脉动风速和电网故障作用下双馈风电机组传动系统动态响应特性

为研究大容量双馈风电机组在脉动风速、齿轮时变啮合特性和电网扰动等多因素耦合作用下传动系统的动态响应特性,在Matlab/Simulink平台上,采用集中质量法建立了机组传动系统弯扭耦合动力学模型,并结合双馈风电机组运行及控制模型,形成机组传动系统的机电耦合模型,分析了机组在多种脉动风速及其与电网对地短路故障同时作用条件下传动系统的动态响应特性。计算结果表明：机组传动系统对低频振动频率具有欠阻尼特性,当脉动风速的脉动频率接近传动系统的一阶固有频率时会与传动系统产生共振;通过对比有无齿轮时变啮合激励,可以甄别传动系统与齿轮啮合激励的共振点;电网三相对地短路故障引起的传动系统振动最为剧烈,其最大振动峰峰值随风速的增加非线性增大,随风速湍流强度的增加线性增大。     

虚拟同步控制下双馈风电机组传动链动态特性分析

虚拟同步发电机针对（VSG）控制对风电机组机械结构影响缺乏认知问题,开展VSG控制下双馈风电机组（DFIG）传动链动态特性分析研究。建立计及传动链柔性的DFIG模型,并通过转子侧变流器实现DFIG的VSG控制。考虑电网频率冲击扰动与风速持续扰动两种情况,通过所建模型仿真对比VSG控制和传统矢量控制下DFIG传动链动态特性,并分别从时域和频域分析VSG关键控制参数对传动链动态特性的影响。结果表明,DFIG运行于VSG控制模式时,电网频率冲击扰动在其传动链激励出大幅度的冲击性自由扭振,风速持续扰动引发其传动链出现大幅度的持续性受迫扭振和幅度较小的持续性自由扭振,且VSG关键控制参数对自由扭振强度影响显著。     

差动调速风电机组齿轮传动系统动态特性研究

针对差动调速齿轮传动系统的刚体动力和振动特性进行研究,考虑传动系统的实际工作状况和主要内外部参数激励,建立差动调速齿轮传动系统的非线性动力学模型和振动微分方程,在SIMULINK中搭建差动调速齿轮传动系统数值模型,仿真分析其动态特性。结果表明:相对于齿侧间隙为零,齿侧间隙不等于零则使高频振动幅值波动更明显,同时加大了对低频振动的影响,表现出明显的非线性特征,因此在差动调速齿轮传动系统的动态设计和运行过程中,应注意控制和监测齿侧间隙值。     

双馈风电机组传动系统高频轴电压抑制技术开发及应用

针对双馈风电机组高频轴电压的特点,本文概述分析了高频轴电压产生的原理和造成的危害,详述了对高频轴电压的抑制措施,并在风电场推广应用,实践验证了高频轴电压综合抑制技术的有效性。     

内置Crowbar电路的双馈风电机组短路特性研究

风电装机容量在电网中所占的比例不断增高,当电网运行出现故障时,不能忽略风电机组短路电流对继电保护装置所造成的影响。当电网电压大幅度跌落时,撬杠保护(Crowbar)动作使风力发电机组的拓扑结构发生变化,影响风电送出线路继电保护装置的整定计算。文章在推导撬杠保护动作时风电机组等值模型的基础上,分析得到双馈感应风力发电机组的短路特性以及用于短路电流计算的模型,最后在PSCAD平台下验证了模型进行线路保护装置整定时的有效性。     

双馈感应发电机风电机组的动态模型构建

双馈感应发电机(DFIG)动态模型用于反映发生扰动时风电机组的动态特性变化,是研究DFIG并网稳定性的重要基础。通过建立DFIG风机的空气动力学模型、桨距角控制模型、发电机模型、轴系模型、变流器及其控制模型在内的动态模型,分析了各部分模型的控制机理,并且给出了各部分的控制框图,在PSCAD中对DFIG并网模型进行了仿真研究,证实了DFIG动态模型是正确可信的。     

3MW双馈式风电机组变桨控制策略优化研究

随着风电机组单机容量的不断增大,风电机组零部件承受的载荷越来越大,电网对机组输出功率的品质也提出了更高的要求。文章在变桨PID控制技术的基础上,通过增加塔架阻尼器、低通滤波器和陷波器,并在变桨时使用变增益双PID控制器,使风电机组在输出功率较为平滑的同时,降低关键部件的载荷。结合3 MW双馈式风电机组开发GH Bladed的外部控制器程序,并和广泛应用的PID控制器进行仿真比较。仿真结果表明,该研究提出的控制策略改善了风电机组输出功率的品质,降低了塔架等关键部件的载荷。     

