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风机小信号建模和模态分析
发表时间：2018-11-15 15:24 | 点击率：
风机在风电机组轴系扭振的研究中，风机的建模是一个很 重要的课题。针对风机的机械旋转系统，该文提出三质量块 模型，风机进而得到双馈风电机组单机对无穷大母线系统的小信 号模型，最后通过 Matlab 仿真论证该模型如何用于风电机 组轴系扭振问题的研究，并探讨了含有发电机转子转速控制 器的控制策略对轴系扭振模式的影响。小信号稳定模型包括 机械部分和电气部分。为了便于研究定速风机、定制风机等 机组和多机系统的扭振问题，对风机和电网的各个部分进行 单独建模，形成独立模块，以便于扩展和修改。
2012 年底，全球风电机组累计装机容量达到 282 GW。据预测，到 2030 年，全球电能供应的 20% 将来自于风能。随着越来越多的大容量风电机组接 入电网，风机机械部分和电气部分的相互作用—— 轴系扭振问题受到了广泛的关注。研究表明，由电 力电子设备的快速动作、谐波污染和电力系统故障 等激发的电磁转矩会产生一个负阻尼，如果风机机 械转矩产生的阻尼不足以弥补该负阻尼，那么在扭 振频率附近的机械转矩将会被放大，甚至导致风机 轴系故障的发生。 风机和电网统一模型的建立对于风机轴系扭 振的研究至关重要。目前，一些专家学者已建立了 多种风机模型。忽略风机轴系，将风机 的机械驱动部分简化为集合的单质量块。旋转系统的基本原理，并建立了风机的两质 量块模型。推导了轴系参数的计算公式，进 而建立了相应的风机的三质量块模型，两质量块模 型和单质量块模型，其中在三质量块模型中，质量 块分别为风机、齿轮箱和发电机。文献[9-14]建立 了各类风机的小信号模型。其中，探讨了 大规模双馈型风电场并网后对电力系统小扰动稳 定性的影响，文献[14]建立了完整的双馈风力发电 机组模型，研究了风电对电力系统小干扰稳定及低 频振荡特性的影响。从机理、特征根分析 及仿真等多方面讨论了并网 DFIG 机组的轴系扭振问题。 风机机械旋转部分包括叶片、低速轴、齿轮箱、高速轴和发电子转子，中的三质 量块模型，考虑到齿轮箱的两个啮合齿轮转速不 同，本文将齿轮箱的惯性分摊到高速轴和低速轴， 因此等效的 3 个集中质量块分别为叶片、低速轴和 高速轴(包括发电机转子)。本文进而建立了基于三 质量块模型的双馈风机小信号模型，该模型分为 5 个模块：三质量块模型、感应电机模块、变频器模 块、变频器网侧出口电感及变压器、输电线路模块。 小信号模型能够在 MATLAB 和 PSCAD/EMTDC 等 仿真软件中实现。小信号模型的各个模块分别独 立，便于扩展和修改，以满足其他研究需求。
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