直驅兆瓦風電機組Side-side方向振動抑制系統分析

王明江

（金風科技股份有限公司，烏魯木齊 830026）

0 引言

直驅兆瓦風電機組一般會在發電機轉速—電磁扭矩的閉環控制回路中串聯帶阻濾波器的方式，來抑制機組在切入風速附近以及額定風速附近運行時，由于Side－side方向氣動阻尼小，以及作為電磁扭矩執行機構的全功率變流器被動響應發電機轉速中的Side－side方向一階固有頻率信號所導致的風電機組塔筒Side－side方向的一階固有頻率振動。但帶阻濾波器引入到發電機轉速—電磁扭矩閉環控制回路中，卻可以引起直驅兆瓦風電機組發電機轉速—電磁扭矩閉環控制回路系統超調量增大、塔筒Side－side方向一階固有頻率振動較大，響應速度緩慢，特別是隨著風電機組額定功率和葉輪直徑增大，風電機組達到額定轉速的功率與風電機組額定功率差值越來越大，緩慢的響應速度將導致風電機組在額定轉速下運行時出現非常大的功率波動。

1 直驅兆瓦風電機組Side-side方向振動抑制

1.1 直驅兆瓦風電機組Side－side方向振動抑制工作原理

直驅兆瓦風電機組Side－side方向振動抑制系統原理如圖1所示。風電機組發電機電磁扭矩控制輸入由兩部分疊加構成：

其一，轉速測量模塊輸出的發電機轉速信號經過一個低通濾波器1濾波之后，與發電機轉速設定值進行比較，比較結果作為比例積分PI控制器的輸入，比例積分PI控制器的輸出再經過一個低通濾波器2處理之后，得到直驅兆瓦風電機組電磁扭矩控制輸入構成之一；

其二，風電機組安裝在機艙內的加速度測量模塊，其輸出的Side－side方向加速度信號，依次經過一個帶通濾波器、積分器處理之后，作為一個比例增益模塊的輸入，比例增益模塊的輸出，作為直驅兆瓦風電機組電磁扭矩控制輸入構成之二[2]。

1.2 直驅兆瓦風電機組Side-side方向振動抑制系統的動態特性

為了簡化說明，本文將在發電機轉速—電磁扭矩控制回路中引入帶阻濾波器的技術方案簡稱為方案一，Sideside方向振動抑制技術方案簡稱為方案二。在方案一與方案二的仿真結果與測試數據對比中，方案一用虛線表示，方案二用實線表示。

圖2顯示了發電機電磁扭矩—Side－side方向機艙速度開環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幅值得到大幅度衰減和降低，大幅提升機組運行穩定性。

圖3顯示了風速—Side－side方向機艙速度的開環階躍響應，相比于方案一，方案二可以大幅度降低由風速階躍變化引起的塔筒Side－side方向一階固有頻率振動幅度。

圖4顯示了發電機電磁扭矩—Side－side方向機艙速度的開環階躍響應。相比于方案一，方案二可以大幅度降低由發電機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幅度。

圖5、圖7顯示了發電機轉速—電磁扭矩閉環bode圖，方案二比方案一在閉環系統帶寬上大幅度增加[4]，相應閉環系統響應時間大幅縮短，響應速度大大提高；方案二比方案一在塔筒Side－side方向一階固有頻率信號上有大幅度衰減，意味著機組發電運行時塔筒Side－side方向加速度一階固有頻率信號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顯示了發電機轉速—電磁扭矩閉環階躍響應。方案二比方案一超調量大幅降低，對應于風電機組在額定風速以下運行時，發電機轉速波動幅度大幅減小，功率波動幅度大幅度降低。

圖1 直驅兆瓦風電機組Side-side方向振動抑制系統原理

圖2 發電機電磁扭矩—Side-side方向機艙速度開環bode圖

圖3 風速—Side-side方向機艙速度的開環階躍響應

1.3 直驅兆瓦風電機組Side-side方向振動抑制系統在切入風速附近的補償方案

圖4 發電機電磁扭矩—Side-side方向機艙速度的開環階躍響應

圖5 帶阻濾波器技術方案發電機轉速—電磁扭矩閉環bode圖

圖6 帶阻濾波器技術方案發電機轉速—電磁扭矩閉環階躍響應

在切入風速附近，發電機轉速—電磁扭矩閉環PI計算的發電機電磁扭矩給定值比較小，為了防止引入Sideside速度至發電機扭矩給定值控制回路導致發電機工作在電動機模式，對于Side－side振動抑制系統而言，只有當發電機轉速—電磁扭矩閉環PI計算的發電機電磁扭矩給定值超過一定的閾值時，才會啟動Side－side加阻功能。

