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摘 要：论文旨在探讨机械轴系模型带给直驱永磁同步风力发电机暂态机制的影响，分析了直驱永磁同步风力发电机的机械轴系模型，主要有两质块模型和单质块模型两种。并探讨了两质块模型和单质块模型带给直驱永磁同步风力发电机暂态响应的影响，确定机械轴系模型的暂态响应特性，明确直驱永磁同步风力发电机暂态机械轴系模型选取原则。结果表明两质块模型和单质块模型减少了直驱永磁同步风力发电机暂态震荡幅度值，一旦不进行附加阻尼控制，机械轴系模型需要做好两质块模型的暂态研究，借助于阻尼控制直驱风机的控制，并应用单质块模型机械轴系的暂态行为。
关键词：机械轴系模型；直驱永磁同步风力发电机；暂态机制；仿真
中图分类号： TH132 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2017）03-193-2
0 引言
21世纪的今天，我国越来越注重风力发电的多方面发展，逐渐扩大风电并网规模的发展。本文关于机械轴系模型带给直驱永磁同步风力发电机暂态机制的影响研究，主要是结合能量守恒基本原理，做好两质块模型和单质块模型的有效模拟应用，确定暂态分析结果的有效性，尽可能地做好两质块模型和单质块模型的有效性应用分析，实现暂态响应特性的分析，做好理论性正确性应用管理，确定机组机械轴系模型选取理念。
1 直驱永磁同步风力发电机的机械轴系模型
1.1 两质块模型
直驱永磁同步风力发电机结构如图1所示。
发电机和风轮机在低速传动轴连接下，借助于全载背靠背变流器接入电网控制，进而做好应力分析管理工作，同时确定风机的暂态特性应用，做好风轮机的有效控制和管理。关于直驱永磁同步风力发电机的机械轴系特性的确定，其两质块模型示意图如图2所示。
就两质块模型的数学表达，如下所示：
时间用t表示，其中风轮机质块用Jt表示，发电机质块的转动惯量用Jg表示。基于风轮机转速的表达，用ω1表示，发电机转速用ω2表示，关于风轮机质块自阻尼系数用D1表示，发电机质块自阻尼系数用Dg表示，在风轮机空气动力学模型的探讨过程，结合传动轴的扭转角应用，做好发电机输出电磁转矩的规模化控制和管理。同时传动轴的机械转矩输出而言，用Tsharf表示，如下所示：Tsharf=Kθs+Ds（ωt-ωg）
传动轴的刚度用K表示，传动轴扭转阻尼系数用Ds表示。
1.2 单质块模型
基于机械轴系单质块模型的确定，主要是结合风轮机和发电机的不同转速控制，进而做好风轮机质块的集中化处理，确定质量块的结构，并确定直驱永磁同步风力发电机的单质块模型。关于直驱永磁同步风力发电机机械轴系單质块模型，如图3所示。
单质块转动惯量用J表示，单质块转速用ω表示，单质块自阻尼系数用D表示。
2 机械轴系模型影响直驱永磁同步风力发电机暂态机制分析
2.1 两质块模型带给直驱永磁同步风力发电机暂态响应的影响
基于两质块模型的确定，结合发电机转速变化进行分析，机械轴系阻尼损耗忽略，同时在暂态研究阶段，尽可能地确定风速恒定控制，并确定风机转速变化幅度的小范围，并做好风轮机捕获的机械功率确定工作，实现故障前稳态值的有效维持。基于两质块模型应用中，保证有着较大转动惯量，同时在风轮机转速变化的同时，和故障前稳态值大致相同。基于直驱永磁同步风力发电机机械轴系两质块模型能量的确定，用EW表示风轮机捕获的风能，用Etk表示风轮机质块旋转功能，用ESP表示传动轴扭转势能，同时用Egk表示发电机质块的旋转功能。可以得到如下所示：
ΔEsp+ΔEgk=PmoΔt-（PeoΔt+ΔEe）=-ΔEe
其中发电机故障发生之前的电磁功率稳态值用Pe0表示。
在Δt时间发电机转速变化量控制过程，如下所示：
基于数值正负号的分析，主要是结合发电机质块的分析，并确定传动轴扭转角的具体变化情况，一旦减少了θs，传动轴将会释放扭转势能，加速了发电机质块的运行。
2.2 单质块模型对直驱永磁同步风力发电机暂态响应的影响
