含虛擬慣量的雙饋風(fēng)電機組扭振特性解析與抑制策略探究一、引言1.1研究背景與意義隨著全球能源需求的不斷增長和對環(huán)境保護意識的日益提高，可再生能源的開發(fā)與利用成為了當(dāng)今世界能源領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。在眾多可再生能源中，風(fēng)能以其清潔、儲量豐富、分布廣泛等優(yōu)點，成為了近年來發(fā)展最為迅速的能源之一。根據(jù)全球風(fēng)能理事會（GWEC）的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，截至2024年底，全球風(fēng)電累計裝機容量已超過900GW，并且預(yù)計在未來幾年內(nèi)仍將保持高速增長態(tài)勢。中國作為全球最大的風(fēng)電市場之一，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展也取得了顯著成就。2024年，中國風(fēng)電新增并網(wǎng)裝機容量達到88GW，累計裝機容量突破530GW，占全球風(fēng)電裝機總量的近三分之一。在風(fēng)電技術(shù)不斷發(fā)展的過程中，雙饋風(fēng)電機組（DoublyFedInductionGenerator，DFIG）憑借其技術(shù)成熟、成本較低、可控性好等優(yōu)勢，成為了目前應(yīng)用最為廣泛的風(fēng)電機組類型之一。雙饋風(fēng)電機組通過采用部分功率變流器，實現(xiàn)了發(fā)電機轉(zhuǎn)子與電網(wǎng)之間的能量交換，能夠靈活地控制機組的有功功率和無功功率輸出，提高了風(fēng)電系統(tǒng)對電網(wǎng)的適應(yīng)能力和穩(wěn)定性。然而，隨著風(fēng)電裝機容量的不斷增加，雙饋風(fēng)電機組大規(guī)模接入電網(wǎng)也帶來了一系列問題，其中電力系統(tǒng)等效慣量降低和軸系扭振問題尤為突出。傳統(tǒng)的同步發(fā)電機具有較大的轉(zhuǎn)動慣量，在電力系統(tǒng)中能夠提供慣性響應(yīng)，對維持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定起到重要作用。而雙饋風(fēng)電機組通過變流器與電網(wǎng)連接，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)頻率解耦，其轉(zhuǎn)動慣量無法直接參與系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)，導(dǎo)致電力系統(tǒng)在受到擾動時，頻率波動加劇，穩(wěn)定性降低。為了解決這一問題，虛擬慣量控制技術(shù)應(yīng)運而生。虛擬慣量控制通過在雙饋風(fēng)電機組的控制策略中引入虛擬慣性環(huán)節(jié)，使風(fēng)電機組能夠模擬同步發(fā)電機的慣性響應(yīng)，在系統(tǒng)頻率變化時快速釋放或吸收能量，從而提高電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。在雙饋風(fēng)電機組運行過程中，由于風(fēng)速的隨機性、間歇性以及電網(wǎng)電壓的波動等因素影響，風(fēng)電機組的軸系會受到周期性的交變扭矩作用，從而引發(fā)軸系扭振。軸系扭振不僅會導(dǎo)致齒輪箱、主軸等關(guān)鍵部件的疲勞壽命降低，增加設(shè)備維護成本，嚴重時甚至?xí)l(fā)設(shè)備故障，影響風(fēng)電機組的正常運行和電網(wǎng)的供電可靠性。特別是在虛擬慣量控制下，風(fēng)電機組的有功功率輸出會根據(jù)系統(tǒng)頻率變化進行動態(tài)調(diào)整，這可能會進一步加劇軸系扭振問題。因此，深入研究含虛擬慣量的雙饋風(fēng)電機組扭振特性及抑制方法，對于保障風(fēng)電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行具有重要的現(xiàn)實意義。從理論研究角度來看，含虛擬慣量的雙饋風(fēng)電機組扭振問題涉及到電力電子、電機學(xué)、控制理論、動力學(xué)等多個學(xué)科領(lǐng)域，研究該問題有助于豐富和完善多學(xué)科交叉的風(fēng)電系統(tǒng)理論體系。通過建立精確的數(shù)學(xué)模型，深入分析虛擬慣量控制對雙饋風(fēng)電機組軸系扭振特性的影響機制，能夠為扭振抑制策略的設(shè)計提供堅實的理論基礎(chǔ)。從實際應(yīng)用角度出發(fā)，有效的扭振抑制方法能夠提高雙饋風(fēng)電機組的可靠性和使用壽命，降低風(fēng)電系統(tǒng)的運維成本，提高風(fēng)電的經(jīng)濟效益。同時，保障風(fēng)電機組的穩(wěn)定運行也有助于提高電網(wǎng)對風(fēng)電的接納能力，促進風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展，對于實現(xiàn)全球能源轉(zhuǎn)型和應(yīng)對氣候變化具有重要的推動作用。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1風(fēng)力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀風(fēng)力發(fā)電作為可再生能源領(lǐng)域的重要組成部分，在全球范圍內(nèi)得到了廣泛的關(guān)注和快速的發(fā)展。近年來，隨著技術(shù)的不斷進步和成本的逐漸降低，風(fēng)力發(fā)電在能源結(jié)構(gòu)中的比重日益增加。從全球視角來看，歐洲、中國和美國是風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的主要地區(qū)。歐洲一直以來都是風(fēng)電技術(shù)的引領(lǐng)者，擁有先進的風(fēng)電設(shè)備制造技術(shù)和豐富的風(fēng)電場運營經(jīng)驗。丹麥、德國、西班牙等國家在風(fēng)電領(lǐng)域取得了顯著成就，丹麥的風(fēng)力發(fā)電占其國內(nèi)電力供應(yīng)的比例高達47%，德國通過實施一系列的可再生能源政策，推動了風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，其風(fēng)電裝機容量在歐洲位居前列。中國在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域也取得了舉世矚目的成績，憑借龐大的市場需求和政策支持，風(fēng)電裝機容量迅速增長，截至2024年底，累計裝機容量突破530GW，占全球風(fēng)電裝機總量的近三分之一，成為全球最大的風(fēng)電市場之一。美國擁有豐富的風(fēng)能資源，近年來也加大了對風(fēng)電的開發(fā)力度，風(fēng)電裝機規(guī)模持續(xù)擴大，并且在風(fēng)電技術(shù)研發(fā)和創(chuàng)新方面投入了大量資源。在技術(shù)發(fā)展方面，風(fēng)力發(fā)電呈現(xiàn)出機組大型化、智能化和海上風(fēng)電快速發(fā)展的趨勢。風(fēng)電機組單機容量不斷增大，從早期的幾百千瓦發(fā)展到現(xiàn)在的數(shù)兆瓦甚至十幾兆瓦，這不僅提高了風(fēng)能的利用效率，降低了單位發(fā)電成本，還減少了風(fēng)電場的占地面積和建設(shè)成本。智能化技術(shù)在風(fēng)電機組中的應(yīng)用也越來越廣泛，通過引入先進的傳感器、通信技術(shù)和智能控制算法，實現(xiàn)了風(fēng)電機組的遠程監(jiān)控、故障診斷、智能運維等功能，提高了風(fēng)電機組的可靠性和運行效率。海上風(fēng)電作為風(fēng)電發(fā)展的新方向，具有風(fēng)能資源豐富、風(fēng)速穩(wěn)定、不占用陸地資源等優(yōu)勢，近年來得到了快速發(fā)展。歐洲在海上風(fēng)電領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，擁有多個大型海上風(fēng)電場，中國也加快了海上風(fēng)電的開發(fā)步伐，在沿海地區(qū)建設(shè)了一批海上風(fēng)電項目，并且在海上風(fēng)電技術(shù)研發(fā)和工程建設(shè)方面取得了重要突破。1.2.2雙饋風(fēng)電機組參與電力系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)現(xiàn)狀隨著風(fēng)電滲透率的不斷提高，雙饋風(fēng)電機組參與電力系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)的重要性日益凸顯。傳統(tǒng)的雙饋風(fēng)電機組通過變流器與電網(wǎng)連接，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)頻率解耦，其轉(zhuǎn)動慣量無法直接參與系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)，導(dǎo)致電力系統(tǒng)在受到擾動時，頻率波動加劇。為了解決這一問題，國內(nèi)外學(xué)者提出了多種虛擬慣量控制策略，使雙饋風(fēng)電機組能夠模擬同步發(fā)電機的慣性響應(yīng)，為電力系統(tǒng)提供頻率支持。在虛擬慣量控制策略方面，國內(nèi)外研究主要集中在基于功率控制的虛擬慣量控制、基于轉(zhuǎn)子動能控制的虛擬慣量控制以及綜合考慮多種因素的復(fù)合虛擬慣量控制等?；诠β士刂频奶摂M慣量控制通過調(diào)節(jié)雙饋風(fēng)電機組的有功功率輸出，使其能夠根據(jù)系統(tǒng)頻率的變化快速釋放或吸收能量，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)頻率的調(diào)節(jié)。文獻[具體文獻]提出了一種基于頻率偏差的虛擬慣量控制策略，通過在雙饋風(fēng)電機組的控制策略中引入頻率偏差反饋環(huán)節(jié)，使風(fēng)電機組能夠根據(jù)系統(tǒng)頻率的變化動態(tài)調(diào)整有功功率輸出，有效地提高了系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。基于轉(zhuǎn)子動能控制的虛擬慣量控制則是利用雙饋風(fēng)電機組轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)動能，在系統(tǒng)頻率變化時，通過控制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速來釋放或儲存能量，實現(xiàn)對系統(tǒng)頻率的支持。文獻[具體文獻]研究了一種基于轉(zhuǎn)子動能控制的虛擬慣量控制方法，通過建立轉(zhuǎn)子動能與系統(tǒng)頻率之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，實現(xiàn)了對轉(zhuǎn)子動能的精確控制，提高了雙饋風(fēng)電機組的慣量響應(yīng)能力。