大型风电机组转矩脉动抑制策略研究

作     者：张佳美 

作者单位：沈阳工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郑浩

授予年度：2020年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：风电机组 转矩脉动 协同抑制 谐波电流 独立变桨 

摘      要：随着风电机组的大型化发展,保证其在不同工况下的安全稳定运行是目前业界工作的重中之重。风电机组在运行过程中产生的转矩脉动,是影响机组稳定运行的重要因素之一。由于风速的频繁波动影响,叶片受力不平衡,产生了较大的气动转矩脉动。此外,发电机在运行过程中由于气隙磁场分布不均匀或者逆变器非线性等特性,导致定子电流中存在大量谐波,在低速运转时产生较大的电磁转矩脉动,通过传动轴作用到负载上,成为风电机组安全运行的重大隐患。本文以国内某型号的3MW的直驱风电机组作为研究对象,对气动转矩脉动和电磁转矩脉动的协同抑制策略进行研究,主要工作内容如下:首先,介绍了空气动力学原理、风能转换等基本理论,分析两种转矩脉动的产生原因并对其进行计算。同时,建立风电机组的数学模型,为后续协同抑制策略的研究提供了理论支撑。其次,对于电磁转矩脉动的抑制,采用谐波电压补偿的抑制策略。考虑到电磁转矩和输入电流之间存在耦合关系,要抑制电磁转矩脉动的产生,就要减小电流中的谐波含量。因此,针对输入电流中含量较高的谐波电流,通过低通滤波的方式将其提取出来,再根据谐波电流与谐波电压的关系,计算得到该谐波对应的稳态电压值,并将此计算值经过坐标轴变换叠加到参考电压中,抵消因谐波电流而产生的谐波电压分量,抑制电磁转矩脉动和转速波动。对于风速突变和转速波动引发的气动转矩脉动,给出了PID控制器下的同步变桨距和独立变桨距两种控制方法,将机组实际功率与额定功率的偏差量作为PID控制器的输入值,并在相同工况下对两种控制方法所产生的气动转矩脉动进行对比分析,结果表明独立变桨距控制方法下气动转矩脉动更小,功率相对平稳。最后,对于转矩脉动的协同抑制,考虑到气动转矩和电磁转矩的平衡关系,在独立变桨距控制方法的基础上,结合谐波电压补偿抑制策略,将剔除掉谐波电流后的实际转速和额定转速的差值作为PID控制器的输入值,并与单一独立变桨距控制方法进行对比。结果表明,此协同抑制策略能够有效的减小气动转矩脉动和电磁转矩脉动,但输出功率存在波动。为了使功率更加平稳,在PID转矩脉动协同抑制策略的基础上,改进了控制器的设计,用模糊控制器取代PID控制器,通过模糊控制理论对功率进行量化,并在Matlab仿真平台上对其进行验证。结果表明,模糊控制器下的转矩脉动协同抑制策略,气动转矩脉动和电磁转矩脉动抑制效果更好,输出功率波动较小,系统响应速度较好。