基于单质块模型的分析，在确定机械轴系的同时，确定发电机转速以及风轮机转速的管理应用，进而做好机械轴系单质块能量的功能性应用和管理。尤其是风轮机捕获的风能以及单质块旋转功能应用，在能量守恒原理基础上，确定能量之间的关系，单质块的旋转功能用Esmk表示，也即：
ΔEsmk=EW-Ee
直驱永磁同步风力发电机的功能性分析过程，就要分析风轮机捕获机械功率的分析，确定稳态值结构，并做好两质块模型的有效处理和应用。也即：
ΔEsmk=PmoΔt-（PeoΔt+ΔEe）=-ΔEe
2.3 对比分析
对比分析之后，单质块模型模拟过程，结合机械轴系的有效性应用和分析，确定两质块模型的情况应用，在单质块模型的变化过程，使得转动惯量惯性作用逐渐放大，同时单质块模型也要结合实际的计算结果，尽可能地不断提升传动轴扭转的能量问题。在机械轴系单质块的分析过程中，减少了机组机械轴系暂态响应震荡幅度。关于机械轴系的两质块模型使用过程，结合发电机侧微弱暂态响应结果，分析机械轴系模型的多种暂态分析结构，确定附加阻尼控制相关关系，进而体现出暂态响应特性。
3 仿真分析
仿真系统应用DIgSILENT/PowerFactory软件进行搭建，确定单机接入无穷大电网仿真实例，并确定主要参数设置。系统暂态期间风速变化的考虑分析，确定风速恒特征，做好机械轴系的两质块模型分析，实现单质块模型的仿真应用。仿真过程的实例，如图4所示。
关于参数的确定，额定有功为2MW，额定电压为0.69kV，公里因数为1，额定频率为15Hz，极对数为45。仿真结果的分析，主要是不进行阻尼控制，通过在HV节点进行短路故障的设置，在故障发生1s之后，进行短路电阻的控制管理，做好短路接地的处理，同时在发电机转速的控制过程，基于A相短路接地，单质块模型模拟过程，结合机组暂态响应的振荡分析，确定两质块模型的整体状况，进而实现机组的模型确定。机械轴系一旦应用单质块模型，机组受扰程度也就相对较小，在仿真过程中发电机转速振荡失稳现象也就逐渐掩盖。
4 结论
总而言之，基于能量守恒原理的分析，结合两质块模型的应用分析，在机械轴系等效模型影响下，机械轴系单质块模型的影响结果较大，机组转动惯量惯性作用放大，同时传动轴扭转能量影响逐渐忽略，降低了机械轴系暂态震荡的幅度。
参 考 文 献
[1] 刘胜永，张兴，谢震，等.风力发电系统机械传动机构动态模型研究[J].太阳能学报，2011，32（8）：1257-1263.
[2] 魏巍，刘莹，丁理杰，等.改进的双馈风力发电系统小干扰模型[J].电网技术，2013，10（10）：2904-2911.
关键词：机械轴系模型；直驱永磁同步风力发电机；暂态机制；仿真
中图分类号： TH132 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2017）03-193-2
0 引言
21世纪的今天，我国越来越注重风力发电的多方面发展，逐渐扩大风电并网规模的发展。本文关于机械轴系模型带给直驱永磁同步风力发电机暂态机制的影响研究，主要是结合能量守恒基本原理，做好两质块模型和单质块模型的有效模拟应用，确定暂态分析结果的有效性，尽可能地做好两质块模型和单质块模型的有效性应用分析，实现暂态响应特性的分析，做好理论性正确性应用管理，确定机组机械轴系模型选取理念。
1 直驱永磁同步风力发电机的机械轴系模型
1.1 两质块模型
直驱永磁同步风力发电机结构如图1所示。
发电机和风轮机在低速传动轴连接下，借助于全载背靠背变流器接入电网控制，进而做好应力分析管理工作，同时确定风机的暂态特性应用，做好风轮机的有效控制和管理。关于直驱永磁同步风力发电机的机械轴系特性的确定，其两质块模型示意图如图2所示。
就两质块模型的数学表达，如下所示：
时间用t表示，其中风轮机质块用Jt表示，发电机质块的转动惯量用Jg表示。基于风轮机转速的表达，用ω1表示，发电机转速用ω2表示，关于风轮机质块自阻尼系数用D1表示，发电机质块自阻尼系数用Dg表示，在风轮机空气动力学模型的探讨过程，结合传动轴的扭转角应用，做好发电机输出电磁转矩的规模化控制和管理。同时传动轴的机械转矩输出而言，用Tsharf表示，如下所示：Tsharf=Kθs+Ds（ωt-ωg）
传动轴的刚度用K表示，传动轴扭转阻尼系数用Ds表示。
