缑觐

摘  要：可再生能源是现今乃至未来一段时间能源发展的热门话题。我国在东南沿海和西北风场都设立有风力发电机组。永磁同步风电机组是变速恒频风力发电系统中的一种。在永磁同步风电机组运动过程中受风剪切力、风速等多种因素的影响导致永磁同步风电机组传动轴振动。为了解决这一问题，在不改变传动轴机械阻尼的前提下，通过提高系统的电气阻尼来控制传动轴的扭振进行抑制。保障永磁同步风电机组的正常运行。

关键词：永磁同步风电机组;传动轴;扭振;控制

中图分类号：TP274              文献标志码：A

0 前言

永磁同步风电机组体积庞大，其传动轴在运动的过程中受到的承载力极大，其“柔性”已不可忽略，再加上需要考虑到风速、其他扰动和风力大小等因素的影响导致传递轴承受着极大的振动作用力。通过对传动轴振动的测量分析发现作用于传动轴上的振动力来自于外作用力综合作用下的刚性振动力和因轴系“柔性”所引发的扭振力。为了抑制永磁同步风电机组传动轴上的振动，可以通过向永磁同步风电机组系统中加入电子阻尼提高系统的总阻尼用以完成对于永磁同步风电机组传动轴振动的抑制。

1 永磁同步风电机组传动轴振动的分析

永磁同步风电机组传动轴的振动主要分为刚性机械振动和电气系统所引起的扭振。2种振动共同作用于永磁同步风电机组传动轴，进而导致永磁同步风电机组传动轴的输出功率波幅较大，不仅影响了永磁同步风电机组的使用寿命，同时也影响永磁同步风电机组的发电质量，容易造成并网电压的闪变。在不考虑永磁同步风电机组传动轴机械振动影响的作用下利用电气控制阻尼的方式抑制并消除扭振，能够有效地提升永磁同步风电机组传动轴的使用寿命和运动特性。通过对永磁同步风电机组传动轴运动时的振动进行建模分析后发现，在永磁同步风电机组控制系统参数Ki一定的情况下，永磁同步风电机组控制系统出现了3个谐振点。其中第一、三谐振频率点由控制系统所产生，而第二谐振点则为永磁同步风电机组的固有频率点。永磁同步风电机组传动轴振动频率靠近上述3个谐振点时将会引起永磁同步风电机组的谐振，进而影响永磁同步风电机组的正常使用。其中第一谐振点所引起的谐振为刚性振动，该谐振点的振动频率较低，其振动为低频振荡。而第二、三谐振点的振动频率较高，其所引起的振动将会激励轴系的谐振模态，容易引起永磁同步风电机组的轴系扭振。扭振对永磁同步风电机组传动轴的影响较大。总体来说，作用于永磁同步风电机组传动轴上的扰动力较多，如风速变化、开关元件所引起的信号污染等，上述扰动力共同作用于永磁同步风电机组传动轴上并覆盖永磁同步风电机组运动所产生的中低频率区段。

通过调整永磁同步风电机组控制系统的参数Ki增大永磁同步风电机组的谐振频率点将能够有效地抑制永磁同步风电机组传动轴的扭振。通过对永磁同步风电机组控制系统进行分析，作用在中低频率区段传动函数增益越小，其永磁同步风电机组的抗干扰性能越强。

2 永磁同步风电机组传动轴扭振建模分析

结合永磁同步风电机组的运动情况完成对于永磁同步风电机组风电系统的构建。通过观测模型所产生的风轮转速的波动可以获得永磁同步风电机组传动轴运动过程中所承受的刚性振动力。同时通过测量相关参数可以觀测到永磁同步风电机组传动轴上的扭振。当永磁同步风电机组采用MPPT控制时，调整参考转速，将风机叶尖速比保持在最优值，用以测到永磁同步风电机组的风速信息。永磁同步风电机叶片受塔影效应与风剪效应的影响，叶片风轮回转面上的风速大小不规则。建模时设定永磁同步风电机组叶片在转动时的会产生3次的波动变化，这一波动频率接近风轮选择频率的3倍。在风速中的3P分量的作用于机组下，将会使得永磁同步风电机组风轮转速、发电机转速、风能利用系数、轴系扭振角度以及直流母线的电压、电磁转矩、电磁功率中都含有与塔影风、剪切风相同的频率3P分量，从而导致永磁同步风电机组在该频率下产生刚性振动。通过对所建模的结果进行分析后确定永磁同步风电机组的刚性振动频率谐振点分布在中、低频段，其激励来自于塔影风与剪切风。

3 永磁同步风电机组传动轴振动抑制

在完成对于永磁同步风电机组传动轴扭振的控制时，仅仅依靠调整永磁同步风电机组控制系统的增益是不够的，需要在原有的控制环节加入转速控制环和转矩控制环来补偿转速和转矩，从而使得永磁同步风电机组控制系统的谐振点频率增大，完成对于永磁同步风电机组传动轴扭振的抑制。

结合永磁同步风电机组传动轴的模型，确定电气阻尼的变化对永磁同步风电机组传动轴扭振的抑制作用。结合模型对相关参数进行分析，在电气阻尼μ变化的条件下，永磁同步风电机组传动轴的扭振得到了一定的抑制。以第一组参数下的电机转速、轴系的扭转角度、直流母线电压、电磁转矩和电磁功率等参数为例，上述各参数中都含有扭振的影响，通过调整阻尼μ至0.5，η增大至1将使得永磁同步风电机组的扭振被完全控制，使得由塔影风、切变风所引起的永磁同步风电机组传动轴低频振荡得到了一定的控制。

在永磁同步风电机组控制系统中，借助于调整参数可以抑制机械振动。调整参数μ可以控制并抑制永磁同步风电机组传动轴的刚性振动。而通过调整参数η可以抑制永磁同步风电机组传动轴的扭振，当参数增大至1时永磁同步风电机组传动轴的扭振将全部被抑制。在调整永磁同步风电机组传动轴控制参数时需要结合永磁同步风电机组的运动特性合理地进行调整，确保永磁同步风电机组运动处于最佳状态。在μ和η调整时风电电机功率曲线如图1所示。

4 结语

永磁同步风电机组传动轴的振动严重影响永磁同步风电机组传动轴的使用寿命和使用质量。为了增强对于永磁同步风电机组传动轴的控制抑制传动轴振动，可以通过采用在控制系统中加入转速控制环与转矩控制环完成对于永磁同步风电机组传动轴转速和转矩的补偿。从而使得永磁同步风电机组传动轴具有更强的抗干扰能力，完成对于机械振动和扭振的抑制。提高永磁同步风电机组的发电质量。

参考文献

[1]刘军，周飞航，刘飞.永磁同步风电机组传动轴振动分析与抑制[J].电工技术学报，2018（4）：930-942.

[2]秦世耀，李少林，王瑞明，等.大容量永磁同步风电机组系统谐振与抑制策略[J].电力系统自动化，2014（22）：11-16.