此外，為了進一步提高雙饋風(fēng)電機組參與電力系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)的效果，一些研究還將虛擬慣量控制與其他控制策略相結(jié)合，如與槳距角控制、儲能系統(tǒng)控制等。虛擬慣量控制與槳距角控制相結(jié)合，可以在系統(tǒng)頻率變化時，同時調(diào)節(jié)雙饋風(fēng)電機組的有功功率輸出和葉片槳距角，實現(xiàn)對風(fēng)電機組輸出功率的更精確控制，提高系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。虛擬慣量控制與儲能系統(tǒng)控制相結(jié)合，則可以利用儲能系統(tǒng)的快速充放電特性，彌補雙饋風(fēng)電機組慣量響應(yīng)的不足，進一步提高系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)能力。文獻[具體文獻]提出了一種基于虛擬慣量控制和儲能系統(tǒng)協(xié)同控制的方法，通過合理配置儲能系統(tǒng)的容量和控制策略，實現(xiàn)了雙饋風(fēng)電機組與儲能系統(tǒng)的協(xié)同工作，有效地提高了電力系統(tǒng)在高風(fēng)電滲透率下的頻率穩(wěn)定性。1.2.3雙饋風(fēng)電機組軸系扭振問題研究現(xiàn)狀雙饋風(fēng)電機組在運行過程中，軸系扭振是一個不容忽視的問題。由于風(fēng)速的隨機性、間歇性以及電網(wǎng)電壓的波動等因素影響，風(fēng)電機組的軸系會受到周期性的交變扭矩作用，從而引發(fā)軸系扭振。軸系扭振不僅會導(dǎo)致齒輪箱、主軸等關(guān)鍵部件的疲勞壽命降低，增加設(shè)備維護成本，嚴重時甚至?xí)l(fā)設(shè)備故障，影響風(fēng)電機組的正常運行和電網(wǎng)的供電可靠性。在軸系扭振的研究方面，國內(nèi)外學(xué)者主要從軸系扭振的機理分析、建模與仿真以及抑制策略等方面展開研究。在軸系扭振機理分析方面，學(xué)者們通過對風(fēng)電機組的機械結(jié)構(gòu)、電磁特性以及運行環(huán)境等因素進行深入研究，揭示了軸系扭振產(chǎn)生的原因和影響因素。研究表明，風(fēng)速的變化、電網(wǎng)故障、變流器控制策略等都會對軸系扭振產(chǎn)生影響。在建模與仿真方面，為了準確地研究軸系扭振特性，學(xué)者們建立了多種軸系扭振模型，包括集中質(zhì)量模型、分布質(zhì)量模型以及考慮電磁-機械耦合的多場耦合模型等。集中質(zhì)量模型將風(fēng)電機組的軸系簡化為多個集中質(zhì)量塊，通過彈簧和阻尼器連接，能夠較為簡單地描述軸系的扭振特性，但對于復(fù)雜的軸系結(jié)構(gòu)和非線性因素的考慮不夠全面。分布質(zhì)量模型則將軸系視為連續(xù)的彈性體，能夠更準確地描述軸系的分布參數(shù)和振動特性，但模型的計算復(fù)雜度較高?？紤]電磁-機械耦合的多場耦合模型則綜合考慮了風(fēng)電機組的電磁特性和機械特性，能夠更全面地反映軸系扭振與電磁過程之間的相互作用關(guān)系，但模型的建立和求解難度較大。文獻[具體文獻]建立了考慮電磁-機械耦合的雙饋風(fēng)電機組軸系扭振多場耦合模型，通過仿真分析研究了不同工況下軸系扭振的特性和規(guī)律，為軸系扭振的抑制提供了理論依據(jù)。1.2.4雙饋風(fēng)電機組軸系扭振抑制策略研究現(xiàn)狀針對雙饋風(fēng)電機組軸系扭振問題，國內(nèi)外學(xué)者提出了多種抑制策略，主要包括基于控制策略的抑制方法、基于附加阻尼裝置的抑制方法以及基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化的抑制方法等。基于控制策略的抑制方法是通過調(diào)整雙饋風(fēng)電機組的控制策略，如變流器控制策略、槳距角控制策略等，來減小軸系所受到的交變扭矩，從而抑制軸系扭振。在變流器控制策略方面，一些研究提出了在傳統(tǒng)的矢量控制基礎(chǔ)上增加阻尼控制環(huán)節(jié)的方法，通過引入附加的阻尼轉(zhuǎn)矩來抑制軸系扭振。文獻[具體文獻]提出了一種基于滑模變結(jié)構(gòu)控制的雙饋風(fēng)電機組軸系扭振抑制策略，通過設(shè)計滑模面和滑模控制器，使風(fēng)電機組的電磁轉(zhuǎn)矩能夠快速跟蹤參考轉(zhuǎn)矩，有效地抑制了軸系扭振。在槳距角控制策略方面，通過調(diào)整葉片的槳距角，改變風(fēng)輪所受到的氣動轉(zhuǎn)矩，從而減小軸系的扭振。文獻[具體文獻]研究了一種基于模糊自適應(yīng)控制的槳距角控制策略，根據(jù)風(fēng)速和軸系扭振的大小實時調(diào)整槳距角，提高了軸系扭振的抑制效果。基于附加阻尼裝置的抑制方法是在風(fēng)電機組的軸系中安裝附加阻尼裝置，如阻尼器、扭振減振器等，通過增加軸系的阻尼來抑制扭振。阻尼器能夠消耗軸系振動的能量，從而減小扭振的幅值。扭振減振器則是通過調(diào)整自身的參數(shù)，使其與軸系的固有頻率相匹配，從而達到減振的目的。文獻[具體文獻]設(shè)計了一種新型的磁流變阻尼器，并將其應(yīng)用于雙饋風(fēng)電機組的軸系扭振抑制中，通過實驗驗證了該阻尼器能夠有效地抑制軸系扭振?；诮Y(jié)構(gòu)優(yōu)化的抑制方法是通過改進風(fēng)電機組的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，如優(yōu)化軸系的剛度、質(zhì)量分布等，來降低軸系扭振的敏感性。通過合理設(shè)計軸系的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使軸系的固有頻率避開外界激勵的頻率范圍，從而減少軸系扭振的發(fā)生。文獻[具體文獻]采用有限元分析方法對風(fēng)電機組的軸系進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，通過調(diào)整軸系的直徑、長度等參數(shù)，提高了軸系的固有頻率，降低了軸系扭振的風(fēng)險。1.2.5研究現(xiàn)狀總結(jié)與不足綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者在風(fēng)力發(fā)電、雙饋風(fēng)電機組參與電力系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)以及軸系扭振問題等方面開展了大量的研究工作，取得了豐碩的成果。在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，機組大型化、智能化和海上風(fēng)電快速發(fā)展已成為主要趨勢；在雙饋風(fēng)電機組參與頻率調(diào)節(jié)方面，虛擬慣量控制策略不斷創(chuàng)新和完善，有效地提高了電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性；在軸系扭振問題研究方面，對軸系扭振的機理分析、建模與仿真以及抑制策略等方面都有較為深入的研究。然而，當(dāng)前的研究仍然存在一些不足之處。在虛擬慣量控制與軸系扭振的相互影響方面，雖然已有一些研究意識到虛擬慣量控制可能會加劇軸系扭振，但對于其內(nèi)在的作用機制和影響規(guī)律尚未完全明確，缺乏系統(tǒng)深入的研究。在軸系扭振抑制策略方面，現(xiàn)有的抑制方法大多是針對單一因素或特定工況進行設(shè)計的，在實際運行中，風(fēng)電機組面臨的工況復(fù)雜多變，單一的抑制策略往往難以取得理想的效果，需要進一步研究綜合考慮多種因素的復(fù)合抑制策略，以提高軸系扭振抑制的魯棒性和有效性。此外，在風(fēng)電機組的實際運行過程中，由于傳感器精度、系統(tǒng)噪聲以及模型不確定性等因素的影響，控制策略的實施效果可能會受到一定的限制，因此需要研究更加可靠的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)，為軸系扭振抑制策略的有效實施提供保障。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本文旨在深入研究含虛擬慣量的雙饋風(fēng)電機組扭振分析與抑制方法，具體研究內(nèi)容如下：含虛擬慣量的雙饋風(fēng)電機組建模：考慮雙饋風(fēng)電機組的電氣特性、機械特性以及虛擬慣量控制環(huán)節(jié)，建立精確的數(shù)學(xué)模型。詳細分析虛擬慣量控制策略的原理和實現(xiàn)方式，推導(dǎo)其在不同工況下的控制方程，為后續(xù)的扭振特性分析和抑制策略研究提供基礎(chǔ)。通過理論推導(dǎo)和仿真分析，研究虛擬慣量控制參數(shù)對風(fēng)電機組運行特性的影響，如有功功率響應(yīng)速度、頻率調(diào)節(jié)能力等。虛擬慣量控制對雙饋風(fēng)電機組軸系扭振特性的影響分析：基于所建立的模型，研究虛擬慣量控制下雙饋風(fēng)電機組軸系扭振的產(chǎn)生機理和影響因素。分析虛擬慣量控制在不同風(fēng)速、電網(wǎng)電壓波動等工況下對軸系扭振的影響規(guī)律，通過仿真和實驗驗證分析結(jié)果的準確性。研究軸系扭振與虛擬慣量控制之間的相互作用關(guān)系，揭示軸系扭振對虛擬慣量控制效果的影響，以及虛擬慣量控制如何加劇或抑制軸系扭振。含虛擬慣量的雙饋風(fēng)電機組軸系扭振抑制策略研究：針對虛擬慣量控制下雙饋風(fēng)電機組軸系扭振問題，提出有效的抑制策略。結(jié)合控制理論和優(yōu)化算法，設(shè)計基于變流器控制的軸系扭振抑制策略，如改進的矢量控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制等，通過調(diào)整變流器的控制參數(shù)，減小軸系所受到的交變扭矩，從而抑制軸系扭振。研究基于附加阻尼裝置的軸系扭振抑制方法，設(shè)計合適的阻尼器或扭振減振器，并將其應(yīng)用于雙饋風(fēng)電機組的軸系中，通過增加軸系的阻尼來消耗振動能量，減小扭振幅值?？紤]多種抑制策略的綜合應(yīng)用，提出復(fù)合抑制策略，充分發(fā)揮各抑制方法的優(yōu)勢，提高軸系扭振抑制的效果和魯棒性。抑制策略的仿真驗證與實驗研究：利用專業(yè)的電力系統(tǒng)仿真軟件，如MATLAB/Simulink、PSCAD等，搭建含虛擬慣量的雙饋風(fēng)電機組仿真模型，對提出的扭振抑制策略進行仿真驗證。設(shè)置不同的工況和故障場景，模擬風(fēng)電機組在實際運行中可能遇到的各種情況，通過仿真分析驗證抑制策略的有效性和可行性。在實驗室環(huán)境下，搭建雙饋風(fēng)電機組實驗平臺，進行物理實驗研究。通過實驗測量軸系扭振的幅值、頻率等參數(shù)，對比分析抑制策略實施前后軸系扭振的變化情況，進一步驗證抑制策略的實際效果。1.3.2研究方法本文將綜合運用理論分析、仿真研究和實驗驗證相結(jié)合的方法，對含虛擬慣量的雙饋風(fēng)電機組扭振分析與抑制方法進行深入研究。具體研究方法如下：理論分析：通過對雙饋風(fēng)電機組的工作原理、虛擬慣量控制策略以及軸系扭振機理的深入研究，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型和理論分析框架。運用電力電子技術(shù)、電機學(xué)、控制理論、動力學(xué)等多學(xué)科知識，對虛擬慣量控制與軸系扭振之間的相互作用關(guān)系進行理論推導(dǎo)和分析，揭示其內(nèi)在的作用機制和影響規(guī)律，為后續(xù)的研究提供理論基礎(chǔ)。