双馈风电机组机电耦合影响及载荷主动控制研究

发布时间：2017-12-07 01:28

  本文关键词：双馈风电机组机电耦合影响及载荷主动控制研究

  更多相关文章： 双馈风电机组 机组建模 机电耦合 传动链 动态载荷 主动控制

【摘要】：近年来,随着并网型风电机组单机容量及规模的不断增大,一方面对电网扰动影响增强,另一方面机组需要具备更强的抵御电网故障的能力,在更严峻电网及风激励下,需要保证机组动态载荷在设计范围内,风电机组能够保持可靠运行。因此,风电机组的多耦合影响及控制策略研究具有重要意义。本文针对大型兆瓦级双馈风电机组,从机组的动态载荷及电磁暂态影响角度出发,分析机电耦合影响,研究载荷主动控制策略,主要工作及成果如下:1.为弥补目前双馈风电机组模型不能同时考虑大部件柔性、传动特性及电磁暂态特性的不足,研究了机械结构与电气系统的整合建模方法,基于FAST软件与Matlab的联合仿真,提出了适用于机电联合仿真的多耦合模型。其中,气动、桨叶及塔筒模型利用FAST软件建立,传动链模型及电气系统模型在Matlab中建立。模型中传动链模型较以往质量块模型包含了更多传动细节,如齿轮啮合刚度、传动综合误差及多级传动轴,能够分析行星级传动的低频激励对系统影响。为提高仿真速度并保证求解稳定性,对网侧变流器及低电压穿越保护控制模型进行了一定简化,针对低电压穿越情况下的复杂机侧变流器控制,给出了用于仿真的简单参考信号给定模型。针对传动模型及电气模型,分别采用不同仿真方法对比及仿真与实验对比方法验证了模型可靠性,通过风场的实际测试,验证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,对正常运行工况下的机组动态特性及耦合影响展开研究,分析了传动特性、大部件结构柔性对电气扰动影响及电气系统对动态载荷的影响,突出了正常发电工况下机电系统之间的主要耦合关系,指出了传动链的低通特性及刚度对系统影响。另外,结合实际测试,从机理分析了行星级传动对系统影响。研究发现,传动系统中的低频扰动对电气系统影响最为显著,高频扰动容易快速衰减或被"滤除";大部件结构柔性在一定外部激励下,受电网短路容量影响能够引起明显的功率及电压波动;电磁转矩的不同动态响应对塔筒侧向动态载荷影响较大。3.结合双馈风电机组低电压穿越时硬件保护装置的投切状态及变流器控制策略,研究了电压跌落故障下传动链所受的冲击影响。通过对crowbar投切及机侧变流器不同控制策略的影响分析,解释了高速轴扭矩不同动态响应与电气控制之间的相互联系,反映出从电磁暂态及电网角度与从机械角度对机组分析的不同,为风电机组控制策略设计提供了理论分析依据。4.为研究电压对称跌落故障下的机组耦合振动,以加速度为研究变量,在不同电压跌落深度及不同风况下进行了对比分析,揭示了桨叶摆振、塔筒侧向模态与传动链扭振在电压跌落情况下的突出耦合关系。为进一步研究电压跌落对不同部件的冲击影响,详细分析了塔筒顶端侧向及叶尖摆振加速度在不同风况下的峰值大小,提出了一种量化标准表征电压跌落对不同模态引起的冲击程度,结果表明桨叶摆振主要受风激励影响,对电压小幅值跌落并不敏感,塔筒受到的冲击相对较大。这为电压跌落情况下的载荷控制目标确定及控制器设计提供了一定依据。5.为应对阵风及电压跌落故障下机组超速及过大冲击载荷问题,结合目前研究,对比分析了正常运行工况与特殊工况下的载荷特性,总结出特殊工况下的控制目标。应用线性二次型高斯调节器及kalman状态观测器,设计桨距角补偿控制提高机组转速稳定能力,在电压跌落故障下,提出通过切换增益改变控制目标的转矩补偿与桨距角补偿控制。由于机组的部分关键参数不可准确测量,基于传动刚度及风轮惯量对观测器及线性二次型调节器的影响分析,进一步提出了基于双kalman观测器的转矩补偿控制,能够有效提高观测准确性。通过线性模型的理论分析及非线性模型仿真,所提控制方法能够在阵风下减小转速波动,减小超速风险,在电压跌落下,应用转矩补偿与桨距角补偿的协同控制,能够针对多目标有效得抑制机组冲击载荷。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM315

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