直驱兆瓦风电机组Side-side方向振动抑制系统分析

王明江

（金风科技股份有限公司，乌鲁木齐 830026）

0 引言

直驱兆瓦风电机组一般会在发电机转速—电磁扭矩的闭环控制回路中串联带阻滤波器的方式，来抑制机组在切入风速附近以及额定风速附近运行时，由于Side－side方向气动阻尼小，以及作为电磁扭矩执行机构的全功率变流器被动响应发电机转速中的Side－side方向一阶固有频率信号所导致的风电机组塔筒Side－side方向的一阶固有频率振动。但带阻滤波器引入到发电机转速—电磁扭矩闭环控制回路中，却可以引起直驱兆瓦风电机组发电机转速—电磁扭矩闭环控制回路系统超调量增大、塔筒Side－side方向一阶固有频率振动较大，响应速度缓慢，特别是随着风电机组额定功率和叶轮直径增大，风电机组达到额定转速的功率与风电机组额定功率差值越来越大，缓慢的响应速度将导致风电机组在额定转速下运行时出现非常大的功率波动。

1 直驱兆瓦风电机组Side-side方向振动抑制

1.1 直驱兆瓦风电机组Side－side方向振动抑制工作原理

直驱兆瓦风电机组Side－side方向振动抑制系统原理如图1所示。风电机组发电机电磁扭矩控制输入由两部分叠加构成：

其一，转速测量模块输出的发电机转速信号经过一个低通滤波器1滤波之后，与发电机转速设定值进行比较，比较结果作为比例积分PI控制器的输入，比例积分PI控制器的输出再经过一个低通滤波器2处理之后，得到直驱兆瓦风电机组电磁扭矩控制输入构成之一；

其二，风电机组安装在机舱内的加速度测量模块，其输出的Side－side方向加速度信号，依次经过一个带通滤波器、积分器处理之后，作为一个比例增益模块的输入，比例增益模块的输出，作为直驱兆瓦风电机组电磁扭矩控制输入构成之二[2]。

1.2 直驱兆瓦风电机组Side-side方向振动抑制系统的动态特性

为了简化说明，本文将在发电机转速—电磁扭矩控制回路中引入带阻滤波器的技术方案简称为方案一，Sideside方向振动抑制技术方案简称为方案二。在方案一与方案二的仿真结果与测试数据对比中，方案一用虚线表示，方案二用实线表示。

图2显示了发电机电磁扭矩—Side－side方向机舱速度开环bode图[3]。相比于方案一，方案二可以使塔筒Side－side方向一阶固有频率振动幅值得到大幅度衰减和降低，大幅提升机组运行稳定性。

图3显示了风速—Side－side方向机舱速度的开环阶跃响应，相比于方案一，方案二可以大幅度降低由风速阶跃变化引起的塔筒Side－side方向一阶固有频率振动幅度。

图4显示了发电机电磁扭矩—Side－side方向机舱速度的开环阶跃响应。相比于方案一，方案二可以大幅度降低由发电机电磁扭矩阶跃变化引起的塔筒Side－side方向一阶固有频率振动幅度。

图5、图7显示了发电机转速—电磁扭矩闭环bode图，方案二比方案一在闭环系统带宽上大幅度增加[4]，相应闭环系统响应时间大幅缩短，响应速度大大提高；方案二比方案一在塔筒Side－side方向一阶固有频率信号上有大幅度衰减，意味着机组发电运行时塔筒Side－side方向加速度一阶固有频率信号振荡幅值大幅度减小，塔底Mx弯矩疲劳载荷大幅度降低。

图6、图8显示了发电机转速—电磁扭矩闭环阶跃响应。方案二比方案一超调量大幅降低，对应于风电机组在额定风速以下运行时，发电机转速波动幅度大幅减小，功率波动幅度大幅度降低。

图1 直驱兆瓦风电机组Side-side方向振动抑制系统原理

图2 发电机电磁扭矩—Side-side方向机舱速度开环bode图

图3 风速—Side-side方向机舱速度的开环阶跃响应

1.3 直驱兆瓦风电机组Side-side方向振动抑制系统在切入风速附近的补偿方案

图4 发电机电磁扭矩—Side-side方向机舱速度的开环阶跃响应

图5 带阻滤波器技术方案发电机转速—电磁扭矩闭环bode图

图6 带阻滤波器技术方案发电机转速—电磁扭矩闭环阶跃响应

在切入风速附近，发电机转速—电磁扭矩闭环PI计算的发电机电磁扭矩给定值比较小，为了防止引入Sideside速度至发电机扭矩给定值控制回路导致发电机工作在电动机模式，对于Side－side振动抑制系统而言，只有当发电机转速—电磁扭矩闭环PI计算的发电机电磁扭矩给定值超过一定的阈值时，才会启动Side－side加阻功能。

