学术︱并网双馈感应风电机组的轴系扭转特性研究
中国电工技术学会主办，2017年6月21-24日在河北省张北县举办，大会围绕新能源发展战略、系统关键技术、微电网及储能等重要议题展开交流。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
国网山西省电力公司检修公司的研究人员王鹏敏，在2017年第1期《电气技术》杂志上撰文指出，风力发电机作为结构复杂的电气设备，通常运行在恶劣的自然环境中。由于风电机组内部用于连接关键部件的传动轴刚度有限，来自风速的随机变化和电网故障的扰动，会对机组各部分的动态响应造成重要影响，将直接影响风电机组和并网系统的稳定运行。
本文通过搭建机械传动链的三质块等效模型，分析了机组各部分处于风速扰动和电网故障时的动态响应，机组关键参数变化对稳定性的影响，以及机组可能出现的振荡模式及扭转特性。该研究结果对于风电机组的设计、稳定运行及使用寿命的提高，具有重要的指导意义。
随着我国风力发电规模不断扩大，风电机组在并网运行中的安全性和稳定性问题日益突出[1-7]。风力发电机与传统汽轮发电机不同，它们通常运行在恶劣的自然环境中且风速变化具有显著的随机性，加之其内部连接重要部件并传递动力的传动轴刚度有限。
因此，在风电机组并网运行时，运行条件的复杂多变将可能导致并网机组各个部件之间发生扭转振荡[7-9]。于是，深入研究并网机组在风速扰动和电网故障等运行条件下的暂态稳定性问题，详细分析机组各个部件之间可能发生的扭转振荡模式和特性，具有重要的理论意义和现实指导作用。
文献[1-7]认为，机械传动链的单质块等效模型已不足以分析机组的暂态响应情况，并通过考虑机械传动链的不同等效模型，如单质块、两质块和三质块等效模型，分析了风电机组在不同运行情况下的暂态稳定性。文献[5-7]进一步提出机械传动链的三质块等效模型能更准确的描述机组各部件的暂态响应情况。
文献[7-9]通过对比现代风电机组与常规汽轮机组，指出现代风电机组中风力机与发电机的惯性相差甚大，机械传动链的刚度系数又极为有限，这些特点都将使风电机组在扰动过程中，传动轴出现一定程度的扭转振荡，导致发电机转子转速波动，甚至振荡，并可能对并网系统的电压、功率等造成不可逆的重大影响。
本文基于双馈感应发电机组，对机械传动链建立三质块等效模型，通过搭建并网运行系统仿真模型，深入分析了机组在风速扰动和电网故障等运行条件下的稳定性，以及机械传动链各部分的动态响应情况和可能造成的影响；探讨机组中关键参数变化对稳定性的影响；并进一步研究了各质块间可能出现的振荡模式和扭转振荡特性。
图2 并网风力发电系统
结论
通过仿真计算得到以下结论：
1）该等效模型可以精确描述机组各部分在扰动时的暂态响应过程，反映各质块自身转速和各质块之间相互转矩的振荡状态及变化过程。
2）系统出现扰动时，变化的扭矩将引起发电机组转子转速发生波动，甚至是振荡，进而导致传动轴出现扭曲或松弛现象。
3）自然界风速的客观随意变化，并网系统故障发生的不确定性等因素，都会使得传动轴上承受的扭矩反复且经常大幅变化，从而造成其疲劳寿命不断叠加、使用寿命渐渐缩短。当传动轴的全部疲劳寿命都损耗完毕时，传动轴会逐渐出现裂纹、更有甚是断裂等更为严重的缺陷，将直接关系并网风电系统的安全、稳定。因此，本文研究结果对于传动轴及整个机械传动链在总体改善设计、延长使用寿命及保障并网机组安全稳定运行等方面，具有非常重要的实践指导作用。
4）增大各质块的惯性常数或刚度系数，均利于风电机组在系统故障后的暂态稳定。
5）所建系统存在一个衰减和两个振荡模式。在衰减模式0下，各个等效质块同步旋转，作为一个整体相对于系统进行振荡，不存在相对振荡，且主要受风轮与发电机转子的影响。在振荡模式1和2下，扭转振荡频率分别为1.05Hz 和2.45Hz，极性反转分别为一次和两次，且主要受轮毂与发电机转子的影响。
6）在实际运行中，机械传动链的物理结构十分复杂，各部件等效参数在一定范围定会有些区别，但不受并网系统的影响。故本文研究发现的固有扭转振荡特性的客观存在，对于后续风电机组改善机械传动链设计、提高并网机组运行的安全性与稳定性等方面，具有重要的实用价值。