风电机组行星传动系统固有特性灵敏度研究

以风力发电机行星传动系统为研究对象,计入基于相位的时变啮合刚度的影响,运用牛顿力学理论建立其平移-扭转动力学模型。基于特征值问题求解其固有频率及振型,阐述固有频率的分布规律并对系统振型特征进行描述。提出一种较精确的风力发电机行星传动系统灵敏度量化评价的方法,量化评价各刚度对系统各阶固有频率的影响程度,归纳支撑刚度、啮合刚度和扭转刚度对系统固有频率及振型的影响规律,得各刚度对系统固有特性的灵敏度,为风力发电机行星传动系统调节固有频率避开共振点和参数敏感点、改善动态性能提供理论依据。     

基于改进自抗扰控制的双馈式风电机组传动系统扭振抑制策略

抑制风电机组传动系统的扭振,对于降低系统疲劳载荷、提高机组寿命具有重要意义。文章通过直接控制传动系统的扭角来抑制系统扭振,考虑非线性不确定因素,从功率的角度建立扭角数学模型。由两质量块模型得到功率和扭角的正相关关系,在此基础上,提出一种扭角参考值给定方法。采用改进的自抗扰控制策略补偿传动系统的未知扰动,将系统线性化,并通过非线性状态误差反馈将扭角给定值转化为功率给定值,进而抑制系统扭振。改进自抗扰控制参数调节简单,对扰动补偿更精确,提高了控制器的性能。仿真结果表明,所提出的抑制策略可以明显减小传动系统在阶跃风况和湍流风况下的扭振。     

基于RTDS的双馈式风电机组低电压穿越策略

在研究2 MW双馈式风力发电系统稳态和暂态数学模型、控制策略、低电压穿越Crowbar电路参数优选等理论的基础上,利用RTDS平台建立双馈式风力发电低电压穿越系统完备模型,定量模拟电网电压跌落,发现传统的Crowbar保护方案仍有一定改进空间,提出改变Crowbar电路投切时刻提升系统LVRT能力策略,从多角度验证深度电压故障跌落时双馈电机低电压穿越性能。研究结果表明,在严重的电网电压跌落情况下,所采用的研究方案可在保证双馈风力发电机组变换器装置自身安全的基础上,实现机组的不脱网运行,满足国网的风电低电压穿越运行要求。     

风力机叶片动态应变分布特征的研究

针对风力机叶片动态应变分布规律特性,以NACA4415翼型叶片为模型进行了数值模拟,并与采用旋转遥测技术测试的该风力机叶片动态应变试验结果进行了对比分析。结果表明,数值模拟与试验结果趋势一致;在气动力作用下,风力机叶片的应变主要集中在叶片的中部略靠后的位置,其根部及叶尖附近的应变与中部相比较小,前缘部分的应变值与后缘部分相比较大,压力面应变值大于吸力面相应位置的应变值;在气动力的基础上施加重力和离心力后,叶根处应变值增加迅速,同时叶片中部应变值保持在较大的水平,主要是离心力和气动力共同作用所致。     

双馈风力发电系统故障穿越性能改善的控制策略

PI控制策略限制了双馈风力发电系统的故障穿越能力。文章提出一种基于多开关控制的故障穿越策略,在机端电压跌落瞬态期间利用多态滞环电流矢量控制器快速的瞬态性能抑制转子绕组的过电流,同时实施转子绕组串联动态电阻器,进一步抑制转子绕组的过电压和过电流。详细介绍了多态滞环电流矢量控制器和基于多开关控制的故障穿越策略的实施过程。针对3种典型机端电压跌落类型,在Matlab/Simu1ink平台中构建了所提出的故障穿越控制策略的动态仿真模型并验证了其可行性。仿真结果表明,所提出的故障穿越控制策略改善了双馈风力发电机系统的故障穿越性能。     

风力机动态模拟方法研究

由于受条件限制,实验室无法进行真实风力机发电的实验,因此利用常用电机模拟风力机,对风力发电及并网进行研究可作为一种实用方法。在分析风力机的机械特性基础上,利用三种电机模拟风力机,并给出相关结论。     