图7 Side-side加阻技术方案发电机转速—电磁扭矩闭环bode图

图8 Side-side加阻技术方案发电机转速—电磁扭矩闭环阶跃响应

图9中在3－4m/s湍流风下，由于发电机转速一电磁扭矩PI控制增益选择较大，导致首先在发电机转速信号中激励了比较明显的塔筒Side－side方向一阶固有频率的信号，在被发电机转速一电磁扭矩PI控制响应之后，导致风电机组产生Side－side方向塔筒一阶固有频率振动，此时发电机电磁扭矩给定值范围正好对应于Side－side振动抑制功能关闭情况下。

为了避免在切入风速附近由于Side－side振动抑制功能关闭所导致的机组Side－side方向塔筒一阶固有频率振动，可以采取在切入风速附近，大幅降低发电机转速一电磁扭矩闭环PI控制增益的办法来实现。

从图10和图11的对比可以发现，通过降低发电机转速一电磁扭矩闭环PI控制参数的增益值，可以大幅度衰减发电机转速一电磁扭矩闭环PI控制系统bode图中塔筒Side－side方向一阶固有频率信号，从而避免切入风速附近由于Side－side塔筒加阻功能关闭所导致的塔筒Side－side方向一阶固有频率振动。

图9 直驱兆瓦机组在切入风速附近发生振动故障时的运行数据

图10 切入风速附近保持发电机转速一电磁扭矩闭环PI控制参数时的闭环bode图

图11 切入风速附近减小发电机转速一电磁扭矩闭环PI控制参数时的闭环bode图

1.4 直驱兆瓦风电机组Side-side方向振动抑制系统的bladed软件仿真与试验结果

图12、图13显示了直驱兆瓦机组在额定风速以上仿真运行结果中Side－side方向加速度时域信号和频域谱密度比较，方案二比方案一在Side－side方向一阶固有频率有非常大幅度的衰减。

图14、图15显示了直驱兆瓦机组在额定风速以上运行时，仿真结果中塔筒底部Mx弯矩时域信号和频域谱密度比较，方案二比方案一在一阶固有频率上有非常大幅度的衰减。

图16、图17 显示了1.5MW机组在16m/s平均风速的湍流风下，2min运行时间内Side－side方向测试加速度时域数据和频域谱密度对比[5]，方案二比方案一在Side－side方向一阶固有频率加速度有更大的衰减。

图12 Side-side方向振动抑制技术方案与带阻滤波器方案在额定风速以上运行时Side-side方向加速度时域仿真信号比较

图13 Side-side方向振动抑制技术方案与带阻滤波器方案在额定风速以上运行时Side-side方向加速度谱密度仿真信号比较

图14 Side-side方向振动抑制技术方案与带阻滤波器方案在额定风速以上运行时塔筒底部Mx弯矩时域仿真信号比较

图15 Side-side方向振动抑制技术方案与带阻滤波器方案在额定风速以上运行时塔筒底部Mx弯矩频域谱密度仿真信号比较

2 结论

本文从动态响应特性、bladed软件仿真结果以及实际测试数据三个方面，对发电机转速—电磁扭矩控制回路中引入带阻滤波器的技术方案和Side－side方向振动抑制技术方案进行了对比，通过对比发现：

（1）Side－side方向振动抑制技术方案设计的控制系统具有更小的超调量、更大的带宽和更快的响应速度，因此具有更好的动态响应特性；

图16 Side-side方向振动抑制技术方案与带阻滤波器方案在16m/s湍流风下Side-side加速度实测数据比较

图17 Side-side方向振动抑制技术方案与带阻滤波器方案在16m/s湍流风下Side-side加速度实测数据谱密度比较

（2）对Side－side方向一阶固有频率振动具有更好的抑制效果，一方面大幅降低Side－side方向振动加速度超阈值的发生概率，另一方面大幅降低塔筒底部Mx弯矩疲劳载荷。

[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] 胡寿松.自动控制原理[M].北京:科学出版社,2001.

[5] 丁正生.概率论与数理统计简明教程[M].北京:高等教育出版社,2005.