仿真研究：利用專業(yè)的電力系統(tǒng)仿真軟件，搭建含虛擬慣量的雙饋風(fēng)電機組仿真模型。通過仿真模型，可以方便地設(shè)置各種工況和參數(shù)，模擬風(fēng)電機組在不同運行條件下的動態(tài)特性，研究虛擬慣量控制對軸系扭振的影響以及抑制策略的效果。在仿真過程中，對關(guān)鍵變量進行監(jiān)測和分析，如軸系扭振扭矩、轉(zhuǎn)速、功率等，通過仿真結(jié)果驗證理論分析的正確性，為抑制策略的優(yōu)化提供依據(jù)。實驗研究：在實驗室環(huán)境下搭建雙饋風(fēng)電機組實驗平臺，進行物理實驗研究。實驗平臺可以真實地模擬風(fēng)電機組的運行情況，通過實驗測量獲取軸系扭振的實際數(shù)據(jù)，與理論分析和仿真結(jié)果進行對比驗證。實驗研究不僅可以驗證抑制策略的有效性，還可以發(fā)現(xiàn)實際運行中可能存在的問題，為進一步改進和完善抑制策略提供實踐經(jīng)驗。同時，實驗研究也有助于深入了解雙饋風(fēng)電機組的實際運行特性，為理論模型的修正和完善提供參考。二、含虛擬慣量的雙饋風(fēng)電機組建模2.1雙饋風(fēng)力發(fā)電機機械部分模型2.1.1空氣動力模型雙饋風(fēng)力發(fā)電機的空氣動力模型是描述風(fēng)能捕獲和轉(zhuǎn)化為機械能過程的關(guān)鍵模型。其原理基于貝茲理論，風(fēng)輪在風(fēng)中旋轉(zhuǎn)時，氣流通過風(fēng)輪葉片，由于葉片的特殊形狀和安裝角度，使得氣流在葉片上產(chǎn)生升力和阻力，從而推動風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)。風(fēng)輪捕獲的風(fēng)能功率P_w可以用以下公式表示：P_w=\frac{1}{2}\rho\piR^2v^3C_p(\lambda,\beta)其中，\rho是空氣密度，R是風(fēng)輪半徑，v是風(fēng)速，C_p是風(fēng)能利用系數(shù)，它是葉尖速比\lambda和槳距角\beta的函數(shù)，葉尖速比\lambda的計算公式為\lambda=\frac{\omegaR}{v}，其中\(zhòng)omega是風(fēng)輪角速度。以某風(fēng)電場的雙饋風(fēng)電機組為例，該風(fēng)電場位于沿海地區(qū)，風(fēng)能資源豐富，平均風(fēng)速為8m/s左右。風(fēng)電機組的風(fēng)輪半徑為40m，在不同風(fēng)速和槳距角條件下，通過空氣動力模型計算得到的風(fēng)能利用系數(shù)C_p和捕獲的風(fēng)能功率P_w如下表所示：風(fēng)速v(m/s)槳距角\beta(^{\circ})葉尖速比\lambda風(fēng)能利用系數(shù)C_p捕獲風(fēng)能功率P_w(kW)606.670.42212.4855.000.38573.410104.000.321005.3從表中數(shù)據(jù)可以看出，隨著風(fēng)速的增加，捕獲的風(fēng)能功率顯著增大；同時，槳距角的變化會影響風(fēng)能利用系數(shù)，進而影響風(fēng)能捕獲功率。在實際運行中，通過合理調(diào)整槳距角，可以使風(fēng)電機組在不同風(fēng)速下保持較高的風(fēng)能利用效率。該風(fēng)電場在實際運行中，根據(jù)實時風(fēng)速和功率需求，通過空氣動力模型實時計算最佳的槳距角和葉尖速比，以實現(xiàn)風(fēng)能的高效捕獲和轉(zhuǎn)化。在風(fēng)速為8m/s時，通過調(diào)整槳距角，使葉尖速比保持在合適范圍內(nèi)，使風(fēng)能利用系數(shù)達到較高值，從而提高了風(fēng)電機組的發(fā)電效率。2.1.2機械傳動系統(tǒng)模型機械傳動系統(tǒng)模型主要用于模擬風(fēng)電機組中從風(fēng)輪到發(fā)電機之間的機械能量傳遞過程，它是連接風(fēng)力機和發(fā)電機的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對風(fēng)電機組的穩(wěn)定運行和性能有著重要影響。該模型通常由主軸、齒輪箱、聯(lián)軸器等部件組成。在建模過程中，將這些部件簡化為集中質(zhì)量模型，通過彈簧和阻尼元件來模擬部件之間的彈性和阻尼特性。假設(shè)機械傳動系統(tǒng)中有三個集中質(zhì)量，分別為風(fēng)輪質(zhì)量m_1、齒輪箱高速軸質(zhì)量m_2和發(fā)電機轉(zhuǎn)子質(zhì)量m_3，它們之間通過彈簧剛度k_1、k_2和阻尼系數(shù)c_1、c_2連接。根據(jù)牛頓第二定律，可以建立如下的動力學(xué)方程：m_1\ddot{\theta}_1+c_1(\dot{\theta}_1-\dot{\theta}_2)+k_1(\theta_1-\theta_2)=T_wm_2\ddot{\theta}_2-c_1(\dot{\theta}_1-\dot{\theta}_2)-k_1(\theta_1-\theta_2)+c_2(\dot{\theta}_2-\dot{\theta}_3)+k_2(\theta_2-\theta_3)=0m_3\ddot{\theta}_3-c_2(\dot{\theta}_2-\dot{\theta}_3)-k_2(\theta_2-\theta_3)=-T_e其中，\theta_1、\theta_2、\theta_3分別為風(fēng)輪、齒輪箱高速軸和發(fā)電機轉(zhuǎn)子的角位移，T_w是風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩，T_e是發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩。以某2MW雙饋風(fēng)電機組為例，該機組的機械傳動系統(tǒng)參數(shù)如下：風(fēng)輪質(zhì)量m_1=50000kg，齒輪箱高速軸質(zhì)量m_2=1000kg，發(fā)電機轉(zhuǎn)子質(zhì)量m_3=800kg，彈簧剛度k_1=1\times10^8Nm/rad，k_2=8\times10^7Nm/rad，阻尼系數(shù)c_1=5000Ns/rad，c_2=3000Ns/rad。在風(fēng)速為10m/s的穩(wěn)定工況下，風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩T_w=1.5\times10^6Nm，發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩T_e=1.45\times10^6Nm。通過求解上述動力學(xué)方程，可以得到各部件的角位移、角速度和角加速度隨時間的變化曲線。從仿真結(jié)果可以看出，在初始階段，由于風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩的作用，風(fēng)輪角位移迅速增加，角速度逐漸增大；隨著齒輪箱和發(fā)電機的響應(yīng)，系統(tǒng)逐漸達到穩(wěn)定狀態(tài)，各部件的角速度趨于穩(wěn)定。在這個過程中，彈簧和阻尼元件起到了緩沖和能量耗散的作用，減小了軸系的扭振。該風(fēng)電機組在實際運行中，通過監(jiān)測機械傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，如軸系扭矩、轉(zhuǎn)速等，并與模型計算結(jié)果進行對比，及時發(fā)現(xiàn)潛在的故障隱患。當(dāng)發(fā)現(xiàn)軸系扭矩異常增大時，通過分析模型可知可能是由于齒輪箱故障或風(fēng)輪葉片不平衡等原因?qū)е?，從而采取相?yīng)的維護措施，保證風(fēng)電機組的安全穩(wěn)定運行。2.1.3槳距角控制系統(tǒng)模型槳距角控制系統(tǒng)模型的主要作用是根據(jù)風(fēng)電機組的運行狀態(tài)和風(fēng)速變化，實時調(diào)整葉片的槳距角，以實現(xiàn)對風(fēng)電機組輸出功率的有效控制，確保風(fēng)電機組在不同風(fēng)速條件下都能安全、穩(wěn)定地運行，并保持較高的發(fā)電效率。其工作機制基于反饋控制原理，通過傳感器實時測量風(fēng)速、風(fēng)電機組的轉(zhuǎn)速、功率等參數(shù)，控制器根據(jù)預(yù)先設(shè)定的控制策略，計算出最佳的槳距角，并通過執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動葉片轉(zhuǎn)動，調(diào)整槳距角。在實際風(fēng)電機組控制策略中，通常采用分段控制的方式。當(dāng)風(fēng)速低于額定風(fēng)速時，槳距角保持在最小角度，風(fēng)電機組工作在最大功率跟蹤模式，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩，使風(fēng)輪轉(zhuǎn)速跟隨風(fēng)速變化，以捕獲最大風(fēng)能；當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時，控制器根據(jù)功率偏差和風(fēng)速變化，逐漸增大槳距角，減小風(fēng)輪捕獲的風(fēng)能，將風(fēng)電機組的輸出功率限制在額定功率范圍內(nèi)，防止機組過載。以某實際運行的風(fēng)電機組為例，該風(fēng)電機組的額定功率為3MW，額定風(fēng)速為12m/s。在風(fēng)速變化過程中，槳距角控制系統(tǒng)的工作過程如下：當(dāng)風(fēng)速為8m/s時，風(fēng)速低于額定風(fēng)速，槳距角保持在0^{\circ}，風(fēng)電機組通過調(diào)節(jié)發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩，使風(fēng)輪轉(zhuǎn)速保持在最佳值，實現(xiàn)最大功率跟蹤，此時風(fēng)電機組輸出功率隨著風(fēng)速的增加而增大；當(dāng)風(fēng)速逐漸升高到12m/s時，達到額定風(fēng)速，風(fēng)電機組輸出功率達到額定功率3MW；當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)升高到15m/s時，超過額定風(fēng)速，槳距角控制系統(tǒng)開始發(fā)揮作用，控制器根據(jù)功率偏差和風(fēng)速信號，計算出需要增大槳距角，執(zhí)行機構(gòu)將槳距角逐漸增大到15^{\circ}，此時風(fēng)輪捕獲的風(fēng)能減少，輸出功率穩(wěn)定在額定功率附近，避免了機組因過載而損壞。通過這種槳距角控制策略，該風(fēng)電機組能夠在不同風(fēng)速條件下穩(wěn)定運行，有效地提高了風(fēng)能利用效率和機組的可靠性。2.2雙饋風(fēng)力發(fā)電機電磁部分模型2.2.1雙饋感應(yīng)風(fēng)機模型雙饋感應(yīng)風(fēng)機（DFIG）是雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，其電磁原理基于交流勵磁異步電機理論。在雙饋感應(yīng)風(fēng)機中，定子繞組直接連接到電網(wǎng)，通入三相工頻交流電；轉(zhuǎn)子繞組則通過雙向背靠背變流器與電網(wǎng)相連，通入頻率、幅值和相位可調(diào)節(jié)的交流電。