永磁同步風(fēng)電機(jī)組傳動軸振動控制

緱覲

摘? 要：可再生能源是現(xiàn)今乃至未來一段時(shí)間能源發(fā)展的熱門話題。我國在東南沿海和西北風(fēng)場都設(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)動過程中受風(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)組傳動軸振動。為了解決這一問題，在不改變傳動軸機(jī)械阻尼的前提下，通過提高系統(tǒng)的電氣阻尼來控制傳動軸的扭振進(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;傳動軸;扭振;控制

中圖分類號：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，其傳動軸在運(yùn)動的過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作用力。通過對傳動軸振動的測量分析發(fā)現(xiàn)作用于傳動軸上的振動力來自于外作用力綜合作用下的剛性振動力和因軸系“柔性”所引發(fā)的扭振力。為了抑制永磁同步風(fēng)電機(jī)組傳動軸上的振動，可以通過向永磁同步風(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于永磁同步風(fēng)電機(jī)組傳動軸振動的抑制。

1 永磁同步風(fēng)電機(jī)組傳動軸振動的分析

永磁同步風(fēng)電機(jī)組傳動軸的振動主要分為剛性機(jī)械振動和電氣系統(tǒng)所引起的扭振。2種振動共同作用于永磁同步風(fēng)電機(jī)組傳動軸，進(jìn)而導(dǎo)致永磁同步風(fēng)電機(jī)組傳動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)組傳動軸機(jī)械振動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)組傳動軸的使用壽命和運(yùn)動特性。通過對永磁同步風(fēng)電機(jī)組傳動軸運(yùn)動時(shí)的振動進(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)組傳動軸振動頻率靠近上述3個(gè)諧振點(diǎn)時(shí)將會引起永磁同步風(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，該諧振點(diǎn)的振動頻率較低，其振動為低頻振蕩。而第二、三諧振點(diǎn)的振動頻率較高，其所引起的振動將會激勵(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。扭振對永磁同步風(fēng)電機(jī)組傳動軸的影響較大?？傮w來說，作用于永磁同步風(fēng)電機(jī)組傳動軸上的擾動力較多，如風(fēng)速變化、開關(guān)元件所引起的信號污染等，上述擾動力共同作用于永磁同步風(fēng)電機(jī)組傳動軸上并覆蓋永磁同步風(fēng)電機(jī)組運(yùn)動所產(chǎn)生的中低頻率區(qū)段。

通過調(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)組傳動軸的扭振。通過對永磁同步風(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)組傳動軸扭振建模分析

結(jié)合永磁同步風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)動情況完成對于永磁同步風(fēng)電機(jī)組風(fēng)電系統(tǒng)的構(gòu)建。通過觀測模型所產(chǎn)生的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的波動可以獲得永磁同步風(fēng)電機(jī)組傳動軸運(yùn)動過程中所承受的剛性振動力。同時(shí)通過測量相關(guān)參數(shù)可以觀測到永磁同步風(fēng)電機(jī)組傳動軸上的扭振。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)動時(shí)的會產(chǎn)生3次的波動變化，這一波動頻率接近風(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。通過對所建模的結(jié)果進(jìn)行分析后確定永磁同步風(fēng)電機(jī)組的剛性振動頻率諧振點(diǎn)分布在中、低頻段，其激勵(lì)來自于塔影風(fēng)與剪切風(fēng)。

3 永磁同步風(fēng)電機(jī)組傳動軸振動抑制

在完成對于永磁同步風(fēng)電機(jī)組傳動軸扭振的控制時(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，完成對于永磁同步風(fēng)電機(jī)組傳動軸扭振的抑制。

結(jié)合永磁同步風(fēng)電機(jī)組傳動軸的模型，確定電氣阻尼的變化對永磁同步風(fēng)電機(jī)組傳動軸扭振的抑制作用。結(jié)合模型對相關(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。調(diào)整參數(shù)μ可以控制并抑制永磁同步風(fēng)電機(jī)組傳動軸的剛性振動。而通過調(diào)整參數(shù)η可以抑制永磁同步風(fēng)電機(jī)組傳動軸的扭振，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

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

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