学术︱机械轴系模型对直驱永磁同步风力发电机暂态分析的影响
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新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学）的研究人员刘忠义、刘崇茹、李庚银，在2016年第2期《电工技术学报》上撰文，主要研究机械轴系模型对直驱永磁同步风力发电机暂态分析的影响。利用能量守恒原理从理论上详细分析了直驱风机机械轴系分别采用两质块模型和单质块模型时机组的暂态响应情况，阐明了不同机械轴系模型造成直驱风机暂态分析结果差异的机理。
然后通过时域仿真研究了直驱风机采用不同机械轴系模型以及不同控制方法时的暂态响应特性，验证了理论分析的正确性，并给出了适用于直驱风机暂态分析的机械轴系模型选取原则。
研究结果表明：相较两质块模型，单质块模型会使直驱风机机械轴系的暂态振荡幅度偏小；没有附加阻尼控制的直驱风机，其机械轴系应该使用两质块模型进行暂态研究；具有附加阻尼控制的直驱风机，则可以采用单质块模型模拟机械轴系的暂态行为。
近年来，风力发电在中国快速发展，截至2013年，中国累计风电装机容量9 141万kW，位居世界第一位。随着风电并网规模的增大，风力发电机的暂态特性对电力系统会产生重要影响，准确分析和掌握风机的暂态行为将有助于电力系统的安全稳定运行。在风机的暂态分析中，机组机械轴系的动态特性是一个需要充分考虑的因素[1,2]。
不同类型风力发电机的机械轴系特性不尽相同。目前，得到广泛应用的风力发电机主要有三种：笼型感应异步风力发电机（wind turbine with Squirrel Cage Induction Generator,SCIG），双馈感应异步风力发电机（wind turbine with Doubly-Fed Induction Generator,DFIG）以及直驱永磁同步风力发电机（wind turbine with direct-driven Permanent MagnetSynchronous Generator, PMSG）[3]。
SCIG和DFIG具有相同的机械轴系结构，它们的机械轴系均包含风轮机、低速传动轴、齿轮箱、高速传动轴和发电机五部分，齿轮箱的存在会使传动轴具有较大柔性。研究表明，在针对SCIG和DFIG的暂态分析中，使用考虑传动轴柔性的机械轴系两质块模型就可以有效表征风机的暂态特性并能获得准确的分析结果，而使用不考虑传动轴柔性的机械轴系单质块模型则会导致分析出现误差[4-7]。
PMSG的机械轴系结构与SCIG和DFIG不同，PMSG的机械轴系仅含有风轮机、低速传动轴和发电机三部分，风轮机和发电机同轴相连，没有齿轮箱。PMSG传动轴的柔性来自于永磁发电机的多极结构，发电机的极对数越多，传动轴的柔性越大[8]。
PMSG还具有与SCIG和DFIG不同的并网拓扑，机组的发电机经全功率变流器接入电网，不直接与电网相连，再加上PMSG自身控制策略的作用，电网侧的故障扰动对PMSG发电机侧的影响不大，机组机械轴系的暂态响应微弱[9,10]。
所以PMSG的机械轴系具有与异步风力发电机不同的暂态特性，因此，关于SCIG和DFIG机械轴系暂态模型的研究结论不能直接应用到PMSG的暂态分析中。
现有研究针对PMSG机械轴系暂态模型的选取还没有形成统一的结论。文献[11-15]认为PMSG没有齿轮箱，传动轴近似为刚性连接，发电机定子绕组经全功率变流器与电网隔离，暂态分析时可以用单质块模型模拟机械轴系。文献[16-20]则认为由于传动轴的刚度与发电机的极对数成反比，所以具有多极结构的PMSG，其机械轴系的柔性不能忽略，暂态分析时为了获得准确的结果，机械轴系应该使用两质块模型表示。
为了解决上述分歧，并能够使用合适的机械轴系模型进行PMSG的暂态分析，有必要深入研究机械轴系模型对PMSG暂态分析结果的影响。文献[21]仿真对比了机械轴系分别采用两质块和单质块模型时PMSG的暂态特性，并认为无论机械轴系采用几质块模型，网侧故障引起的机侧暂态响应都非常小，在误差允许的范围内几乎可以忽略。
然而文献[21]的分析对象是具有附加阻尼控制的PMSG，没有考虑PMSG采用无附加阻尼的传统控制方法时的情况，研究内容并不全面，而且文献[21]仅基于暂态仿真进行分析，没有给出PMSG机械轴系模型影响的理论解释。
针对上述问题，本文根据能量守恒原理，从理论上详细分析了分别使用两质块模型和单质块模型模拟PMSG机械轴系时机组的暂态响应情况，阐明了这两种模型造成PMSG暂态分析结果差异的机理。
然后通过搭建PMSG单机接入无穷大系统的仿真算例，在机组机械轴系分别采用两质块模型和单质块模型的情况下仿真研究了PMSG使用无附加阻尼控制的传统控制方法时的暂态响应特性，并与风机控制加入阻尼控制器后的情况进行了对比，验证了理论分析的正确性，给出了适用于PMSG暂态分析的机组机械轴系模型的选取原则。
图1 PMSG结构
结论
本文利用能量守恒原理，从理论上详细分析了分别使用两质块模型和单质块模型模拟机械轴系时PMSG的暂态响应特性，阐明了不同机械轴系模型造成PMSG暂态分析结果差异的机理。通过时域仿真，验证了理论分析的正确性，并给出了适用于PMSG暂态分析的机械轴系模型选取原则。本文所做研究得到如下结论：
（1）机械轴系的等效模型会影响到PMSG的暂态分析结果。与两质块模型相比，机械轴系的单质块模型会放大机组转动惯量的惯性作用并能忽略掉传动轴扭转的能量影响，从而使PMSG机械轴系暂态振荡的幅度偏小。
（2）当PMSG采用无附加阻尼控制的传统控制方法时，使用单质块模型模拟机械轴系，所得分析结果会掩盖PMSG在网侧严重扰动情况下的欠阻尼暂态失稳现象，从而产生PMSG暂态稳定性分析结论的误差。所以在对无附加阻尼控制的PMSG进行暂态分析时，为了获得准确的分析结果，应该使用两质块模型模拟机械轴系的暂态行为。
（3）当PMSG具有附加阻尼控制器时，机械轴系微弱的暂态响应能够得到有效的阻尼作用，不会引起PMSG暂态失稳。分别使用两质块模型和单质块模型模拟PMSG的机械轴系能够得到一致的机组暂态稳定性分析结论，所得机组暂态响应的差距也很小。出于简化分析复杂度和加快仿真速度的目的，可以使用单质块模型模拟具有附加阻尼控制的PMSG的机械轴系。
本文的研究结论将有助于研究人员在针对PMSG的暂态分析中能够使用合适的机械轴系模型，从而方便研究过程并能获得准确的分析结果。
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