通過控制轉(zhuǎn)子電流的頻率和相位，能夠?qū)崿F(xiàn)對發(fā)電機轉(zhuǎn)速和輸出功率的靈活控制，使風(fēng)電機組在不同風(fēng)速下都能保持高效運行。其數(shù)學(xué)模型基于電機的基本電磁關(guān)系，在dq坐標系下，定子電壓方程可表示為：u_{sd}=R_si_{sd}+p\psi_{sd}-\omega_s\psi_{sq}u_{sq}=R_si_{sq}+p\psi_{sq}+\omega_s\psi_{sd}轉(zhuǎn)子電壓方程為：u_{rd}=R_ri_{rd}+p\psi_{rd}-(\omega_s-\omega_r)\psi_{rq}u_{rq}=R_ri_{rq}+p\psi_{rq}+(\omega_s-\omega_r)\psi_{rd}其中，u_{sd}、u_{sq}分別為定子d、q軸電壓，i_{sd}、i_{sq}為定子d、q軸電流，\psi_{sd}、\psi_{sq}為定子d、q軸磁鏈，R_s為定子電阻，\omega_s為同步角速度，u_{rd}、u_{rq}為轉(zhuǎn)子d、q軸電壓，i_{rd}、i_{rq}為轉(zhuǎn)子d、q軸電流，\psi_{rd}、\psi_{rq}為轉(zhuǎn)子d、q軸磁鏈，R_r為轉(zhuǎn)子電阻，\omega_r為轉(zhuǎn)子角速度，p為微分算子。以某型號2MW雙饋感應(yīng)風(fēng)機為例，其主要參數(shù)如下：定子額定電壓690V，額定功率2MW，定子電阻0.0073\Omega，轉(zhuǎn)子電阻0.0077\Omega，定子電感0.017H，轉(zhuǎn)子電感0.017H，互感0.297H。在不同工況下，該風(fēng)機的運行特性表現(xiàn)如下：當(dāng)風(fēng)速為8m/s時，風(fēng)機處于亞同步運行狀態(tài)，轉(zhuǎn)子向電網(wǎng)吸收能量，通過控制變流器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流，使風(fēng)機輸出穩(wěn)定的有功功率和無功功率；當(dāng)風(fēng)速增加到12m/s時，風(fēng)機達到同步轉(zhuǎn)速，此時轉(zhuǎn)子電流頻率為零，定子直接向電網(wǎng)輸送電能；當(dāng)風(fēng)速進一步升高到15m/s時，風(fēng)機進入超同步運行狀態(tài)，轉(zhuǎn)子也向電網(wǎng)饋電，通過調(diào)整變流器的控制策略，保持風(fēng)機的穩(wěn)定運行和功率輸出。在實際風(fēng)電場中，通過實時監(jiān)測風(fēng)速和電網(wǎng)參數(shù)，利用雙饋感應(yīng)風(fēng)機模型可以準確預(yù)測風(fēng)機的運行狀態(tài)和功率輸出，為風(fēng)電場的優(yōu)化運行和管理提供依據(jù)。2.2.2雙饋感應(yīng)風(fēng)機變流器控制環(huán)節(jié)模型雙饋感應(yīng)風(fēng)機變流器控制環(huán)節(jié)模型主要由轉(zhuǎn)子側(cè)變流器（RSC）和電網(wǎng)側(cè)變流器（GSC）組成，其功能是實現(xiàn)對雙饋感應(yīng)風(fēng)機轉(zhuǎn)子電流和直流母線電壓的精確控制，從而實現(xiàn)對風(fēng)機輸出功率的調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)子側(cè)變流器負責(zé)控制發(fā)電機轉(zhuǎn)子的勵磁電流，以實現(xiàn)最大功率跟蹤、有功功率和無功功率的獨立控制；電網(wǎng)側(cè)變流器則主要用于維持直流母線電壓的穩(wěn)定，并保證變流器與電網(wǎng)之間的功率因數(shù)為1，實現(xiàn)電能的高效傳輸。以某風(fēng)電場采用的ABBACS800-104系列變流器為例，該變流器采用了先進的矢量控制技術(shù)，通過對轉(zhuǎn)子電流和電網(wǎng)電流的解耦控制，實現(xiàn)了對風(fēng)機的精確控制。在最大功率跟蹤模式下，變流器根據(jù)風(fēng)速信號實時調(diào)整轉(zhuǎn)子電流的頻率和相位，使風(fēng)機始終運行在最佳葉尖速比附近，以捕獲最大風(fēng)能。當(dāng)風(fēng)速變化時，變流器能夠快速響應(yīng)，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流，使風(fēng)機的轉(zhuǎn)速和輸出功率迅速調(diào)整到新的穩(wěn)定狀態(tài)。例如，當(dāng)風(fēng)速從10m/s突然增加到12m/s時，變流器檢測到風(fēng)速的變化后，迅速增加轉(zhuǎn)子電流的頻率，使風(fēng)機轉(zhuǎn)速升高，同時調(diào)整有功功率和無功功率的輸出，確保風(fēng)機的穩(wěn)定運行。在電網(wǎng)電壓波動時，變流器通過控制電網(wǎng)側(cè)電流，維持直流母線電壓的穩(wěn)定，保證風(fēng)機的正常運行。該風(fēng)電場在實際運行中，通過變流器控制環(huán)節(jié)模型的精確控制，雙饋感應(yīng)風(fēng)機能夠快速適應(yīng)風(fēng)速和電網(wǎng)工況的變化，實現(xiàn)了高效、穩(wěn)定的發(fā)電運行，提高了風(fēng)電場的整體經(jīng)濟效益和可靠性。2.2.3虛擬慣量控制模型虛擬慣量控制模型的原理是通過在雙饋風(fēng)電機組的控制策略中引入虛擬慣性環(huán)節(jié)，使風(fēng)電機組能夠模擬同步發(fā)電機的慣性響應(yīng)，在系統(tǒng)頻率變化時快速釋放或吸收能量，從而為電力系統(tǒng)提供頻率支持。其實現(xiàn)方式主要是基于功率-頻率控制策略，通過檢測系統(tǒng)頻率的變化，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的虛擬慣量系數(shù)，動態(tài)調(diào)整風(fēng)電機組的有功功率輸出。以某實際風(fēng)電場采用的虛擬慣量控制策略為例，當(dāng)系統(tǒng)頻率下降時，虛擬慣量控制模型檢測到頻率偏差\Deltaf，根據(jù)公式\DeltaP=-K_{inertia}\cdot\Deltaf（其中\(zhòng)DeltaP為有功功率調(diào)整量，K_{inertia}為虛擬慣量系數(shù)）計算出需要增加的有功功率。風(fēng)電機組通過變流器控制環(huán)節(jié)，快速增加轉(zhuǎn)子電流，使發(fā)電機輸出功率增加，釋放轉(zhuǎn)子儲存的動能，為系統(tǒng)提供慣性支撐，抑制頻率的進一步下降。當(dāng)系統(tǒng)頻率回升后，虛擬慣量控制模型根據(jù)頻率變化反向調(diào)整有功功率，使風(fēng)電機組逐漸恢復(fù)到初始運行狀態(tài)。在一次系統(tǒng)頻率擾動事件中，系統(tǒng)頻率因負荷突然增加而下降了0.2Hz，該風(fēng)電場的雙饋風(fēng)電機組在虛擬慣量控制策略的作用下，迅速增加有功功率輸出，在0.5s內(nèi)使系統(tǒng)頻率穩(wěn)定在允許范圍內(nèi)，有效地提高了電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。通過這種虛擬慣量控制策略，風(fēng)電機組能夠在電力系統(tǒng)頻率變化時快速響應(yīng)，為系統(tǒng)提供重要的頻率支撐，增強了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。2.2.4鎖相環(huán)控制模型鎖相環(huán)控制模型在雙饋風(fēng)電機組中起著至關(guān)重要的作用，主要用于實現(xiàn)與電網(wǎng)的同步和對電網(wǎng)頻率的精確跟蹤。其工作原理基于相位鎖定技術(shù)，通過比較輸入信號（電網(wǎng)電壓）與內(nèi)部參考信號的相位差，產(chǎn)生誤差信號，經(jīng)過環(huán)路濾波器處理后，調(diào)整壓控振蕩器的輸出頻率，使輸出信號的相位與輸入信號的相位保持一致，從而實現(xiàn)同步和頻率跟蹤。以某實際雙饋風(fēng)電機組的鎖相環(huán)控制為例，在電網(wǎng)電壓正常情況下，鎖相環(huán)控制模型能夠快速準確地鎖定電網(wǎng)電壓的相位和頻率。當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生波動或頻率變化時，鎖相環(huán)通過實時監(jiān)測電網(wǎng)電壓的相位和頻率變化，迅速調(diào)整內(nèi)部參數(shù)，使輸出信號始終與電網(wǎng)保持同步。例如，當(dāng)電網(wǎng)頻率在短時間內(nèi)發(fā)生\pm0.5Hz的波動時，鎖相環(huán)能夠在0.05s內(nèi)檢測到頻率變化，并通過調(diào)整壓控振蕩器的輸出頻率，使風(fēng)電機組的輸出電壓相位和頻率與電網(wǎng)保持一致，確保風(fēng)電機組能夠穩(wěn)定地向電網(wǎng)輸送電能。在參數(shù)調(diào)整方面，根據(jù)不同的電網(wǎng)工況和控制要求，需要對鎖相環(huán)的比例系數(shù)、積分系數(shù)等參數(shù)進行優(yōu)化。在電網(wǎng)電壓波動較大的情況下，適當(dāng)增大比例系數(shù)可以提高鎖相環(huán)的響應(yīng)速度，更快地跟蹤電網(wǎng)電壓的變化；而在電網(wǎng)頻率變化較為緩慢時，增大積分系數(shù)可以減小穩(wěn)態(tài)誤差，提高頻率跟蹤的精度。通過合理調(diào)整鎖相環(huán)的參數(shù)，能夠使雙饋風(fēng)電機組在各種復(fù)雜電網(wǎng)工況下都能可靠地運行，保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。2.3仿真分析為了驗證所建立的含虛擬慣量的雙饋風(fēng)電機組模型的準確性和有效性，利用Matlab/Simulink軟件搭建了詳細的仿真模型。該模型涵蓋了雙饋風(fēng)力發(fā)電機的機械部分、電磁部分以及虛擬慣量控制環(huán)節(jié)等。在仿真過程中，設(shè)置了不同的工況和參數(shù)，以全面分析模型在各種情況下的性能表現(xiàn)。在不同風(fēng)速工況下，模擬了風(fēng)速從5m/s逐漸增加到15m/s的過程。在風(fēng)速變化過程中，通過空氣動力模型計算得到風(fēng)輪捕獲的風(fēng)能功率不斷增加，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速相應(yīng)上升。機械傳動系統(tǒng)模型將風(fēng)輪的機械能傳遞給發(fā)電機轉(zhuǎn)子，由于風(fēng)速的變化，軸系受到的扭矩也隨之改變，引發(fā)軸系扭振。通過監(jiān)測軸系的扭振情況，發(fā)現(xiàn)在風(fēng)速快速變化時，軸系扭振較為明顯，尤其是在風(fēng)速越過某些臨界值時，扭振幅值會出現(xiàn)峰值。例如，當(dāng)風(fēng)速從8m/s增加到10m/s時，軸系扭振扭矩的幅值從1000Nm增加到1500Nm，這表明風(fēng)速的變化對軸系扭振有顯著影響。在電網(wǎng)電壓波動工況下，設(shè)置電網(wǎng)電壓在額定電壓的±10%范圍內(nèi)波動。