直驅(qū)兆瓦風(fēng)電機(jī)組Side-side方向振動(dòng)抑制系統(tǒng)分析

王明江

（金風(fēng)科技股份有限公司，烏魯木齊 830026）

0 引言

直驅(qū)兆瓦風(fēng)電機(jī)組一般會(huì)在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速—電磁扭矩的閉環(huán)控制回路中串聯(lián)帶阻濾波器的方式，來(lái)抑制機(jī)組在切入風(fēng)速附近以及額定風(fēng)速附近運(yùn)行時(shí)，由于Side－side方向氣動(dòng)阻尼小，以及作為電磁扭矩執(zhí)行機(jī)構(gòu)的全功率變流器被動(dòng)響應(yīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速中的Side－side方向一階固有頻率信號(hào)所導(dǎo)致的風(fēng)電機(jī)組塔筒Side－side方向的一階固有頻率振動(dòng)。但帶阻濾波器引入到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速—電磁扭矩閉環(huán)控制回路中，卻可以引起直驅(qū)兆瓦風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速—電磁扭矩閉環(huán)控制回路系統(tǒng)超調(diào)量增大、塔筒Side－side方向一階固有頻率振動(dòng)較大，響應(yīng)速度緩慢，特別是隨著風(fēng)電機(jī)組額定功率和葉輪直徑增大，風(fēng)電機(jī)組達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的功率與風(fēng)電機(jī)組額定功率差值越來(lái)越大，緩慢的響應(yīng)速度將導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組在額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)非常大的功率波動(dòng)。

1 直驅(qū)兆瓦風(fēng)電機(jī)組Side-side方向振動(dòng)抑制

1.1 直驅(qū)兆瓦風(fēng)電機(jī)組Side－side方向振動(dòng)抑制工作原理

直驅(qū)兆瓦風(fēng)電機(jī)組Side－side方向振動(dòng)抑制系統(tǒng)原理如圖1所示。風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)電磁扭矩控制輸入由兩部分疊加構(gòu)成：

其一，轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊輸出的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)低通濾波器1濾波之后，與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定值進(jìn)行比較，比較結(jié)果作為比例積分PI控制器的輸入，比例積分PI控制器的輸出再經(jīng)過(guò)一個(gè)低通濾波器2處理之后，得到直驅(qū)兆瓦風(fēng)電機(jī)組電磁扭矩控制輸入構(gòu)成之一；

其二，風(fēng)電機(jī)組安裝在機(jī)艙內(nèi)的加速度測(cè)量模塊，其輸出的Side－side方向加速度信號(hào)，依次經(jīng)過(guò)一個(gè)帶通濾波器、積分器處理之后，作為一個(gè)比例增益模塊的輸入，比例增益模塊的輸出，作為直驅(qū)兆瓦風(fēng)電機(jī)組電磁扭矩控制輸入構(gòu)成之二[2]。

1.2 直驅(qū)兆瓦風(fēng)電機(jī)組Side-side方向振動(dòng)抑制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性

為了簡(jiǎn)化說(shuō)明，本文將在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速—電磁扭矩控制回路中引入帶阻濾波器的技術(shù)方案簡(jiǎn)稱(chēng)為方案一，Sideside方向振動(dòng)抑制技術(shù)方案簡(jiǎn)稱(chēng)為方案二。在方案一與方案二的仿真結(jié)果與測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比中，方案一用虛線表示，方案二用實(shí)線表示。

圖2顯示了發(fā)電機(jī)電磁扭矩—Side－side方向機(jī)艙速度開(kāi)環(huán)bode圖[3]。相比于方案一，方案二可以使塔筒Side－side方向一階固有頻率振動(dòng)幅值得到大幅度衰減和降低，大幅提升機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性。

圖3顯示了風(fēng)速—Side－side方向機(jī)艙速度的開(kāi)環(huán)階躍響應(yīng)，相比于方案一，方案二可以大幅度降低由風(fēng)速階躍變化引起的塔筒Side－side方向一階固有頻率振動(dòng)幅度。

圖4顯示了發(fā)電機(jī)電磁扭矩—Side－side方向機(jī)艙速度的開(kāi)環(huán)階躍響應(yīng)。相比于方案一，方案二可以大幅度降低由發(fā)電機(jī)電磁扭矩階躍變化引起的塔筒Side－side方向一階固有頻率振動(dòng)幅度。

