定桨恒频风电机组机网扭振建模与机理

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1、第30卷第3期电力自动化设备Vol．30No．32010年3月ElectricPowerAutomationEquipmentMar.2010定桨恒频风电机组机网扭振的建模与机理王瑞琳1112，3，解大，王西田，张延迟（1.上海交通大学电气工程系，上海200240；2.华东理工大学自动化系，上海200237；3.上海电机学院电气工程系，上海200240）摘要：报告了风力机组机网扭振问题的研究现状，指出了研究并网大型风力机组机网扭振问题的必要性。针对定桨恒频双速异步风力发电机，建立了研究风力发电机和电网之间扭振相互作用的统一机电动态模型：利用有限元分析法对风机叶片进行了建模，将风力机机械部分（包

2、括叶片、低速轴、齿轮箱、高速轴、转子组成的旋转系统）等效为柔性连接的三质量块模型，计算了机械旋转系统的固有频率；对电气部分（包括发电机定子和电网）在dq0坐标系下进行了建模。在电磁暂态仿真软件中了建立了仿真模型，通过在输电线路始端设置三相接地短路故障，激发了风力发电机的机网扭振现象。对扭振曲线进行频域分析，发现了扭振频率与计算得出的机械旋转系统固有频率相吻合，验证了模型的准确性。关键词：定桨恒频双速异步风力发电机；机网扭振；有限元分析法；建模；三质量块模型中图分类号：TM315文献标识码：A文章编号：1006－6047（2010）03－0020－05齿轮箱电缆0引言电网风电［1-9］机网扭振相

3、互作用主要包括大型风力发电机组自身的电力电子控制装置（如双馈技术和图1并网风力机组机网扭振等效系统永磁直驱技术中采用大功率变流器、双速异步发电Fig.1Equivalentsystemofgrid-connectedwind机中采用的快速无功补偿器等）的快速动作引起的turbine-generatorsetwithtorsionalvibration机网扭振，电网非特征谐波引起的机网扭振，以及电补偿电容起到无功补偿的作用。输电线路等效为力系统故障或操作引起的冲击性扭振。RLC串联模型，在有些情况下，还会在线路中串联电本文针对并网型定桨恒频双速异步风电机组，容以提高输送距离。以下建立机械部分和电

4、气部分研究其机网扭振作用。定桨恒频双速异步风力发电的动态模型。机直接接入电网，通常采用并联电容或动态快速无1.1风电机组旋转系统模型功补偿装置提供无功功率，由于其与电网联系紧密，与汽轮发电机组的轴系扭振机械系统模型相因此受到电网接口影响的可能就较为明显。此外由似，风力发电机的轴系也可以用多个集中质量块和于电容器对于谐振有着放大作用，风力发电机接入的联结它们的理想弹簧所组成的质量-弹簧模型来表并联电容部分值得关注。这里将所研究的对象抽象示。目前在风力发电机的动态特性研究中，通常采用为简单的单机对无穷大系统模型，建立了机网扭振两质量块轴系模型［10-13］，即叶片、低速轴和齿轮箱等的统一机电模型，

5、并在此基础上进行仿真分析。效为一个质量块，发电机转子等效为另一个质量块。文献［12］研究了减缓由串补电容引起的风力机组机1并网定桨恒频风力发电机组机网扭振建模网扭振的方法：利用灵活交流输电技术（FACTS）和对于机网扭振相互作用，研究对象是由风力发静态无功补偿器（SVC），在分析与仿真的过程中风力机机械传动部分均采用了两质量块模型。文献电机的旋转系统、发电机及电网组成的一个大系统，［13］采用三质量块模型对比研究了几种不同形式的为了尽可能准确而清晰地分析电网和风力发电机相变速风力发电系统，分析了它们在不断变化的风速时互作用所引起的轴系机械振动，通常采用如图1所间序列下的转矩特性，但是没有给出具

6、体的动态数示的系统模型。学模型。但是考虑到风电机组轴系特性以叶片为主图1中异步发电机的旋转系统包括叶片、低速导，叶片与轮毂的连接柔性大，若将叶片和低速轴部轴、齿轮箱、高速轴、发电机转子，而发电机的定子通分等效为一个质量块则太过粗略。过电缆与无穷大电力系统相连，发电机出口的并联为此本文考虑采用图2所示的三质量块轴系收稿日期：2009－05－26；修回日期：2009－09－04等效模型，分别表示风机叶片、低速轴部分、高速轴基金项目：国家自然科学基金资助项目（50807036）部分。第3期王瑞琳，等：定桨恒频风电机组机网扭振的建模与机理TM1，D1根据图3所示的质量块-弹簧模型，利用小扰w叶片部分T

7、动分析法，得到该模型的线性化方程如式（4）所示。e齿轮箱M2，D2M3，D3方程中所有量均为折算至低速侧的值。低速轴侧高速轴侧K12K23图2风电机组轴系等效示意图M1，D1M2，D2M3，D3D12D23Fig.2Equivalentshaftsystemofwindturbine-generatorset图3风电机组轴系三质量块模型Fig.3Three-massmodelofshaftsyst