湍流激励下风电轴系的宽频受迫扭振及其抑制方法

风电轴系扭振会造成传动系统提前失效,对风电机组可靠性及可利用率十分不利。在随机湍流风速的持续性激励下,风电轴系扭振除特征频率分量之外,还在低频段存在较宽频带分布的受迫扭振分量。针对目前风电机组采用的传动链主动阻尼技术仅能应对特征频率分量轴系扭振的问题,构建刻画轴系宽频扭振特性的传递函数,揭示不同频段轴系电气阻尼对轴系宽频扭振的影响机理,得出应当在保证扭振特征频率处电气阻尼较高的同时设法降低低频段电气阻尼。提出抑制宽频受迫扭振的轴系电气阻尼重塑方法,并从稳定性和抑振效果两方面给出参数设计方法。所提控制策略易于工程实现,仿真表明其可有效镇定轴系宽频受迫扭振,且不会对发电量产生负面影响。     

风电机组全风速段多目标发电优化控制

降低机械载荷、提高发电量以及平抑功率波动是风电系统的主要控制目标之一。研究发现,在持续性风速激励下,轴系扭振除特征频率振荡分量以外还存在与风速同频的宽频受迫扭振,而现有扭振抑制方法不仅无法应对受迫扭振,在不适当的参数下甚至会产生不利影响。文章聚焦于持续波动风速作用下风电机组的多目标发电优化控制,根据低频段削弱、同时特征频率增强的分频段轴系电气阻尼虚拟配置原则,基于小信号频域分析法揭示了扭振、最大功率点跟踪(maximum power point tracking, MPPT)和功率波动3个优化目标受控制器参数的影响规律。综合考虑了MPPT和功率波动对宽频扭振镇定的约束及3个目标的综合优化,针对全风速段不同工作模式分别设计控制器结构和参数,最后通过控制综合形成一套完整的控制策略。控制器硬件在环仿真表明所提控制策略可有效实现持续性风速激励下的多目标发电优化控制。     

基于阻尼器的双馈风力发电系统扭振抑制策略

由风速扰动或网侧的电气扰动所引发的风机传动轴扭振现象会导致轴系机械零件疲劳过载,甚至损坏。提出一种对网侧电气小扰动引发机网扭振的抑制策略。该策略通过在转子侧逆变器功率控制环节引入阻尼器,当轴系发生扭振时,利用发电机转速波动信号产生阻尼功率,再附加到逆变器有功功率参考值上,使系统额外输出有功功率来增大系统阻尼,从而抑制轴系扭振。建立系统小信号稳定模型,分析扭振抑制原理,观察引入阻尼器后,系统主导扭振模态的特征根变化;并利用Bode图分析阻尼器对轴系扭振模态的抑制效果。最后,在Matlab/Simulink上进行仿真验证。结果表明,所提出的阻尼策略可以显著增大双馈风力发电系统的阻尼,增强对风力发电系统扭振尤其是低频振荡模态的抑制。     

基于电气阻尼-刚度控制的双馈风电机组轴系扭振抑制策略

针对现有扭振控制中,难以平衡抑振效果和响应速度的关系,以及高、低速轴的阻尼比变化速率不同导致整体阻尼比难以调节的问题,提出了一种双馈风电机组轴系扭振抑制策略。首先推导了机械扭转角与电磁转矩的传递函数,通过引入等效阻尼和刚度分析了高低速轴机电耦合阻尼比的差异。其次对电气刚度抑制轴系扭振的机理进行分析,根据阻尼和刚度的协调作用,提出基于电气阻尼-刚度控制的轴系扭振抑制策略,得到电气阻尼-刚度控制下的轴系阻尼比变化趋势。最后在搭建FAST-MATLAB/Simulink联合仿真双馈风电机组模块的基础上,引入湍流风与电网暂降激励,对所提策略的抑振效果进行仿真验证。结果表明,相较于传统的阻尼控制,所提策略能够充分发挥传动链的机电强耦合作用,在保证响应速度的同时具有更好的抑振能力。     

汽轮发电机轴系扭振模态分析

以IEEE次同步谐振(Subsynchronous Resonance,SSR)第一标准测试模型为例,详细介绍了如何预测汽轮发电机轴系扭振模态.利用测试信号法计算系统的电气阻尼,通过模态调整法得到模态机械阻尼,利用复转矩系数法判定轴系扭振模态.最后在加入机械阻尼的测试模型中施加三相短路扰动,对轴系各个质量块扭振转矩的幅频分析验证扭振模态预测的正确性,分析结果显示在计及机械阻尼的情况下,只有与电气谐振频率互补的扭振模态发生SSR.     