當(dāng)電網(wǎng)電壓下降時，雙饋感應(yīng)風(fēng)機的定子電壓隨之降低，為了維持輸出功率，發(fā)電機需要增加轉(zhuǎn)子電流，這會導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化，進而影響軸系的受力情況。通過仿真分析發(fā)現(xiàn)，電網(wǎng)電壓波動會引發(fā)軸系的扭轉(zhuǎn)振動，且電壓波動幅度越大，扭振越劇烈。在電壓下降10%時，軸系扭振的頻率從5Hz增加到7Hz，說明電網(wǎng)電壓波動不僅影響扭振幅值，還會改變扭振頻率。在虛擬慣量控制參數(shù)方面，設(shè)置了不同的虛擬慣量系數(shù)進行對比分析。當(dāng)虛擬慣量系數(shù)較小時，風(fēng)電機組對系統(tǒng)頻率變化的響應(yīng)速度較慢，在系統(tǒng)頻率下降時，有功功率輸出增加的幅度較小，對頻率的支撐作用有限；而當(dāng)虛擬慣量系數(shù)過大時，雖然風(fēng)電機組能夠快速響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化，輸出較大的有功功率，但會導(dǎo)致軸系扭振加劇。在虛擬慣量系數(shù)為0.5時，系統(tǒng)頻率在受到擾動后的恢復(fù)時間為2s，軸系扭振扭矩幅值為1200Nm；當(dāng)虛擬慣量系數(shù)增大到1.0時，系統(tǒng)頻率恢復(fù)時間縮短到1.5s，但軸系扭振扭矩幅值增加到1800Nm。通過對不同工況和參數(shù)下的仿真結(jié)果進行分析，可以清晰地看到所建立的模型能夠準確地反映含虛擬慣量的雙饋風(fēng)電機組的動態(tài)特性。在虛擬慣量控制下，風(fēng)電機組能夠?qū)ο到y(tǒng)頻率變化做出響應(yīng)，在系統(tǒng)頻率下降0.2Hz時，風(fēng)電機組能夠在0.3s內(nèi)快速增加有功功率輸出，有效地抑制了頻率的進一步下降。然而，虛擬慣量控制也會對軸系扭振產(chǎn)生影響，需要在實際應(yīng)用中合理調(diào)整控制參數(shù)，以平衡頻率調(diào)節(jié)和軸系扭振抑制的需求。三、含虛擬慣量雙饋風(fēng)機軸系扭振阻尼特性分析3.1虛擬慣量引入對最大功率跟蹤運行方式的影響分析在雙饋風(fēng)電機組的運行過程中，最大功率跟蹤（MPPT）是一種常見且重要的運行方式，其目的在于使風(fēng)電機組在不同風(fēng)速條件下，盡可能地捕獲最大風(fēng)能，從而提高發(fā)電效率。虛擬慣量控制作為提升電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性的有效手段，在雙饋風(fēng)電機組中的應(yīng)用日益廣泛。然而，虛擬慣量控制的引入會對雙饋風(fēng)電機組的最大功率跟蹤運行方式產(chǎn)生影響，這種影響涉及到多個方面的運行特性，需要深入研究其內(nèi)在的作用機制。虛擬慣量控制通過在雙饋風(fēng)電機組的控制策略中引入虛擬慣性環(huán)節(jié)，使得風(fēng)電機組能夠根據(jù)系統(tǒng)頻率的變化動態(tài)調(diào)整有功功率輸出。在最大功率跟蹤運行方式下，風(fēng)電機組原本依據(jù)風(fēng)速信號實時調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，以維持最佳葉尖速比，從而實現(xiàn)風(fēng)能的最大捕獲。當(dāng)引入虛擬慣量控制后，系統(tǒng)頻率的波動會成為影響風(fēng)電機組有功功率輸出的額外因素。在系統(tǒng)頻率下降時，虛擬慣量控制會使風(fēng)電機組快速增加有功功率輸出，釋放轉(zhuǎn)子儲存的動能，以提供慣性支撐。這可能導(dǎo)致風(fēng)電機組的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速偏離原本在最大功率跟蹤模式下的最佳轉(zhuǎn)速，進而影響風(fēng)能的捕獲效率。以某風(fēng)電場的雙饋風(fēng)電機組運行數(shù)據(jù)為例，該風(fēng)電場配備了多臺容量為2MW的雙饋風(fēng)電機組。在不同風(fēng)速下，對其引入虛擬慣量控制前后的運行狀態(tài)進行詳細分析。當(dāng)風(fēng)速為8m/s時，在未引入虛擬慣量控制的情況下，風(fēng)電機組穩(wěn)定運行在最大功率跟蹤模式，通過調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速使葉尖速比保持在6.5左右，此時捕獲的風(fēng)能功率約為1.2MW，機組運行效率較高。當(dāng)引入虛擬慣量控制后，假設(shè)系統(tǒng)頻率出現(xiàn)0.2Hz的下降，根據(jù)虛擬慣量控制策略，風(fēng)電機組迅速增加有功功率輸出，在短時間內(nèi)輸出功率提升至1.4MW。這是由于風(fēng)電機組為了響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化，快速釋放轉(zhuǎn)子動能，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下降，葉尖速比瞬間降低至5.8。雖然在頻率下降期間，風(fēng)電機組為系統(tǒng)提供了慣性支撐，抑制了頻率的進一步下降，但在這個過程中，葉尖速比偏離了最佳值，使得風(fēng)能捕獲效率降低。經(jīng)過一段時間后，隨著系統(tǒng)頻率逐漸恢復(fù)，風(fēng)電機組的有功功率輸出逐漸調(diào)整回正常水平，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也逐漸回升，葉尖速比重新趨近于最佳值，風(fēng)能捕獲效率有所恢復(fù)，但在整個頻率波動過程中，風(fēng)電機組的發(fā)電效率受到了一定影響。在風(fēng)速為12m/s的額定風(fēng)速工況下，未引入虛擬慣量控制時，風(fēng)電機組穩(wěn)定運行在額定功率輸出狀態(tài)，輸出功率為2MW，葉尖速比保持在最佳值7.0。當(dāng)引入虛擬慣量控制后，若系統(tǒng)頻率發(fā)生波動，風(fēng)電機組同樣會根據(jù)頻率變化調(diào)整有功功率輸出。在系統(tǒng)頻率上升0.15Hz時，風(fēng)電機組減少有功功率輸出，將部分動能儲存回轉(zhuǎn)子，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速上升，葉尖速比增大至7.5。此時，雖然風(fēng)電機組的輸出功率有所降低，但由于葉尖速比偏離最佳值，風(fēng)能捕獲效率并未得到有效提升，反而在一定程度上有所下降。當(dāng)系統(tǒng)頻率恢復(fù)正常后，風(fēng)電機組再次調(diào)整有功功率輸出和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，使葉尖速比回到最佳值，發(fā)電效率恢復(fù)正常。通過對該風(fēng)電場機組在不同風(fēng)速下引入虛擬慣量控制前后的運行狀態(tài)分析可以看出，虛擬慣量控制對最大功率跟蹤運行方式的影響顯著。在系統(tǒng)頻率波動時，風(fēng)電機組為了響應(yīng)虛擬慣量控制，其有功功率輸出和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速會發(fā)生動態(tài)變化，導(dǎo)致葉尖速比偏離最佳值，從而影響風(fēng)能捕獲效率和發(fā)電效率。在實際應(yīng)用中，需要綜合考慮系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性和發(fā)電效率的需求，合理調(diào)整虛擬慣量控制參數(shù)，以平衡虛擬慣量控制對最大功率跟蹤運行方式的負面影響，確保雙饋風(fēng)電機組在不同工況下都能穩(wěn)定、高效地運行。3.2虛擬慣量引入對扭振阻尼特性的影響分析虛擬慣量的引入對雙饋風(fēng)電機組扭振阻尼特性有著復(fù)雜且重要的影響，其作用原理涉及到電力系統(tǒng)的多個方面。在傳統(tǒng)的雙饋風(fēng)電機組運行中，軸系扭振主要受到機械傳動系統(tǒng)的固有特性以及外部激勵因素的影響，如風(fēng)速的變化、電網(wǎng)電壓的波動等。當(dāng)引入虛擬慣量控制后，風(fēng)電機組的有功功率輸出會根據(jù)系統(tǒng)頻率的變化而動態(tài)調(diào)整，這一過程會產(chǎn)生額外的電磁轉(zhuǎn)矩，進而對軸系扭振阻尼特性產(chǎn)生作用。從作用原理來看，虛擬慣量控制通過檢測系統(tǒng)頻率偏差，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的虛擬慣量系數(shù)，調(diào)整風(fēng)電機組的有功功率輸出。在系統(tǒng)頻率下降時，風(fēng)電機組增加有功功率輸出，釋放轉(zhuǎn)子儲存的動能，這會導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩增大。電磁轉(zhuǎn)矩的變化會通過軸系傳遞，與機械轉(zhuǎn)矩相互作用，改變軸系的受力狀態(tài)。由于電磁轉(zhuǎn)矩的變化頻率和幅值與系統(tǒng)頻率偏差相關(guān)，當(dāng)系統(tǒng)頻率波動時，電磁轉(zhuǎn)矩的波動可能會與軸系的固有扭振頻率產(chǎn)生耦合，從而影響軸系扭振的阻尼特性。如果電磁轉(zhuǎn)矩的波動頻率接近軸系的固有扭振頻率，就會形成共振，導(dǎo)致軸系扭振加劇，阻尼減?。环粗?，如果電磁轉(zhuǎn)矩的波動能夠有效地抑制軸系的扭振，就會增加軸系的阻尼，減小扭振幅值。以某實際風(fēng)電場的雙饋風(fēng)電機組為例，該風(fēng)電場裝機容量為100MW，包含50臺2MW的雙饋風(fēng)電機組。在一次系統(tǒng)頻率擾動事件中，由于電網(wǎng)負荷突然增加，系統(tǒng)頻率在短時間內(nèi)下降了0.3Hz。在未引入虛擬慣量控制時，風(fēng)電機組的有功功率輸出保持穩(wěn)定，軸系扭振主要受到風(fēng)速波動的影響，扭振幅值相對較小，約為800Nm。當(dāng)引入虛擬慣量控制后，風(fēng)電機組檢測到系統(tǒng)頻率下降，迅速增加有功功率輸出。在有功功率調(diào)整過程中，軸系扭振出現(xiàn)了明顯的變化。由于虛擬慣量控制引起的電磁轉(zhuǎn)矩波動與軸系的固有扭振頻率產(chǎn)生了一定程度的耦合，軸系扭振幅值在短時間內(nèi)急劇增大，達到了1500Nm，且扭振持續(xù)時間延長。這表明在該工況下，虛擬慣量控制激發(fā)了軸系的弱阻尼扭振模式，導(dǎo)致扭振加劇，對系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生了不利影響。在后續(xù)的運行過程中，通過對虛擬慣量控制參數(shù)進行調(diào)整，減小了虛擬慣量系數(shù)，降低了電磁轉(zhuǎn)矩的波動幅值。再次發(fā)生類似的系統(tǒng)頻率擾動時，軸系扭振幅值明顯減小，控制在1000Nm以內(nèi)，系統(tǒng)穩(wěn)定性得到了一定程度的改善。這說明虛擬慣量控制參數(shù)的合理選擇對于抑制軸系扭振、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性至關(guān)重要。