大型风电机组传动链机电耦合特性及振动主动控制研究

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“碳中和”与发展绿色能源已成为全球主要国家共识,风力发电在绿色能源结构中占据重要地位。近年来,随着风电产业不断发展,风电机组装机容量屡创新高。与此同时,风电机组故障停机和造成的经济损失也越来越引起业界重视,从而引起更多学者对风电机组动态特性进行研究。风电机组系统包括齿轮传动系统、电气系统和控制系统等多个子系统,在以往众多研究中常对部分子系统进行忽略或者极大简化,造成风电机组动态特性研究结果偏差较大。同时,众多学者在进行风电机组减振研究时多采用被动控制方法且多集中在扭转振动研究上。鉴于此,本文建立大型半直驱风电机组传动链机电控系统耦合模型,分析传动链机电相互耦合机制及传动链多源激励机理,通过主动控制方式实现对风电机组传动链振动控制,并研究风电机组传动链典型故障下机电动态特性和主动控制策略。具体研究内容及成果如下:(1)针对目前研究中将风电机组机械系统和电气系统简化引起的研究结果失真问题,本文基于8MW大型风电机组原型机数据,采用最佳叶尖速比法建立大型风电机组传动链机电控耦合模型。该模型包括气动子模型、机械传动链子模型、发电机及控制系统子模型和电网子模型:气动子模型采用贝兹理论进行建模;机械传动链子模型包括叶轮、主轴、齿轮传动系统和发电机转子,叶轮采用旋转悬臂梁进行建模、主轴采用变截面空心梁进行建模、齿轮传动系统采用多自由度模型、发电机转子采用转子模型;发电机为中速永磁同步发电机,其控制部分采用矢量控制;电网子模型根据整机厂给定的电网参数建立。最终,通过数据传递将各子模型联接形成完整风电机组传动链机电控耦合模型,并通过实验室级风电试验台验证所建立理论模型正确性。(2)基于建立的机电控耦合模型,研究风电机组传动链中各主要部件对传动链动态特性的影响及风电机组传动链中机电相互作用规律。将建模时考虑叶轮与不考虑叶轮两种情况下风电机组传动链机电动态响应进行对比,研究叶轮对风电机组传动链动态响应的影响。分析风电机组传动系统时变啮合刚度和综合传动误差对发电机动态响应影响以及发电机非线性和转子惯量对风电机组传动链机械系统运动状态影响,研究外部不同风激励作用时风电机组传动链机电系统动态响应。通过对风电机组传动链多源激励作用时系统动态响应机理进行研究,为下一步进行传动链主动控制研究和局部故障下动态特性研究提供支撑。(3)为降低风电机组传动链振动、减小发电机电气谐波,设计一种变系数变结构滑模控制与比例谐振积分控制相结合的风电机组控制策略。对比风电机组传动链采用不同控制策略进行控制时传动链主要零部件的振动响应、发电机电流、电磁转矩以及发电机转子转速响应,分析新型控制策略对风电机组传动链主要零部件的减振效果和电气谐波抑制效果,为风电机组主动减振和电气谐波抑制提供新方法。(4)基于新型控制策略,研究风电机组在机械故障和发电机故障下传动链机电动态特性。同时,研究不同故障程度下机械故障对电气系统影响以及电气故障对机械系统影响规律,对比不同控制策略下机械系统动态响应和电气系统动态响应,验证新型控制策略在风电机组发生局部故障时对风电机组传动链振动和电气谐波抑制的有效性。
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