1.2 单质块模型
基于机械轴系单质块模型的确定，主要是结合风轮机和发电机的不同转速控制，进而做好风轮机质块的集中化处理，确定质量块的结构，并确定直驱永磁同步风力发电机的单质块模型。关于直驱永磁同步风力发电机机械轴系單质块模型，如图3所示。
单质块转动惯量用J表示，单质块转速用ω表示，单质块自阻尼系数用D表示。
2 机械轴系模型影响直驱永磁同步风力发电机暂态机制分析
2.1 两质块模型带给直驱永磁同步风力发电机暂态响应的影响
基于两质块模型的确定，结合发电机转速变化进行分析，机械轴系阻尼损耗忽略，同时在暂态研究阶段，尽可能地确定风速恒定控制，并确定风机转速变化幅度的小范围，并做好风轮机捕获的机械功率确定工作，实现故障前稳态值的有效维持。基于两质块模型应用中，保证有着较大转动惯量，同时在风轮机转速变化的同时，和故障前稳态值大致相同。基于直驱永磁同步风力发电机机械轴系两质块模型能量的确定，用EW表示风轮机捕获的风能，用Etk表示风轮机质块旋转功能，用ESP表示传动轴扭转势能，同时用Egk表示发电机质块的旋转功能。可以得到如下所示：
ΔEsp+ΔEgk=PmoΔt-（PeoΔt+ΔEe）=-ΔEe
其中发电机故障发生之前的电磁功率稳态值用Pe0表示。
在Δt时间发电机转速变化量控制过程，如下所示：
基于数值正负号的分析，主要是结合发电机质块的分析，并确定传动轴扭转角的具体变化情况，一旦减少了θs，传动轴将会释放扭转势能，加速了发电机质块的运行。
2.2 单质块模型对直驱永磁同步风力发电机暂态响应的影响
基于单质块模型的分析，在确定机械轴系的同时，确定发电机转速以及风轮机转速的管理应用，进而做好机械轴系单质块能量的功能性应用和管理。尤其是风轮机捕获的风能以及单质块旋转功能应用，在能量守恒原理基础上，确定能量之间的关系，单质块的旋转功能用Esmk表示，也即：
ΔEsmk=EW-Ee
直驱永磁同步风力发电机的功能性分析过程，就要分析风轮机捕获机械功率的分析，确定稳态值结构，并做好两质块模型的有效处理和应用。也即：
ΔEsmk=PmoΔt-（PeoΔt+ΔEe）=-ΔEe
2.3 对比分析
对比分析之后，单质块模型模拟过程，结合机械轴系的有效性应用和分析，确定两质块模型的情况应用，在单质块模型的变化过程，使得转动惯量惯性作用逐渐放大，同时单质块模型也要结合实际的计算结果，尽可能地不断提升传动轴扭转的能量问题。在机械轴系单质块的分析过程中，减少了机组机械轴系暂态响应震荡幅度。关于机械轴系的两质块模型使用过程，结合发电机侧微弱暂态响应结果，分析机械轴系模型的多种暂态分析结构，确定附加阻尼控制相关关系，进而体现出暂态响应特性。
3 仿真分析
仿真系统应用DIgSILENT/PowerFactory软件进行搭建，确定单机接入无穷大电网仿真实例，并确定主要参数设置。系统暂态期间风速变化的考虑分析，确定风速恒特征，做好机械轴系的两质块模型分析，实现单质块模型的仿真应用。仿真过程的实例，如图4所示。
关于参数的确定，额定有功为2MW，额定电压为0.69kV，公里因数为1，额定频率为15Hz，极对数为45。仿真结果的分析，主要是不进行阻尼控制，通过在HV节点进行短路故障的设置，在故障发生1s之后，进行短路电阻的控制管理，做好短路接地的处理，同时在发电机转速的控制过程，基于A相短路接地，单质块模型模拟过程，结合机组暂态响应的振荡分析，确定两质块模型的整体状况，进而实现机组的模型确定。机械轴系一旦应用单质块模型，机组受扰程度也就相对较小，在仿真过程中发电机转速振荡失稳现象也就逐渐掩盖。
4 结论
总而言之，基于能量守恒原理的分析，结合两质块模型的应用分析，在机械轴系等效模型影响下，机械轴系单质块模型的影响结果较大，机组转动惯量惯性作用放大，同时传动轴扭转能量影响逐渐忽略，降低了机械轴系暂态震荡的幅度。
参 考 文 献
[1] 刘胜永，张兴，谢震，等.风力发电系统机械传动机构动态模型研究[J].太阳能学报，2011，32（8）：1257-1263.
[2] 魏巍，刘莹，丁理杰，等.改进的双馈风力发电系统小干扰模型[J].电网技术，2013，10（10）：2904-2911.