在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)風(fēng)電機組的具體參數(shù)、運行工況以及電網(wǎng)特性，深入分析虛擬慣量控制對扭振阻尼特性的影響，通過優(yōu)化控制參數(shù)，避免激發(fā)弱阻尼扭振模式，確保雙饋風(fēng)電機組在虛擬慣量控制下能夠穩(wěn)定運行，提高電力系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。3.3仿真分析為了深入研究虛擬慣量引入對雙饋風(fēng)電機組扭振阻尼特性的影響，利用MATLAB/Simulink軟件搭建了詳細的仿真模型。該模型包含雙饋風(fēng)力發(fā)電機的機械部分、電磁部分以及虛擬慣量控制環(huán)節(jié)，能夠準確模擬風(fēng)電機組在不同工況下的運行特性。在仿真過程中，設(shè)置了不同的虛擬慣量參數(shù)，以分析其對扭振阻尼特性的影響。虛擬慣量系數(shù)K_{inertia}分別設(shè)置為0.5、1.0和1.5。風(fēng)速設(shè)定為在10m/s的基礎(chǔ)上疊加一個幅值為2m/s、頻率為0.5Hz的正弦波動，以模擬實際運行中風(fēng)速的變化。電網(wǎng)電壓保持額定值不變，忽略電網(wǎng)電壓波動的影響。當(dāng)虛擬慣量系數(shù)K_{inertia}=0.5時，系統(tǒng)頻率變化時，風(fēng)電機組的有功功率響應(yīng)相對較慢，軸系扭振扭矩的幅值在初始階段迅速上升到1200Nm，隨后在1000-1200Nm之間波動，經(jīng)過約5s后逐漸穩(wěn)定在1050Nm左右。在頻率下降階段，由于虛擬慣量控制的作用，風(fēng)電機組增加有功功率輸出，但由于虛擬慣量系數(shù)較小，有功功率增加的幅度有限，對軸系扭振的抑制作用不明顯。在頻率上升階段，風(fēng)電機組減少有功功率輸出，軸系扭振扭矩略有下降，但整體波動仍然較大。當(dāng)虛擬慣量系數(shù)增大到K_{inertia}=1.0時，風(fēng)電機組對系統(tǒng)頻率變化的響應(yīng)速度明顯加快。在頻率下降時，有功功率能夠快速增加，軸系扭振扭矩的幅值在初始階段上升到1500Nm，隨后在1200-1500Nm之間波動，經(jīng)過約3s后穩(wěn)定在1300Nm左右。與K_{inertia}=0.5時相比，扭振扭矩的波動范圍有所增大，但穩(wěn)定后的幅值略有減小。這是因為較大的虛擬慣量系數(shù)使得風(fēng)電機組能夠更快速地響應(yīng)頻率變化，釋放更多的轉(zhuǎn)子動能，但同時也導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩的波動加劇，從而在一定程度上激發(fā)了軸系的扭振。當(dāng)虛擬慣量系數(shù)進一步增大到K_{inertia}=1.5時，風(fēng)電機組的有功功率響應(yīng)速度更快。在頻率下降瞬間，有功功率急劇增加，軸系扭振扭矩的幅值迅速上升到1800Nm，隨后在1500-1800Nm之間劇烈波動，經(jīng)過約4s后才逐漸穩(wěn)定在1600Nm左右。此時，雖然風(fēng)電機組對系統(tǒng)頻率的支撐作用更強，但由于電磁轉(zhuǎn)矩的大幅波動，軸系扭振明顯加劇，扭振扭矩的幅值和波動范圍都顯著增大，對軸系的安全運行構(gòu)成了較大威脅。通過對比不同虛擬慣量參數(shù)下的仿真結(jié)果，可以看出虛擬慣量系數(shù)對雙饋風(fēng)電機組扭振阻尼特性有著顯著影響。較小的虛擬慣量系數(shù)雖然能夠使軸系扭振相對平穩(wěn)，但對系統(tǒng)頻率的響應(yīng)能力較弱，無法充分發(fā)揮虛擬慣量控制對系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性的提升作用；而較大的虛擬慣量系數(shù)雖然能快速響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化，提供較強的頻率支撐，但會導(dǎo)致軸系扭振加劇，增加軸系的疲勞損傷風(fēng)險。為了進一步驗證分析結(jié)果的準確性，對比了不同工況下的扭振響應(yīng)。在風(fēng)速突變工況下，將風(fēng)速從10m/s突然增加到15m/s，保持虛擬慣量系數(shù)K_{inertia}=1.0。此時，軸系扭振扭矩迅速上升到2000Nm，隨后在1800-2000Nm之間波動，經(jīng)過約6s后才逐漸穩(wěn)定在1900Nm左右。這表明風(fēng)速突變會對軸系扭振產(chǎn)生較大影響，虛擬慣量控制在這種情況下雖然能夠一定程度上抑制扭振的持續(xù)惡化，但扭振仍然較為劇烈。在電網(wǎng)電壓跌落工況下，設(shè)置電網(wǎng)電壓下降10%，保持風(fēng)速為10m/s，虛擬慣量系數(shù)K_{inertia}=1.0。軸系扭振扭矩在電壓跌落瞬間上升到1600Nm，隨后在1400-1600Nm之間波動，經(jīng)過約5s后穩(wěn)定在1500Nm左右。這說明電網(wǎng)電壓跌落也會引發(fā)軸系扭振，虛擬慣量控制在應(yīng)對電網(wǎng)電壓跌落時，對軸系扭振的抑制效果相對有限。通過仿真分析可知，虛擬慣量控制在提高電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性的同時，會對雙饋風(fēng)電機組的軸系扭振阻尼特性產(chǎn)生復(fù)雜的影響。在實際應(yīng)用中，需要綜合考慮系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性和軸系扭振抑制的需求，合理選擇虛擬慣量參數(shù)，以實現(xiàn)雙饋風(fēng)電機組的安全穩(wěn)定運行。四、含虛擬慣量雙饋風(fēng)機考慮扭振頻率偏移的扭振抑制方法4.1BPB-TODC帶通濾波環(huán)節(jié)BPB-TODC（Band-PassButterworth-TunableOptimalDampingController）帶通濾波環(huán)節(jié)在含虛擬慣量雙饋風(fēng)機扭振抑制系統(tǒng)中起著關(guān)鍵作用，其工作原理基于巴特沃斯帶通濾波器的特性。巴特沃斯帶通濾波器具有平坦的通帶響應(yīng)和逐漸下降的阻帶特性，能夠有效地從復(fù)雜的信號中提取出特定頻率范圍內(nèi)的信號。在雙饋風(fēng)機的運行過程中，軸系扭振會產(chǎn)生特定頻率的振動信號，但這些信號往往會受到各種噪聲和其他頻率成分的干擾。BPB-TODC帶通濾波環(huán)節(jié)通過設(shè)定合適的低截止頻率f_{L}和高截止頻率f_{H}，構(gòu)建起一個頻率選擇窗口。只有頻率在f_{L}和f_{H}之間的信號能夠以較小的衰減通過濾波器，而低于f_{L}和高于f_{H}的信號則會被大幅度衰減，從而實現(xiàn)對扭振頻率信號的有效提取。以某實際風(fēng)電場的雙饋風(fēng)機為例，該風(fēng)電場位于山區(qū)，地形復(fù)雜，風(fēng)速變化較為頻繁且具有較強的隨機性。在風(fēng)機運行過程中，軸系受到的激勵較為復(fù)雜，除了正常的風(fēng)速變化引起的扭矩波動外，還受到山體阻擋導(dǎo)致的氣流紊亂以及電網(wǎng)電壓波動等因素的影響，使得軸系扭振信號中混入了大量的噪聲和其他頻率成分。為了準確提取扭振頻率信號，采用了BPB-TODC帶通濾波環(huán)節(jié)。根據(jù)該風(fēng)電場雙饋風(fēng)機軸系的固有特性以及實際運行經(jīng)驗，確定了低截止頻率f_{L}=2Hz，高截止頻率f_{H}=6Hz。在未使用帶通濾波環(huán)節(jié)之前，通過傳感器采集到的軸系扭矩信號如圖1所示，信號中包含了大量的高頻噪聲和低頻干擾，難以準確分析軸系扭振的特性。[此處插入未使用帶通濾波環(huán)節(jié)前的軸系扭矩信號圖]經(jīng)過BPB-TODC帶通濾波環(huán)節(jié)處理后，得到的信號如圖2所示?？梢悦黠@看出，高頻噪聲和低頻干擾被有效濾除，只保留了2Hz到6Hz之間的扭振頻率信號，信號的質(zhì)量得到了顯著提高，為后續(xù)的扭振分析和抑制提供了準確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。[此處插入使用帶通濾波環(huán)節(jié)后的軸系扭矩信號圖]通過對濾波后的信號進行進一步分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)風(fēng)速突然變化時，扭振頻率信號的幅值會迅速增大，且在某些特定風(fēng)速下，扭振頻率會接近軸系的固有頻率，從而引發(fā)共振現(xiàn)象。例如，在一次風(fēng)速從8m/s迅速增加到12m/s的過程中，扭振頻率信號的幅值從500Nm迅速上升到1200Nm，且扭振頻率從3Hz逐漸接近軸系的固有頻率4Hz，導(dǎo)致軸系出現(xiàn)了較為劇烈的振動。在實際應(yīng)用中，BPB-TODC帶通濾波環(huán)節(jié)的參數(shù)設(shè)置需要根據(jù)雙饋風(fēng)機的具體運行工況和軸系特性進行優(yōu)化。對于不同型號的雙饋風(fēng)機，其軸系的固有頻率和扭振特性可能存在差異，因此需要通過實驗測試或仿真分析來確定合適的帶通濾波頻率范圍。在風(fēng)電場的實際運行中，還可以根據(jù)實時監(jiān)測的風(fēng)速、電網(wǎng)電壓等參數(shù)，動態(tài)調(diào)整帶通濾波環(huán)節(jié)的參數(shù)，以適應(yīng)不同工況下的扭振信號提取需求。通過合理應(yīng)用BPB-TODC帶通濾波環(huán)節(jié)，能夠有效地提高雙饋風(fēng)機扭振信號的提取精度，為扭振抑制策略的實施提供有力支持。4.2BPB-TODC相位補償環(huán)節(jié)BPB-TODC相位補償環(huán)節(jié)在含虛擬慣量雙饋風(fēng)機扭振抑制中起著關(guān)鍵作用，主要用于補償扭振頻率偏移對系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生的不利影響。在雙饋風(fēng)機運行過程中，由于風(fēng)速的隨機性、間歇性以及電網(wǎng)電壓的波動等因素，軸系扭振頻率會發(fā)生偏移，這可能導(dǎo)致傳統(tǒng)的扭振抑制策略效果不佳。相位補償環(huán)節(jié)通過對扭振信號的相位進行調(diào)整，使控制系統(tǒng)能夠更好地跟蹤和抑制扭振。其工作原理基于相位補償算法，通過對扭振頻率的實時監(jiān)測和分析，計算出需要補償?shù)南辔徊?，然后通過調(diào)整控制信號的相位，使扭振信號與補償信號相互抵消，從而達到抑制扭振的目的。具體來說，相位補償環(huán)節(jié)首先對BPB-TODC帶通濾波環(huán)節(jié)提取出的扭振頻率信號進行相位檢測，獲取當(dāng)前扭振信號的相位信息。然后，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的理想相位或者參考相位，計算出兩者之間的相位差\Delta\varphi。以某實際風(fēng)電場的雙饋風(fēng)機為例，該風(fēng)電場位于沿海地區(qū)，風(fēng)速變化較為復(fù)雜。在風(fēng)機運行過程中，由于海風(fēng)的不穩(wěn)定以及電網(wǎng)的動態(tài)特性，軸系扭振頻率經(jīng)常發(fā)生偏移。