圖5、圖7顯示了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速—電磁扭矩閉環(huán)bode圖，方案二比方案一在閉環(huán)系統(tǒng)帶寬上大幅度增加[4]，相應(yīng)閉環(huán)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間大幅縮短，響應(yīng)速度大大提高；方案二比方案一在塔筒Side－side方向一階固有頻率信號(hào)上有大幅度衰減，意味著機(jī)組發(fā)電運(yùn)行時(shí)塔筒Side－side方向加速度一階固有頻率信號(hào)振蕩幅值大幅度減小，塔底Mx彎矩疲勞載荷大幅度降低。

圖6、圖8顯示了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速—電磁扭矩閉環(huán)階躍響應(yīng)。方案二比方案一超調(diào)量大幅降低，對(duì)應(yīng)于風(fēng)電機(jī)組在額定風(fēng)速以下運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)幅度大幅減小，功率波動(dòng)幅度大幅度降低。

圖1 直驅(qū)兆瓦風(fēng)電機(jī)組Side-side方向振動(dòng)抑制系統(tǒng)原理

圖2 發(fā)電機(jī)電磁扭矩—Side-side方向機(jī)艙速度開(kāi)環(huán)bode圖

圖3 風(fēng)速—Side-side方向機(jī)艙速度的開(kāi)環(huán)階躍響應(yīng)

1.3 直驅(qū)兆瓦風(fēng)電機(jī)組Side-side方向振動(dòng)抑制系統(tǒng)在切入風(fēng)速附近的補(bǔ)償方案

圖4 發(fā)電機(jī)電磁扭矩—Side-side方向機(jī)艙速度的開(kāi)環(huán)階躍響應(yīng)

圖5 帶阻濾波器技術(shù)方案發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速—電磁扭矩閉環(huán)bode圖

圖6 帶阻濾波器技術(shù)方案發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速—電磁扭矩閉環(huán)階躍響應(yīng)

在切入風(fēng)速附近，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速—電磁扭矩閉環(huán)PI計(jì)算的發(fā)電機(jī)電磁扭矩給定值比較小，為了防止引入Sideside速度至發(fā)電機(jī)扭矩給定值控制回路導(dǎo)致發(fā)電機(jī)工作在電動(dòng)機(jī)模式，對(duì)于Side－side振動(dòng)抑制系統(tǒng)而言，只有當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速—電磁扭矩閉環(huán)PI計(jì)算的發(fā)電機(jī)電磁扭矩給定值超過(guò)一定的閾值時(shí)，才會(huì)啟動(dòng)Side－side加阻功能。

圖7 Side-side加阻技術(shù)方案發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速—電磁扭矩閉環(huán)bode圖

圖8 Side-side加阻技術(shù)方案發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速—電磁扭矩閉環(huán)階躍響應(yīng)

圖9中在3－4m/s湍流風(fēng)下，由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速一電磁扭矩PI控制增益選擇較大，導(dǎo)致首先在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)中激勵(lì)了比較明顯的塔筒Side－side方向一階固有頻率的信號(hào)，在被發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速一電磁扭矩PI控制響應(yīng)之后，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生Side－side方向塔筒一階固有頻率振動(dòng)，此時(shí)發(fā)電機(jī)電磁扭矩給定值范圍正好對(duì)應(yīng)于Side－side振動(dòng)抑制功能關(guān)閉情況下。

為了避免在切入風(fēng)速附近由于Side－side振動(dòng)抑制功能關(guān)閉所導(dǎo)致的機(jī)組Side－side方向塔筒一階固有頻率振動(dòng)，可以采取在切入風(fēng)速附近，大幅降低發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速一電磁扭矩閉環(huán)PI控制增益的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

從圖10和圖11的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，通過(guò)降低發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速一電磁扭矩閉環(huán)PI控制參數(shù)的增益值，可以大幅度衰減發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速一電磁扭矩閉環(huán)PI控制系統(tǒng)bode圖中塔筒Side－side方向一階固有頻率信號(hào)，從而避免切入風(fēng)速附近由于Side－side塔筒加阻功能關(guān)閉所導(dǎo)致的塔筒Side－side方向一階固有頻率振動(dòng)。

