永磁直驅風力發(fā)電系統(tǒng)氣動載荷抑制探析

于呈祥

(大唐山東清潔能源開發(fā)有限公司 山東 青島 266000)

一、引言

隨著我國社會經濟的發(fā)展，能源短缺和環(huán)境惡化成為不可忽視的問題。在這種情況下，需要發(fā)展?jié)崈裟茉?，而風能的開發(fā)和利用得到國家的重視和支持。風力發(fā)電具有技術優(yōu)勢和資源豐富的特點，成為國內外研究發(fā)展的熱點。近幾年來，直接驅動技術在風電領域得到了重視。這種風力發(fā)電機組采用多極發(fā)電機與葉輪直接連接進行驅動的方式，從而免去了齒輪箱這一傳統(tǒng)部件，由于其具有很多技術方而的優(yōu)點，特別是采用永磁發(fā)電機技術，其可靠性和效率更高，處于當今國際上領先地位，在今后風電機組發(fā)展中將有很大的發(fā)展空間。永磁直驅風力發(fā)電機的效率高、極距小，況且永磁材料的性價比正得到不斷提升，應用前景十分廣闊。

二、永磁直驅發(fā)電系統(tǒng)構成及發(fā)電過程

風力發(fā)電機組由風輪、傳動軸、發(fā)電機以及后級電力電子變換器組成。其發(fā)電過程為：風輪從風中捕獲風能，并轉化為機械能帶動風輪旋轉。風輪由旋轉則帶動發(fā)電機轉動，將機械能轉化為電能。發(fā)電機輸出的電能經過后級功率電子變換器實現(xiàn)電能轉換，將其轉換為可滿足電網要求或者用電用戶需求的電能。

永磁直驅風力發(fā)電機組結構如圖1所示。風機機出的電能經過整流器后注入直流母線中，由后級逆變器并入電網。為了使機組發(fā)電功率和并網功率平衡，直流母線電壓通常由后級逆變器控制為穩(wěn)定。因此，對機組的功率控制而言，直流行控制，控制策略中通常需要加入轉矩控制內環(huán)。對于該機組，采用二極管整流結構，對發(fā)電機的轉矩控制可通過控制直流側的電流來實現(xiàn)。

圖1 永磁直驅風力發(fā)電系統(tǒng)

三、氣動載荷產生的原因及造成后果

大型風力風力發(fā)電系統(tǒng)，由于風輪掃略面積大，在其掃略面內風速的分布隨著時間和空間的變化，成為一個三維場。由此造成葉輪同一點處在旋轉過程中所收到的風速差異較大，即產生風剪效應。風剪效應會造成葉輪捕獲的氣動轉矩中出現(xiàn)較大的3P脈動分量(3指葉片數(shù)、P指風輪旋轉頻率)。此外，對于水平軸風力機，由于架塔正前方的氣流會被強制分流到塔架的兩側通過，使得處于塔架前方的葉片產生的氣動轉矩較其他位置要低，即產生塔影效應。塔影效應會在風輪捕獲的氣動轉矩中引入3nP(n=1，2，…)轉矩脈動，其中以3P分量最為嚴重。由于風剪效應和塔影效應產生的含周期脈動(主要為3P分量)的氣動轉矩沿著傳動鏈進行傳播時，會使機組傳動軸承受巨大的轉矩脈動，被定義為氣動載荷。氣動載荷的存在，使機組傳動軸更容易疲勞損壞，不利于機組的產期使用。

由于采用多級試永磁同步發(fā)電機構成的風力發(fā)電機組，機組傳動鏈阻尼與發(fā)電機極對數(shù)成反比，即發(fā)電機極對數(shù)越多，機組的傳動鏈阻尼越小。由于機組傳動鏈具有柔性性質，機組在變速運行過程中氣動載荷則可能會激發(fā)機組固有諧波振動狀態(tài)，不僅使機組更易因承受過大的氣動載荷而損壞，而且將導致發(fā)電機輸出功率振蕩。對于大型風力發(fā)電機組，機組的運轉速度通常較低，為10～25r/min