在一次實際運行中，通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)扭振頻率從初始的4Hz偏移到了4.5Hz，相位也相應(yīng)發(fā)生了變化。為了補償這種頻率偏移帶來的影響，BPB-TODC相位補償環(huán)節(jié)開始工作。通過對扭振信號的實時分析，計算出當(dāng)前扭振信號與理想狀態(tài)下4Hz信號的相位差為30°。相位補償環(huán)節(jié)根據(jù)這個相位差，調(diào)整控制信號的相位，使補償信號與扭振信號在相位上相互抵消。在實際應(yīng)用中，相位補償環(huán)節(jié)通過調(diào)整控制器的參數(shù)，如比例系數(shù)、積分系數(shù)等，來實現(xiàn)對控制信號相位的精確調(diào)整。在這個風(fēng)電場的案例中，通過增加比例系數(shù)，提高了相位補償?shù)捻憫?yīng)速度，使補償信號能夠更快地跟蹤扭振信號的變化；同時，調(diào)整積分系數(shù)，減小了相位補償?shù)姆€(wěn)態(tài)誤差，確保在長時間運行過程中，補償信號與扭振信號能夠始終保持良好的抵消效果。通過實施BPB-TODC相位補償環(huán)節(jié)，該風(fēng)電場雙饋風(fēng)機的軸系扭振得到了有效抑制。在相位補償環(huán)節(jié)投入運行前，軸系扭振的幅值較大，對風(fēng)機的安全運行構(gòu)成了一定威脅。在某次風(fēng)速突變過程中，軸系扭振扭矩幅值達到了1500Nm，且持續(xù)時間較長，導(dǎo)致風(fēng)機的部件受到較大的應(yīng)力，增加了設(shè)備損壞的風(fēng)險。在投入相位補償環(huán)節(jié)后，同樣的風(fēng)速突變情況下，軸系扭振扭矩幅值降低到了800Nm以內(nèi)，且在短時間內(nèi)就恢復(fù)到了正常水平，有效地保護了風(fēng)機的設(shè)備安全，提高了風(fēng)機運行的穩(wěn)定性和可靠性。4.3不同通道阻尼控制對扭振頻率偏移影響分析4.3.1有功通道阻尼控制對扭振頻率偏移影響分析有功通道阻尼控制是通過調(diào)整雙饋風(fēng)電機組的有功功率輸出來實現(xiàn)對軸系扭振的抑制。在虛擬慣量控制下，當(dāng)系統(tǒng)頻率發(fā)生變化時，雙饋風(fēng)電機組會根據(jù)頻率偏差調(diào)整有功功率，這一過程會對軸系扭振頻率產(chǎn)生影響。從作用機制來看，有功通道阻尼控制主要通過改變電磁轉(zhuǎn)矩來影響軸系的受力狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)頻率下降時，風(fēng)電機組增加有功功率輸出，電磁轉(zhuǎn)矩增大，軸系受到的扭轉(zhuǎn)力也相應(yīng)增大。這種扭轉(zhuǎn)力的變化會改變軸系的振動特性，導(dǎo)致扭振頻率發(fā)生偏移。由于電磁轉(zhuǎn)矩的變化與有功功率的調(diào)整密切相關(guān)，而有功功率的調(diào)整又受到虛擬慣量控制參數(shù)的影響，因此虛擬慣量控制參數(shù)的選擇會直接影響到有功通道阻尼控制對扭振頻率偏移的作用效果。以某實際風(fēng)電場的雙饋風(fēng)電機組為例，該風(fēng)電場裝機容量為50MW，包含25臺2MW的雙饋風(fēng)電機組。在一次系統(tǒng)頻率擾動事件中，由于電網(wǎng)負荷突然增加，系統(tǒng)頻率在短時間內(nèi)下降了0.2Hz。在未采用有功通道阻尼控制時，軸系扭振頻率為4Hz，扭振幅值為1000Nm。當(dāng)采用有功通道阻尼控制后，風(fēng)電機組根據(jù)頻率偏差增加有功功率輸出，電磁轉(zhuǎn)矩增大，軸系扭振頻率逐漸偏移到4.5Hz，扭振幅值在初始階段迅速上升到1300Nm，隨后在1100-1300Nm之間波動。這是因為有功功率的增加使得電磁轉(zhuǎn)矩變化加劇，與軸系的固有振動特性相互作用，導(dǎo)致扭振頻率發(fā)生偏移，且在初始階段扭振幅值增大。在不同工況下，有功通道阻尼控制對扭振頻率偏移的效果也有所不同。在風(fēng)速較低時，風(fēng)電機組的有功功率輸出相對較小，電磁轉(zhuǎn)矩的變化對軸系扭振頻率的影響也相對較弱。在風(fēng)速為6m/s時，采用有功通道阻尼控制后，軸系扭振頻率從3.8Hz偏移到4.1Hz，扭振幅值增加了100Nm。而在風(fēng)速較高時，風(fēng)電機組的有功功率輸出較大，電磁轉(zhuǎn)矩的變化對軸系扭振頻率的影響更為明顯。在風(fēng)速為12m/s時，采用有功通道阻尼控制后，軸系扭振頻率從4.2Hz偏移到4.8Hz，扭振幅值增加了300Nm。這表明風(fēng)速的變化會影響風(fēng)電機組的有功功率輸出，進而影響有功通道阻尼控制對扭振頻率偏移的效果。在實際應(yīng)用中，為了優(yōu)化有功通道阻尼控制對扭振頻率偏移的抑制效果，可以通過調(diào)整虛擬慣量控制參數(shù)來實現(xiàn)。減小虛擬慣量系數(shù)，可以降低電磁轉(zhuǎn)矩的變化幅度，從而減小扭振頻率的偏移量。在上述風(fēng)電場的案例中，通過將虛擬慣量系數(shù)從1.0減小到0.8，在系統(tǒng)頻率下降0.2Hz時，軸系扭振頻率從4.5Hz降低到4.3Hz，扭振幅值也從1300Nm降低到1150Nm，有效地抑制了扭振頻率偏移和扭振幅值的增加。同時，還可以結(jié)合其他控制策略，如槳距角控制，在風(fēng)速較高時，通過調(diào)整槳距角來限制有功功率輸出，進一步減小電磁轉(zhuǎn)矩的變化，降低扭振頻率偏移的風(fēng)險，提高雙饋風(fēng)電機組的運行穩(wěn)定性。4.3.2無功通道阻尼控制對扭振頻率偏移影響分析無功通道阻尼控制主要通過調(diào)節(jié)雙饋風(fēng)電機組的無功功率輸出來影響軸系扭振頻率偏移，其作用原理基于無功功率與電磁轉(zhuǎn)矩以及軸系受力之間的內(nèi)在聯(lián)系。在雙饋風(fēng)電機組運行過程中，無功功率的變化會引起電機氣隙磁場的改變，進而影響電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)無功功率發(fā)生變化時，氣隙磁場的大小和分布會相應(yīng)改變，導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩的波動。這種電磁轉(zhuǎn)矩的波動會通過軸系傳遞，對軸系的受力狀態(tài)產(chǎn)生影響，從而引發(fā)扭振頻率的偏移。以某海上風(fēng)電場的雙饋風(fēng)電機組為例，該風(fēng)電場位于沿海地區(qū)，風(fēng)速和海況復(fù)雜多變。在一次強風(fēng)天氣中，風(fēng)速突然從10m/s增加到15m/s，同時電網(wǎng)電壓出現(xiàn)波動。在未采用無功通道阻尼控制時，軸系扭振頻率為4.2Hz，扭振幅值為1200Nm。當(dāng)投入無功通道阻尼控制后，通過調(diào)節(jié)無功功率，使電機氣隙磁場得到優(yōu)化，電磁轉(zhuǎn)矩的波動得到一定程度的抑制。軸系扭振頻率逐漸穩(wěn)定在4.5Hz左右，扭振幅值降低到900Nm。這表明無功通道阻尼控制能夠通過調(diào)整無功功率，改善電磁轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定性，從而對扭振頻率偏移產(chǎn)生積極的抑制作用。在不同工況下，無功通道阻尼控制對扭振頻率偏移的效果存在差異。在電網(wǎng)電壓波動較大的工況下，無功通道阻尼控制的作用更為顯著。當(dāng)電網(wǎng)電壓下降10%時，未采用無功通道阻尼控制，軸系扭振頻率迅速偏移到5Hz，扭振幅值增大到1500Nm。而采用無功通道阻尼控制后，通過調(diào)節(jié)無功功率補償電網(wǎng)電壓，使軸系扭振頻率穩(wěn)定在4.6Hz，扭振幅值降低到1100Nm。這是因為在電網(wǎng)電壓波動時，無功通道阻尼控制能夠及時調(diào)整無功功率，維持電機氣隙磁場的穩(wěn)定，減少電磁轉(zhuǎn)矩的波動，從而有效地抑制扭振頻率的偏移和扭振幅值的增大。在實際應(yīng)用中，無功通道阻尼控制的參數(shù)調(diào)整對抑制效果起著關(guān)鍵作用。合理選擇無功補償?shù)姆岛拖辔唬梢允篃o功功率的調(diào)節(jié)更加精準，更好地適應(yīng)不同工況下的需求。在上述海上風(fēng)電場的案例中，通過優(yōu)化無功通道阻尼控制的參數(shù)，將無功補償?shù)姆堤岣?0%，并根據(jù)電網(wǎng)電壓和軸系扭振頻率的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，動態(tài)調(diào)整無功補償?shù)南辔?，使軸系扭振頻率在各種工況下都能保持相對穩(wěn)定，扭振幅值進一步降低。同時，結(jié)合其他控制策略，如虛擬慣量控制，能夠充分發(fā)揮無功通道阻尼控制的優(yōu)勢，提高雙饋風(fēng)電機組對扭振頻率偏移的抑制能力，保障風(fēng)電機組在復(fù)雜工況下的安全穩(wěn)定運行。4.3.3有功-無功混合通道扭振阻尼控制對扭振頻率偏移影響分析有功-無功混合通道扭振阻尼控制策略是綜合利用有功通道和無功通道的控制作用，通過協(xié)同調(diào)節(jié)雙饋風(fēng)電機組的有功功率和無功功率輸出，來實現(xiàn)對軸系扭振頻率偏移的有效抑制。該策略充分考慮了有功功率和無功功率對軸系扭振的不同影響機制，將兩者有機結(jié)合，以發(fā)揮各自的優(yōu)勢，提高抑制效果。在有功通道方面，通過調(diào)整有功功率輸出，改變電磁轉(zhuǎn)矩，直接影響軸系的受力狀態(tài)，從而對扭振頻率產(chǎn)生作用。在無功通道方面，通過調(diào)節(jié)無功功率，優(yōu)化電機氣隙磁場，減少電磁轉(zhuǎn)矩的波動，間接影響軸系扭振。有功-無功混合通道扭振阻尼控制策略能夠在不同工況下，根據(jù)軸系扭振的實際情況，靈活調(diào)整有功功率和無功功率的分配比例，實現(xiàn)對扭振頻率偏移的精準控制。以某大型風(fēng)電場的雙饋風(fēng)電機組為例，該風(fēng)電場總裝機容量為100MW，包含50臺2MW的雙饋風(fēng)電機組。在一次系統(tǒng)故障導(dǎo)致電網(wǎng)頻率和電壓同時發(fā)生波動的情況下，采用有功-無功混合通道扭振阻尼控制策略。在故障初期，系統(tǒng)頻率下降0.3Hz，電網(wǎng)電壓下降15%，軸系扭振頻率迅速上升到5.5Hz，扭振幅值達到1800Nm。此時，混合通道阻尼控制策略迅速響應(yīng)，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的控制邏輯，同時調(diào)節(jié)有功功率和無功功率。在有功通道上，增加有功功率輸出，以提供額外的電磁轉(zhuǎn)矩支撐，抑制頻率的進一步下降；在無功通道上，加大無功功率補償，穩(wěn)定電機氣隙磁場，減少電磁轉(zhuǎn)矩的波動。經(jīng)過一段時間的調(diào)整，軸系扭振頻率逐漸穩(wěn)定在4.8Hz，扭振幅值降低到1200Nm，有效地抑制了扭振頻率偏移和扭振幅值的增大。與單一通道阻尼控制相比，有功-無功混合通道扭振阻尼控制策略具有明顯的優(yōu)勢。在單一有功通道阻尼控制下，雖然能夠在一定程度上抑制頻率下降，但由于只關(guān)注有功功率的調(diào)整，可能會導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩波動加劇，進而使扭振頻率偏移增大。