风火捆绑经HVDC送电引起轴系扭振研究

风机轴系考虑为多质块模型时,风电场经高压直流输送电力有可能引起次同步轴系扭振。当风电与附近火电机组捆绑送电时,有助于提高风电系统稳定性。但当系统发生扰动时,风电机组和火电机组均将产生严重的轴系扭振现象。本文首先分析风机轴系扭振产生机理,然后基于整体最小二乘-旋转不变技术估计信号参数(TLS-ESPRIT)辨识出在风机轴系和汽轮机轴系固有扭振模态下的系统传递函数,进而基于射影定理针对每个扭振模态设计阻尼控制器以实现分层控制,最后将阻尼控制器输出信号叠加到直流输电整流侧定电流主控制器上,实现轴系扭振的抑制。建立风电场与火电机组捆绑送电模型并进行仿真,仿真结果表明,设计的分层控制器可有效提高轴系固有扭振模态的阻尼比,可使轴系模块间的扭振迅速衰减,有效提高了电力系统稳定性,控制器阶数较低,便于实际工程实现,且具有较高的鲁棒性。     

汽轮发电机电气参数对次同步扭振阻尼的影响

汽轮发电机是联系轴系机械系统与电力网络的中间环节,其数学模型的表现形式及参数精度对次同步扭振研究的可行性及结论有着直接的影响。通过对机电系统闭环特征值的计算分析,研究了汽轮发电机电气参数对次同步扭振阻尼的影响,指出应注意发电机次暂态电抗参数精度对次同步扭振阻尼有较大影响。     

大型汽轮发电机组轴系扭振问题的探讨

在总结概括国内外有关专家大量工作的基础上,介绍了大型汽轮发电机轴系扭振的形成机理,导致轴系扭振的几种电力系统电气扰动,轴系扭振机电数学模型的建立、预防和抑制轴系扭振的方法以及机组固有扭振频率的实机测试。     

考虑整机转矩控制的双馈风机轴系扭振机理分析及抑制策略

双馈风电机组轴系模型可等效为风力机质块经柔性轴与发电机质块连接,其轴系柔性较大,阻尼较低,现场存在轴系扭振现象.提出将整机转矩控制嵌入双馈风机两质量块数学模型中,并进行小信号线性化,得到适用于轴系动态特性分析的双馈风电机组机电小信号模型,基于该模型开展扭振机理分析和抑制策略设计.双馈风机轴系扭振本质原因是电磁转矩与发电...     

基于状态空间法的多机电力系统发电机轴系扭振研究

基于状态空间法建立多机电力系统状态方程组,求解得到发电机轴系扭振模式、阻尼、振型。针对同型发电机和不同发电机在对称运行、非对称运行方式下的扭振特性进行研究,并比较广泛应用的等值机模型计算结果,得到发电机轴系扭振的一般规律,对深入研究轴系扭振问题具有借鉴意义。     

电网故障下风电机组轴系扭振抑制方法

通过全面分析不同故障类型和不同运行状态的双馈风力发电机电磁转矩特性以及由此激发的轴系扭振,得出了轴系关键参数对扭振的影响。分析结果表明,从降低模态耦合度的角度考虑的轴系参数配置方案对于抑制电网故障下的扭振无法取得显著成效,应当从削弱故障及恢复时刻转矩过冲和增加阻尼入手。随后提出了一种基于扭转角速度并通过附加电磁转矩实现的传动轴阻尼虚拟配置方法,针对扭转角速度可能难以获取的问题,在此基础上提出了与之等效的基于发电机转速的传动轴阻尼虚拟配置方法,通过大量PSCAD仿真验证了虚拟配置参数的一些特性以及2种参数虚拟配置方法的有效性。     

含虚拟惯量的双馈风电机组扭振阻尼特性分析与抑制方法研究

阻尼是影响双馈风电机组(doubly-fed induction generator,DFIG)轴系扭振的核心因素.在并网导则要求风电参与系统调频的背景下,当DFIG采用虚拟惯量控制响应系统频率变化时,其扭振的阻尼特性将更加复杂.采用阻尼转矩方法,首先分析了最大功率跟踪模式下DFIG轴系扭振的阻尼特性,推导了虚拟惯量引入后双馈风机的电磁转矩–转速环传递函数,解释了虚拟惯量控制降低DFIG扭振阻尼的原因.其次,分析了基于带通滤波器和相位补偿环节的扭振阻尼控制器(bandpass-filter and phase-compensation based torsional oscillation damping controller,BPB-TODC)附加于不同控制通道引起的扭振频率偏移问题.针对扭振频率偏移导致阻尼控制器性能下降的问题,在混合通道BPB-TODC基础上,通过对多扭振频率偏移场景下的控制器参数进行寻优,提出了抗扭振频率偏移的优化BPB-TODC.最后,通过仿真验证了上述理论分析的正确性和所提阻尼控制器的有效性.     

