叶轮不平衡故障下双馈风力发电机运行特性分析及控制研究

摘要

风能因其洁净、绿色无污染而日渐成为世界各国争相发展的新能源，风力发电技术也因此成为世界领域的重点研究课题。随着风力发电技术的迅猛发展，风电机组单机容量和叶片长度也快速增长，机组传动链的柔性增大、阻尼变小，这使得风力机气动载荷的变化对整个机组的影响也变得更加复杂和不易控，因此研究气动载荷变化对风力机气动特性、发电机运行特性以及相关控制策略的影响变得非常重要。叶轮不平衡故障是影响风力机气动载荷及其气动特性的重要因素，也是风电机组的常见故障。目前对该故障的研究尚不够全面，尤其是故障对发电机和相应控制策略的影响研究还较少，故障诊断机制不完善。因此本课题以双馈风力发电机组为例，针对叶轮不平衡故障展开了系统研究。首先分析了叶轮不平衡故障的常见类型和机理;重点阐述了故障对双馈风力发电机(DFIG)电气特性的影响以及如何建立故障的诊断机制;还研究了机组最大风能追踪(MPPT)控制策略与故障的交叉耦合;探索了如何通过改进控制策略减少故障对机组发电效率和电能质量的影响。具体的工作和研究内容如下:
　　(1)搭建了适合叶轮不平衡故障模拟和分析的仿真平台，该平台全面考虑了风力机空气动力学、动量-叶素理论(BEM)、机舱和塔座以及传动链的结构动力学、双馈发电机暂态特性及其矢量控制策略，为叶轮不平衡故障和机组特性仿真结果的正确性打下基础。
　　(2)叶轮不平衡故障主要包括叶轮质量不平衡和气动不对称。首先分析了叶轮质量不平衡故障的机理，提出一种基于传动链模型和dq坐标变换相结合的分析方法，从而获得了故障时双馈风力发电机的电气特性变化，主要包括转子电流、定予电流和功率特性，并进行了仿真和实验验证。
　　(3)分析了叶轮气动不对称故障的机理，由于叶片翼型的改变，使得叶轮输出的气动载荷发生改变，引入了不对称切向附加力、轴向附加力、附加转矩和附加弯矩的概念，分析了气动载荷的变化对DFIG电气特性的影响，首次获得了叶轮气动不对称故障下DFIG转子电流、定子电流的变化特点，提出了一种基于DFIG定、转子电流和功率特性的叶轮气动不对称故障诊断方法。
　　(4)分析了变速恒频风力发电机组的运行区域和相应的控制特点，重点讨论了基于最佳功率-转速曲线的最大风能追踪控制策略的两种模式，并分析了MPPT控制与故障的交叉作用与耦合，结合转子侧变换器(RSC)矢量控制(VC)策略分析了故障对机组机电气特性的影响，得出了一些新的结论。
　　(5)叶轮不平衡故障造成气动转矩周期波动，甚至较大幅度下降，不仅加剧机组的振动，影响机组的寿命，还会进一步影响机组输出的电能质量，降低发电效率。这些问题与风力发电机组传动系柔性大、阻尼小存在很大关系。从机组动力源头出发，分析了气动载荷波动沿机组传动链传递的过程，解析求解了机组的阻尼特征。提出了一种增加机组传动链阻尼的转矩补偿策略，在一定程度上抑制了气动载荷波动所造成的机组故障谐波，改善了机组电气参量的波形，提高了电能质量。
　　论文系统研究了风力发电机组叶轮不平衡故障的机理、故障对双馈风力发电机电气特性的影响、考虑了机组控制策略与故障的交叉作用以及载荷造成的谐波抑制策略。论文的研究内容丰富、完善了叶轮不平衡故障的理论体系，对于降低机组振动、提高机组寿命和发电效率、降低发电成本具有一定的现实意义。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及研究的目的和意义

1．2 双馈风力发电系统及叶轮不平衡故障

1．2．1 所研究的机组结构

1．2．2 叶轮不平衡故障

1．3 国内外研究现状

1．3．1 叶轮不平衡故障研究现状

1．3．2 机组相关控制策略

1．3．3 载荷波动及故障谐波抑制策略

1．4 论文研究内容

1．5 本章小结

第2章 双馈风力发电机组建模及仿真

2．1 引言

2．2 风力机空气动力学模型

2．2．1 风力机空气动力学理论

2．2．2 叶片气动力学

2．3 机械结构力学模型

2．3．1 机舱塔座振动模型

2．3．2 传动链模型

2．4 双馈风力发电机及其控制模型

2．4．1 DFIG数学模型

2．4．2 DFIG转子侧变换器控制策略

2．4．3 DFIG网侧变换器控制模型

2．5 仿真模型验证分析

2．5．1 阶跃风速仿真

2．5．2 无功功率阶跃仿真

2．6 本章小结

第3章 叶轮质量不平衡故障下发电机特性分析

3．1 引言

3．2 叶轮质量不平衡机理分析

3．3 双馈风力发电机特性分析

3．3．1 DFIG工作原理

3．3．2 发电机定、转子电流分析

3．4 故障谐波频率提取方法

3．4．1 MUSIC算法基本原理

3．4．2 改进MUSIC算法

3．4．3 MMUSIC算法仿真分析

3．5 叶轮质量不平衡故障仿真分析

3．6 实验分析

3．7 本章小结

第4章 叶轮气动不对称故障下发电机特性分析

4．1 引言

4．2 叶轮气动不对称机理分析

4．3 双馈风力发电机特性分析

4．4 仿真分析

4．4．1 气动载荷计算

4．4．2 恒定风速下仿真分析

4．4．3 随机风速下仿真分析

4．5 本章小结

第5章 MPPT控制策略下叶轮不平衡故障分析

5．1 引言

5．2 最大风能追踪控制

5．2．1 风力发电机组运行区域

5．2．2 最大风能追踪控制原理

5．2．3 基于最佳功率-转速曲线的MPPT控制

5．3 最佳功率-转速曲线MPPT控制模式(Ⅱ)下故障分析

5．3．1 转子侧变换器控制分析

5．3．2 转子电流分析

5．3．3 定子电流分析

5．3．4 输出功率分析

5．3．5 机组振动分析

5．4 希尔伯特包络解调法

5．4．1 希尔伯特包络解调原理

5．4．2 希尔伯特包络解调仿真分析

5．5 叶轮不平衡故障仿真分析

5．6 实验验证

5．7 本章小结

第6章 基于小信号分析的故障谐波抑制策略

6．1 引言

6．2 小信号分析法

6．3 基于小信号分析的故障谐波抑制

6．3．1 传动链阻尼分析

6．3．2 等效电磁转矩控制

6．3．3 转矩补偿分析

6．3．4 转速小信号分析

6．4 仿真验证

6．5 本章小结

7．1 结论

7．2 论文展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介