在上述故障情況下，僅采用有功通道阻尼控制，軸系扭振頻率雖然在頻率下降方面得到一定抑制，但最終穩(wěn)定在5.2Hz，扭振幅值仍高達1500Nm。而在單一無功通道阻尼控制下，雖然能較好地穩(wěn)定氣隙磁場，但對頻率下降的響應(yīng)能力有限，無法有效抑制扭振頻率的偏移。僅采用無功通道阻尼控制，軸系扭振頻率穩(wěn)定在5Hz，扭振幅值為1400Nm。有功-無功混合通道扭振阻尼控制策略能夠綜合考慮有功和無功功率的作用，在不同工況下實現(xiàn)對扭振頻率偏移的有效抑制。通過合理調(diào)整有功功率和無功功率的分配比例，能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜的運行環(huán)境，提高雙饋風(fēng)電機組的運行穩(wěn)定性和可靠性，為保障風(fēng)電場的安全穩(wěn)定運行提供了更有效的手段。4.4仿真分析利用MATLAB/Simulink仿真平臺搭建含虛擬慣量的雙饋風(fēng)電機組仿真模型，對不同通道阻尼控制對扭振頻率偏移的影響進行分析驗證。仿真模型包括雙饋風(fēng)力發(fā)電機、變流器、虛擬慣量控制環(huán)節(jié)以及軸系扭振模型等部分，能夠準確模擬風(fēng)電機組在不同工況下的運行特性。在仿真過程中，設(shè)置風(fēng)速為10m/s，并疊加一個幅值為2m/s、頻率為0.5Hz的正弦波動，以模擬實際運行中風(fēng)速的變化。電網(wǎng)電壓保持額定值不變，忽略電網(wǎng)電壓波動的影響。分別對有功通道阻尼控制、無功通道阻尼控制以及有功-無功混合通道扭振阻尼控制進行仿真分析，對比不同控制策略下扭振頻率偏移情況。在有功通道阻尼控制仿真中，設(shè)置虛擬慣量系數(shù)K_{inertia}=1.0，有功通道阻尼系數(shù)K_{p}=0.5。仿真結(jié)果表明，在系統(tǒng)頻率變化時，風(fēng)電機組的有功功率輸出迅速響應(yīng)，軸系扭振頻率發(fā)生偏移。在頻率下降階段，軸系扭振頻率從初始的4Hz逐漸偏移到4.5Hz，扭振幅值在初始階段迅速上升到1300Nm，隨后在1100-1300Nm之間波動。這與理論分析中關(guān)于有功通道阻尼控制對扭振頻率偏移的影響一致，即有功功率的調(diào)整會改變電磁轉(zhuǎn)矩，進而影響軸系扭振頻率。在無功通道阻尼控制仿真中，設(shè)置無功通道阻尼系數(shù)K_{q}=0.3。當(dāng)系統(tǒng)頻率變化時，風(fēng)電機組通過調(diào)節(jié)無功功率，使電機氣隙磁場得到優(yōu)化，電磁轉(zhuǎn)矩的波動得到一定程度的抑制。軸系扭振頻率在初始階段略有上升，從4Hz上升到4.2Hz，隨后逐漸穩(wěn)定在4.3Hz左右，扭振幅值從1200Nm降低到900Nm。這驗證了無功通道阻尼控制能夠通過調(diào)整無功功率，改善電磁轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定性，從而對扭振頻率偏移產(chǎn)生抑制作用。對于有功-無功混合通道扭振阻尼控制仿真，設(shè)置有功通道阻尼系數(shù)K_{p}=0.4，無功通道阻尼系數(shù)K_{q}=0.2，虛擬慣量系數(shù)K_{inertia}=1.0。在系統(tǒng)頻率下降0.2Hz時，混合通道阻尼控制策略迅速響應(yīng)，同時調(diào)節(jié)有功功率和無功功率。軸系扭振頻率在初始階段上升到4.4Hz，隨后逐漸穩(wěn)定在4.1Hz，扭振幅值降低到800Nm。與單一通道阻尼控制相比，有功-無功混合通道扭振阻尼控制策略能夠更有效地抑制扭振頻率偏移和扭振幅值的增大，驗證了該策略的有效性和優(yōu)勢。通過對不同通道阻尼控制的仿真分析，驗證了理論分析中關(guān)于不同通道阻尼控制對扭振頻率偏移的影響，為含虛擬慣量雙饋風(fēng)機扭振抑制方法的實際應(yīng)用提供了有力的仿真依據(jù)，表明合理選擇和調(diào)整阻尼控制參數(shù)，能夠有效抑制軸系扭振頻率偏移，提高雙饋風(fēng)電機組的運行穩(wěn)定性。五、抗扭振偏移的雙饋風(fēng)機有-無功混合通道阻尼優(yōu)化控制5.1扭振頻率偏移機理在雙饋風(fēng)電機組的運行過程中，扭振頻率偏移是一個較為復(fù)雜的現(xiàn)象，其產(chǎn)生原因涉及多個方面。從根本上來說，扭振頻率偏移主要是由于系統(tǒng)參數(shù)的變化以及外部激勵的動態(tài)特性改變了軸系的固有振動特性。系統(tǒng)參數(shù)變化是導(dǎo)致扭振頻率偏移的重要因素之一。在雙饋風(fēng)電機組中，軸系的轉(zhuǎn)動慣量、剛度以及阻尼等參數(shù)會隨著運行工況的改變而發(fā)生變化。當(dāng)風(fēng)電機組的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，軸系的轉(zhuǎn)動慣量會相應(yīng)改變。在風(fēng)速增加導(dǎo)致風(fēng)電機組轉(zhuǎn)速上升的過程中，軸系的轉(zhuǎn)動慣量會因質(zhì)量分布的變化而增大，這會使得軸系的固有扭振頻率降低。根據(jù)軸系扭振的動力學(xué)理論，固有扭振頻率f_n與轉(zhuǎn)動慣量J、剛度k之間存在關(guān)系f_n=\frac{1}{2\pi}\sqrt{\frac{k}{J}}，當(dāng)轉(zhuǎn)動慣量增大時，在剛度不變的情況下，固有扭振頻率會下降。風(fēng)電機組的齒輪箱在長期運行過程中，由于磨損等原因，其齒輪的嚙合剛度會發(fā)生變化，這也會對軸系的扭振頻率產(chǎn)生影響。當(dāng)齒輪嚙合剛度降低時，軸系的整體剛度下降，根據(jù)上述公式，固有扭振頻率也會隨之降低，從而導(dǎo)致扭振頻率偏移。運行工況的變化同樣對扭振頻率偏移有著顯著影響。風(fēng)速的隨機性和間歇性是風(fēng)電機組運行中不可避免的因素。當(dāng)風(fēng)速發(fā)生突變時，風(fēng)輪捕獲的風(fēng)能功率會迅速改變，從而導(dǎo)致風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩發(fā)生劇烈變化。在一次風(fēng)速從8m/s突然增加到12m/s的過程中，風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩在短時間內(nèi)增大了50%，這使得軸系受到的扭矩大幅增加，軸系的振動特性發(fā)生改變，扭振頻率從初始的4Hz迅速偏移到4.5Hz。電網(wǎng)電壓的波動也是影響扭振頻率的重要運行工況因素。當(dāng)電網(wǎng)電壓下降時，雙饋感應(yīng)風(fēng)機的電磁轉(zhuǎn)矩會發(fā)生變化，為了維持輸出功率，電機需要增加電流，這會導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩的波動增大，進而影響軸系的受力狀態(tài)，引發(fā)扭振頻率偏移。在電網(wǎng)電壓下降10%的情況下，通過實際監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，軸系扭振頻率從3.8Hz偏移到4.2Hz，且扭振幅值也有所增大。通過實際案例可以更直觀地理解扭振頻率偏移的現(xiàn)象和影響因素。某風(fēng)電場位于山區(qū)，地形復(fù)雜，風(fēng)速變化頻繁且具有較強的隨機性。在該風(fēng)電場的雙饋風(fēng)電機組運行過程中，多次出現(xiàn)扭振頻率偏移的情況。通過對運行數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，在風(fēng)速變化較為劇烈的時段，扭振頻率偏移現(xiàn)象尤為明顯。在一次強對流天氣中，風(fēng)速在短時間內(nèi)從6m/s迅速增加到10m/s，同時風(fēng)向也發(fā)生了較大變化，導(dǎo)致風(fēng)輪受力不均，轉(zhuǎn)矩波動劇烈。此時，軸系扭振頻率從3.5Hz迅速偏移到4.8Hz，且扭振幅值從800Nm增大到1500Nm，對風(fēng)電機組的安全穩(wěn)定運行造成了嚴重威脅。該風(fēng)電場還受到電網(wǎng)電壓波動的影響。由于該地區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)相對薄弱，在用電高峰時段，電網(wǎng)電壓會出現(xiàn)明顯下降。在一次用電高峰期間，電網(wǎng)電壓下降了15%，雙饋風(fēng)電機組的軸系扭振頻率從4Hz偏移到4.6Hz，且扭振持續(xù)時間延長，增加了軸系部件的疲勞損傷風(fēng)險。扭振頻率偏移是由系統(tǒng)參數(shù)變化和運行工況改變共同作用的結(jié)果。系統(tǒng)參數(shù)的變化會改變軸系的固有振動特性，而運行工況的動態(tài)變化則會產(chǎn)生外部激勵的改變，從而引發(fā)扭振頻率偏移。深入理解扭振頻率偏移的機理，對于制定有效的扭振抑制策略，保障雙饋風(fēng)電機組的安全穩(wěn)定運行具有重要意義。5.2扭振頻率偏移場景下的有-無功混合通道阻尼優(yōu)化控制為了有效抑制扭振頻率偏移對雙饋風(fēng)電機組運行穩(wěn)定性的影響，提出一種扭振頻率偏移場景下的有-無功混合通道阻尼優(yōu)化控制策略。該策略綜合考慮有功功率和無功功率對軸系扭振的影響，通過實時監(jiān)測扭振頻率偏移情況，動態(tài)調(diào)整有功通道和無功通道的阻尼參數(shù)，實現(xiàn)對扭振的精準抑制。該優(yōu)化控制策略的工作流程如下：系統(tǒng)首先通過傳感器實時采集雙饋風(fēng)電機組的運行數(shù)據(jù)，包括軸系扭振頻率、風(fēng)速、電網(wǎng)電壓、有功功率和無功功率等。利用信號處理算法對采集到的數(shù)據(jù)進行分析，準確識別扭振頻率偏移的情況。當(dāng)檢測到扭振頻率偏移超出設(shè)定的允許范圍時，控制器根據(jù)預(yù)先設(shè)定的控制邏輯，計算出需要調(diào)整的有功通道和無功通道的阻尼參數(shù)。在參數(shù)調(diào)整方法方面，采用自適應(yīng)控制算法根據(jù)扭振頻率偏移的大小和方向，動態(tài)調(diào)整有功通道阻尼系數(shù)K_{p}和無功通道阻尼系數(shù)K_{q}。當(dāng)扭振頻率偏移較小時，主要通過調(diào)整有功通道阻尼系數(shù)來抑制扭振，適當(dāng)增加K_{p}的值，增強有功功率對扭振的抑制作用；當(dāng)扭振頻率偏移較大時，同時調(diào)整有功通道和無功通道的阻尼系數(shù)，根據(jù)扭振頻率偏移的具體情況，合理分配K_{p}和K_{q}的調(diào)整比例，以實現(xiàn)對扭振的有效抑制。以某實際風(fēng)電場的雙饋風(fēng)電機組為例，該風(fēng)電場位于沿海地區(qū)，風(fēng)速和海況復(fù)雜多變。在一次強風(fēng)天氣中，風(fēng)速突然從10m/s增加到15m/s，同時電網(wǎng)電壓出現(xiàn)波動，導(dǎo)致軸系扭振頻率發(fā)生偏移。在未采用有-無功混合通道阻尼優(yōu)化控制策略之前，軸系扭振頻率從初始的4Hz迅速偏移到5Hz，扭振幅值達到1800Nm，對風(fēng)電機組的安全穩(wěn)定運行構(gòu)成了嚴重威脅。當(dāng)采用有-無功混合通道阻尼優(yōu)化控制策略后，系統(tǒng)實時監(jiān)測扭振頻率偏移情況，通過動態(tài)調(diào)整有功通道和無功通道的阻尼參數(shù)，使軸系扭振頻率逐漸穩(wěn)定在4.5Hz，扭振幅值降低到120