，輸出功率的振蕩頻率可為0.1～10Hz。該諧波振蕩頻率與電網的區(qū)域間振蕩頻率(0.1～2.5Hz)重合時將導致電網振蕩。因此要對機組承受的氣動載荷進行抑制。

四、抑制氣動載荷的策略

氣動載荷的抑制主要可以通過增加機組傳動鏈阻尼來實現(xiàn)。有幾種常用的抑制方法:

一是增加傳動鏈阻尼的方法。在風機機組傳動軸系統(tǒng)提高阻尼水平對于提高風機機組的可靠性及保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行具有重要意義。在機組的傳動軸上安裝阻尼電阻，該方法成本較高，且需要為阻尼電阻留出額外的安裝空間。

二是通過機組的功率控制策略向傳動鏈注入阻尼。阻尼可以通過機側變換器或者網側變化器注入。為了滿足并網條件，避免電網出出現(xiàn)閃變現(xiàn)象，網側變換器需要按照電網的需求進行控制，不能通過對網側變化器的控制實現(xiàn)阻尼的注入。因此，通過對機側變換器的控制注入阻尼是一個優(yōu)化的選擇方案。

三是增加振點處機組的阻尼。阻尼注入控制策略，通過將帶通濾波器的中心頻率設置在機組諧振點處，增加諧振點處機組的阻尼，不能在機組的整個轉速運行范圍內對機組承受的氣動載荷進行抑制。此外，該方法還需要對阻尼注入量的相位進行精確的補償，實現(xiàn)復雜。

四是通過阻尼變槳距控制增加機組的阻尼。變槳控制對塔架振動和載荷的影響是設計的主要因素，塔架的前后振動是很弱的阻尼振蕩，存在很強的諧振響應，即使在風速很小時也保持很高的水平。影響的力量取決于阻尼的大小，即來自于葉輪的有效機械阻尼，變槳控制可以調整該模式下的有效阻尼的大小，通過阻尼變槳距控制，提供附加的塔架阻尼。該方法需要改變漿系統(tǒng)快速調節(jié)葉片漿距角，變槳齒輪易損壞。

五是通過在機組的轉矩控制環(huán)中加入與機組轉速小信號量成正比的補償轉矩的方法。該方法大大增加了機組的阻尼，從而使機組的氣動載荷得到很好的抑制，避免了諧振狀態(tài)被激發(fā)。通常情況下，電機轉速的測量方法，通常為在電機軸上安裝光電編碼盤進行測量，但該方法得到機組轉速為增量連續(xù)信號，轉速的小信號量難以獲得。由于電機轉速的小信號量與直流側電容成正比。因此可以通過檢測電容電流實現(xiàn)對機組的轉速小信號量進行檢測。注意到電容電流中含有不同頻率變化的分量，如固有諧振頻率和開關頻率。由于以開關頻率變化的分量對系統(tǒng)的阻尼無影響且開關頻率遠大于固有諧振頻率，在實際操作過程中，通過加入低通濾波器將開關頻率分量濾除。

五、結論

通過風力發(fā)電系統(tǒng)進行介紹，發(fā)現(xiàn)氣動載荷產生的原因，主要是由于在風力機組發(fā)電過程中，風輪旋轉采樣隨時間和空間分布的三位風場將產生風剪和塔影效應，導致風輪捕獲的氣動轉矩中含有3P諧波分量，該諧波使傳動鏈承受更大的氣動載荷?？梢酝ㄟ^增加傳動鏈阻尼、增加振點處機組的阻尼、控制阻尼變槳距、控制機組的功率向傳動鏈注入阻尼以及機組的轉矩控制環(huán)中加入與機組轉速小信號量成正比的補償轉矩等幾種策略來抑制氣動載荷。