圖7 Side-side加阻技術方案發電機轉速—電磁扭矩閉環bode圖

圖8 Side-side加阻技術方案發電機轉速—電磁扭矩閉環階躍響應

圖9中在3－4m/s湍流風下，由于發電機轉速一電磁扭矩PI控制增益選擇較大，導致首先在發電機轉速信號中激勵了比較明顯的塔筒Side－side方向一階固有頻率的信號，在被發電機轉速一電磁扭矩PI控制響應之后，導致風電機組產生Side－side方向塔筒一階固有頻率振動，此時發電機電磁扭矩給定值范圍正好對應于Side－side振動抑制功能關閉情況下。

為了避免在切入風速附近由于Side－side振動抑制功能關閉所導致的機組Side－side方向塔筒一階固有頻率振動，可以采取在切入風速附近，大幅降低發電機轉速一電磁扭矩閉環PI控制增益的辦法來實現。

從圖10和圖11的對比可以發現，通過降低發電機轉速一電磁扭矩閉環PI控制參數的增益值，可以大幅度衰減發電機轉速一電磁扭矩閉環PI控制系統bode圖中塔筒Side－side方向一階固有頻率信號，從而避免切入風速附近由于Side－side塔筒加阻功能關閉所導致的塔筒Side－side方向一階固有頻率振動。

圖9 直驅兆瓦機組在切入風速附近發生振動故障時的運行數據

圖10 切入風速附近保持發電機轉速一電磁扭矩閉環PI控制參數時的閉環bode圖

圖11 切入風速附近減小發電機轉速一電磁扭矩閉環PI控制參數時的閉環bode圖

1.4 直驅兆瓦風電機組Side-side方向振動抑制系統的bladed軟件仿真與試驗結果

圖12、圖13顯示了直驅兆瓦機組在額定風速以上仿真運行結果中Side－side方向加速度時域信號和頻域譜密度比較，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顯示了直驅兆瓦機組在額定風速以上運行時，仿真結果中塔筒底部Mx彎矩時域信號和頻域譜密度比較，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機組在16m/s平均風速的湍流風下，2min運行時間內Side－side方向測試加速度時域數據和頻域譜密度對比[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方向振動抑制技術方案與帶阻濾波器方案在額定風速以上運行時Side-side方向加速度時域仿真信號比較

圖13 Side-side方向振動抑制技術方案與帶阻濾波器方案在額定風速以上運行時Side-side方向加速度譜密度仿真信號比較

圖14 Side-side方向振動抑制技術方案與帶阻濾波器方案在額定風速以上運行時塔筒底部Mx彎矩時域仿真信號比較

圖15 Side-side方向振動抑制技術方案與帶阻濾波器方案在額定風速以上運行時塔筒底部Mx彎矩頻域譜密度仿真信號比較

2 結論

本文從動態響應特性、bladed軟件仿真結果以及實際測試數據三個方面，對發電機轉速—電磁扭矩控制回路中引入帶阻濾波器的技術方案和Side－side方向振動抑制技術方案進行了對比，通過對比發現：

（1）Side－side方向振動抑制技術方案設計的控制系統具有更小的超調量、更大的帶寬和更快的響應速度，因此具有更好的動態響應特性；

圖16 Side-side方向振動抑制技術方案與帶阻濾波器方案在16m/s湍流風下Side-side加速度實測數據比較

圖17 Side-side方向振動抑制技術方案與帶阻濾波器方案在16m/s湍流風下Side-side加速度實測數據譜密度比較

（2）對Side－side方向一階固有頻率振動具有更好的抑制效果，一方面大幅降低Side－side方向振動加速度超閾值的發生概率，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.

[3] E.A.Bossanyi.GH Bladed Version 3.82 User Manual[M].2009.

[4] 胡壽松.自動控制原理[M].北京:科學出版社,2001.

[5] 丁正生.概率論與數理統計簡明教程[M].北京:高等教育出版社,2005.