大型汽轮发电机组轴系扭振问题的探讨

在总结概括国内外有关专家大量工作的基础上，介绍了大型汽轮发电机轴系扭振的形成机量，导致轴系扭振的几种电力系统电气扰动，国系扭振机电数学模型的建立，预防和抑制轴系扭振的方法以及机组固有扭振频率的实机测试。     

基于SEDC和SSDC抑制HVDC系统SSO的研究

基于交直流系统按相同的设计原理设计了附加励磁阻尼控制器（SEDC）和次同步阻尼控制器（SSDC）,采用测试信号法比较了两者对于轴系自然扭振频率处电气阻尼的补偿能力,用时域仿真的方法验证了比较的结果。结果表明：SSDC比SEDC在补偿点处能提供更大的电气阻尼,从而更利于抑制SSO。对此结果进行了定性的物理解释。以SEDC为研究对象,分析了其参数对抑制SSO的影响。SEDC放大倍数的电气阻尼补偿具有阻尼转移现象,只有在次同步振荡自然扭振频率不偏移的条件下才能发挥提高放大倍数对于抑制SSO的正面作用。对附加阻尼控制器设置适当的滤波器品质因数和阶数参数才能在固有振荡频率处有明显的正阻尼。     

基于MATLAB的SVC抑制SSR仿真研究

当串联补偿输电网络形成的电气谐振回路的固有频率与汽轮发电机轴系扭振固有频率互补时,可能会引起次同步谐振(SSR,Sub Synchronous Resonance)问题.本文主要介绍了由串补电容引起的SSR的机理和静止无功补偿器(SVC)抑制SSR的基本工作原理;提出了一种分模态阻尼控制器的控制方法,并基于MATLAB...     

大型发电机组转子轴系扭振抑制策略研究

汽轮发电机组由于交流送出线路中固定串补等设备的接入,在交流系统发生故障时存在的次同步频率的电气功率会给机组带来转子轴系疲劳扭振的风险。而链式静止同步补偿器(STATCOM)的接入和调制控制可以为机组提供一个有效的阻尼机组轴系扭振方法。这里论述了汽轮发电机组轴系扭振的原因及STATCOM抑制轴系扭振的控制策略,并提出在STATCOM中引入比例积分谐振(PIR)控制策略和电流内环附加微分控制策略,使得STATCOM对基波及不同模态超、次同步频率电流均实现有效控制。动模系统测试结果表明,STATCOM可以极大地提升对机组轴系扭振的抑制能力,确保机组在交流系统故障等情况下的安全稳定运行。     

单机容量及负荷水平对轴系扭振的影响

本文给出了一种汽轮发电机组轴系扭转振动模态对数衰减率的计算方法.轴系扭振的模态对数衰减率正比于每个振动周期耗散的能量与峰值应能的比值.随着单机容量的增加,汽轮机的转动惯量与发电机的转动惯量之比值增加,轴系的第一阶模态对数衰减率则减小,轴系发生扭转振动的可能性则相应增大.当机组的负荷减小时,作用在汽轮机转子上的蒸汽阻尼下降,从而轴系的模态对数衰减率下降.那么,机组在低负荷的情况下,轴系发生扭转振动的可能性增大.     

电气操作对机组轴承扭振的影响机理

电气操作特别是电气多次操作引起的发电机轴承扭振,严重地影响了发电厂的安全运行,该文使用轴承分段质量块模型中状态变量wI^～和θi构造了表征轴承系扭振强弱的轴系全局能量函数,并在此基础上,构造了等值为两轴段扭振强度的等值能量函数,有利于分析严重受扰轴段扭振的幅值包络线。最后以重合闸操作为例,揭示了多次电气操作引起的轴系扭矩是因为在轴系振动期间又叠加了新的冲击。它可能会加剧或减弱原有的扭振强度,其影响取决于新冲击的大小和施加时刻,选择合适的时刻完成最后一次电气操作,不仅不会加剧扭振反而会减弱原有的扭振。     

多机电力系统扭振相互作用的研究综述

介绍了多机电力系统机组间电气耦合对轴系扭振特性的影响,以及机组自然频率与机组扭振相互作用的关系,并对复杂系统中并列运行的相同发电机和不同发电机间的扭振相互作用进行了分析,归纳了不同运行条件下机组等值简化的基本原则.     

利用电气阻尼抑制双环调速系统轴扭振机理

通常认为机械轴是刚体,实际上都有弹性,要扭转一定角度才能传递转矩。若其弹性变形不可忽略,轴系变成一个振荡环节,有可能导致扭振,曾引发许多电机轴系损坏重大事故。双环调速系统常用的抑制方法是在转速环中插入陷波滤波器,有效果,但较难调。建议通过控制电机转矩引入电气阻尼来抑制扭振,介绍了其原理,指出双环调速系统本身能通过转速反馈引入电气阻尼,使之具有一定抑制能力。介绍了2种进一步加强电气阻尼的方法:增设转速微分环节和负荷观测器。油气钻机在钻井时常发生黏滑振荡,是一种因钻头在从静摩擦过渡到动摩擦时阻转矩突变激发的钻杆弹性扭曲振荡,危害很大。它也属弹性机械轴(钻杆)扭振,也可通过引入电气阻尼来抑制。因其振荡频率特别低(1 Hz)及振荡时电机转速波动非常小,实现方法有所不同。