并网型风电机组自稳速传动系统设计

针对变频器对风电系统的影响,设计了一种自稳速传动系统,可用于风力发电机的恒频输出。从机构学角度对该系统中的电动机与差动轮系进行特殊设计,维持电动机转速恒定,即可实现系统变转速输入、恒转速输出。搭建了采用该系统的并网型风电机组模型,通过FAST和SIMULINK软件的仿真试验,验证了该系统的有效性。     

近海风力机动力特性分析方法的研究

海上风力发电具有广阔的应用前景,因此要大力发展海上风机。以单桩式近海风力发电机为例,利用风机正向设计专业软件SAMCEF for Wind Turbine,对风机结构进行模态分析,得到结构的振动特性。由分析结果可知,风机整体振型复杂,不同构件振型变化较大,构件之间有连带作用;在系统的各阶振型中,每个构件的应变能贡献值各不相同,在设计风机时应避开结构的共振区域,以免造成风机结构的破坏。     

1.5MW风力机塔架-基础的动力特性研究

采用多种计算模型结合敏感性分析,研究了塔架及塔架-基础的动力特性,发现塔架与基础的振动有一定的耦合作用;考虑基础与塔架相互作用后,塔架各阶自振频率降低,特别是高阶自振频率降低较多;在地震液化等极端工况下,地基基础对塔架动力特性的影响更明显。总结并分析了塔架的振源,指出脉动风荷载是风力机设计中必须重视的部分;风绕塔架流动一般处于超临界或跨临界范围,在超临界范围不会出现明显的塔架涡激振动,在跨临界范围可能出现严重的振动;风轮属细长弹性体、气动特征明显,其振动响应比较复杂且易发生破坏事故。为减小柔性塔架振幅,给出了风力机起动时快速跳过瞬态共振区、增加塔架阻尼和优化塔架体型以进一步改善塔架动力特性等方面的建议。     

水平轴风力机叶片的截面与动力特性分析

风力机叶片在旋转过程中受重力和离心力作用,产生动力刚化导致固有频率增加。文章以NRELPhase VI风力机叶片为对象,在其内部分别添加圆形腹板、单腹板和双腹板,建立3种不同截面的叶片三维模型,并结合复合材料对叶片铺层进行动力学分析。结果表明,叶片采用的铺层方案能有效避免共振,并且3种叶片模型的重量均接近叶片的真实值。在额定转速下,3种腹板叶片的一阶频率增量随腹板的厚度增加而增加,但在两倍额定转速时,单腹板和圆形腹板的一阶频率增量随腹板厚度增加而减少;同时,腹板中的双轴向玻璃布材料以±45°铺设时,一阶固有频率最大,而由动力刚化引起的一阶频率增量较其他角度小。     

Assessment of wind characteristics and wind turbine characteristics in Taiwan

Wind characteristics and wind turbine characteristics in Taiwan have been thoughtfully analyzed based on a long-term measured data source (1961–1999) of hourly mean wind speed at 25 meteorological stations across Taiwan. A two-stage procedure for estimating wind resource is proposed. The yearly wind speed distribution and wind power density for the entire Taiwan is firstly evaluated to provide annually spatial mean information of wind energy potential. A mathematical formulation using a two-parameter Weibull wind speed distribution is further established to estimate the wind energy generated by an ideal turbine and the monthly actual wind energy generated by a wind turbine operated at cubic relation of power between cut-in and rated wind speed and constant power between rated and cut-out wind speed. Three types of wind turbine characteristics (the availability factor, the capacity factor and the wind turbine efficiency) are emphasized. The monthly wind characteristics and monthly wind turbine characteristics for four meteorological stations with high winds are investigated and compared with each other as well. The results show the general availability of wind energy potential across Taiwan.     

Variable speed wind turbine with radially oriented gear drive

A wind turbine assembly includes a gear drive assembly having an outer tubular member and an inner tubular member, the inner member being positioned coaxially within the outer member. A pair of spaced bearings circumscribe the inner tubular member and support the outer member for rotation about the inner member. Propeller blades are coupled to the outer member for effecting rotation in response to wind. An electric power generator mounted to the inner member has a rotor shaft extending from one end. A gear unit is drivingly coupled between the rotor shaft and the outer member whereby rotation of the outer member is effective to cause rotation of the rotor shaft at a velocity substantially greater than a rotational velocity of the outer member for generating electric power from the generator.