圖9 直驅(qū)兆瓦機(jī)組在切入風(fēng)速附近發(fā)生振動(dòng)故障時(shí)的運(yùn)行數(shù)據(jù)

圖10 切入風(fēng)速附近保持發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速一電磁扭矩閉環(huán)PI控制參數(shù)時(shí)的閉環(huán)bode圖

圖11 切入風(fēng)速附近減小發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速一電磁扭矩閉環(huán)PI控制參數(shù)時(shí)的閉環(huán)bode圖

1.4 直驅(qū)兆瓦風(fēng)電機(jī)組Side-side方向振動(dòng)抑制系統(tǒng)的bladed軟件仿真與試驗(yàn)結(jié)果

圖12、圖13顯示了直驅(qū)兆瓦機(jī)組在額定風(fēng)速以上仿真運(yùn)行結(jié)果中Side－side方向加速度時(shí)域信號(hào)和頻域譜密度比較，方案二比方案一在Side－side方向一階固有頻率有非常大幅度的衰減。

圖14、圖15顯示了直驅(qū)兆瓦機(jī)組在額定風(fēng)速以上運(yùn)行時(shí)，仿真結(jié)果中塔筒底部Mx彎矩時(shí)域信號(hào)和頻域譜密度比較，方案二比方案一在一階固有頻率上有非常大幅度的衰減。

圖16、圖17 顯示了1.5MW機(jī)組在16m/s平均風(fēng)速的湍流風(fēng)下，2min運(yùn)行時(shí)間內(nèi)Side－side方向測(cè)試加速度時(shí)域數(shù)據(jù)和頻域譜密度對(duì)比[5]，方案二比方案一在Side－side方向一階固有頻率加速度有更大的衰減。

圖12 Side-side方向振動(dòng)抑制技術(shù)方案與帶阻濾波器方案在額定風(fēng)速以上運(yùn)行時(shí)Side-side方向加速度時(shí)域仿真信號(hào)比較

圖13 Side-side方向振動(dòng)抑制技術(shù)方案與帶阻濾波器方案在額定風(fēng)速以上運(yùn)行時(shí)Side-side方向加速度譜密度仿真信號(hào)比較

圖14 Side-side方向振動(dòng)抑制技術(shù)方案與帶阻濾波器方案在額定風(fēng)速以上運(yùn)行時(shí)塔筒底部Mx彎矩時(shí)域仿真信號(hào)比較

圖15 Side-side方向振動(dòng)抑制技術(shù)方案與帶阻濾波器方案在額定風(fēng)速以上運(yùn)行時(shí)塔筒底部Mx彎矩頻域譜密度仿真信號(hào)比較

2 結(jié)論

本文從動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性、bladed軟件仿真結(jié)果以及實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)三個(gè)方面，對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速—電磁扭矩控制回路中引入帶阻濾波器的技術(shù)方案和Side－side方向振動(dòng)抑制技術(shù)方案進(jìn)行了對(duì)比，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：

（1）Side－side方向振動(dòng)抑制技術(shù)方案設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)具有更小的超調(diào)量、更大的帶寬和更快的響應(yīng)速度，因此具有更好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性；

圖16 Side-side方向振動(dòng)抑制技術(shù)方案與帶阻濾波器方案在16m/s湍流風(fēng)下Side-side加速度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較

圖17 Side-side方向振動(dòng)抑制技術(shù)方案與帶阻濾波器方案在16m/s湍流風(fēng)下Side-side加速度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)譜密度比較

（2）對(duì)Side－side方向一階固有頻率振動(dòng)具有更好的抑制效果，一方面大幅降低Side－side方向振動(dòng)加速度超閾值的發(fā)生概率，另一方面大幅降低塔筒底部Mx彎矩疲勞載荷。

[1] Guideline for the Certification of Wind Turbines Edition 2003[S].2003.

[2] E.van der Hooft.Wind Turbine Control algorithms [R].ECN-C-03-111,2003.

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[4] 胡壽松.自動(dòng)控制原理[M].北京:科學(xué)出版社,2001.

[5] 丁正生.概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)簡(jiǎn)明教程[M].北京:高等教育出版社,2005.