在Δt時間發(fā)電機轉(zhuǎn)速變化量控制過程，如下所示：

基于數(shù)值正負號的分析，主要是結(jié)合發(fā)電機質(zhì)塊的分析，并確定傳動軸扭轉(zhuǎn)角的具體變化情況，一旦減少了θs，傳動軸將會釋放扭轉(zhuǎn)勢能，加速了發(fā)電機質(zhì)塊的運行。

2.2 單質(zhì)塊模型對直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電機暫態(tài)響應的影響

基于單質(zhì)塊模型的分析，在確定機械軸系的同時，確定發(fā)電機轉(zhuǎn)速以及風輪機轉(zhuǎn)速的管理應用，進而做好機械軸系單質(zhì)塊能量的功能性應用和管理。尤其是風輪機捕獲的風能以及單質(zhì)塊旋轉(zhuǎn)功能應用，在能量守恒原理基礎上，確定能量之間的關(guān)系，單質(zhì)塊的旋轉(zhuǎn)功能用Esmk表示，也即：

ΔEsmk=EW-Ee

直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電機的功能性分析過程，就要分析風輪機捕獲機械功率的分析，確定穩(wěn)態(tài)值結(jié)構(gòu)，并做好兩質(zhì)塊模型的有效處理和應用。也即：

ΔEsmk=PmoΔt-（PeoΔt+ΔEe）=-ΔEe

2.3 對比分析

對比分析之后，單質(zhì)塊模型模擬過程，結(jié)合機械軸系的有效性應用和分析，確定兩質(zhì)塊模型的情況應用，在單質(zhì)塊模型的變化過程，使得轉(zhuǎn)動慣量慣性作用逐漸放大，同時單質(zhì)塊模型也要結(jié)合實際的計算結(jié)果，盡可能地不斷提升傳動軸扭轉(zhuǎn)的能量問題。在機械軸系單質(zhì)塊的分析過程中，減少了機組機械軸系暫態(tài)響應震蕩幅度。關(guān)于機械軸系的兩質(zhì)塊模型使用過程，結(jié)合發(fā)電機側(cè)微弱暫態(tài)響應結(jié)果，分析機械軸系模型的多種暫態(tài)分析結(jié)構(gòu)，確定附加阻尼控制相關(guān)關(guān)系，進而體現(xiàn)出暫態(tài)響應特性。

3 仿真分析

仿真系統(tǒng)應用DIgSILENT/PowerFactory軟件進行搭建，確定單機接入無窮大電網(wǎng)仿真實例，并確定主要參數(shù)設置。系統(tǒng)暫態(tài)期間風速變化的考慮分析，確定風速恒特征，做好機械軸系的兩質(zhì)塊模型分析，實現(xiàn)單質(zhì)塊模型的仿真應用。仿真過程的實例，如圖4所示。

關(guān)于參數(shù)的確定，額定有功為2MW，額定電壓為0.69kV，公里因數(shù)為1，額定頻率為15Hz，極對數(shù)為45。仿真結(jié)果的分析，主要是不進行阻尼控制，通過在HV節(jié)點進行短路故障的設置，在故障發(fā)生1s之后，進行短路電阻的控制管理，做好短路接地的處理，同時在發(fā)電機轉(zhuǎn)速的控制過程，基于A相短路接地，單質(zhì)塊模型模擬過程，結(jié)合機組暫態(tài)響應的振蕩分析，確定兩質(zhì)塊模型的整體狀況，進而實現(xiàn)機組的模型確定。機械軸系一旦應用單質(zhì)塊模型，機組受擾程度也就相對較小，在仿真過程中發(fā)電機轉(zhuǎn)速振蕩失穩(wěn)現(xiàn)象也就逐漸掩蓋。

4 結(jié)論

總而言之，基于能量守恒原理的分析，結(jié)合兩質(zhì)塊模型的應用分析，在機械軸系等效模型影響下，機械軸系單質(zhì)塊模型的影響結(jié)果較大，機組轉(zhuǎn)動慣量慣性作用放大，同時傳動軸扭轉(zhuǎn)能量影響逐漸忽略，降低了機械軸系暫態(tài)震蕩的幅度。

參 考 文 獻

[1] 劉勝永，張興，謝震，等.風力發(fā)電系統(tǒng)機械傳動機構(gòu)動態(tài)模型研究[J].太陽能學報，2011，32（8）：1257-1263.

[2] 魏巍，劉瑩，丁理杰，等.改進的雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)小干擾模型[J].電網(wǎng)技術(shù)，2013，10（10）：2904-2911.