一种风力发电机组转矩脉动优化设计方法与流程

本发明涉及风力发电领域，具体涉及一种风力发电机组转矩脉动优化设计方法。

背景技术：

随着大功率风力发电机组的发展，基于igct等功率器件的中压大功率风电变流器，因其结构简单、容易控制、性能稳定、电压等级高、单机容量大、电能质量好、可靠性高、故障率低等优点，越来越受到整机厂商的青睐，但受其功率器件开关频率较低的影响，其表现出的电流谐波含量较传统的低压变流器偏大，导致机组转矩脉动较大，较大的转矩脉动严重时将影响发电机的正常运行，甚至存在因转矩脉动较大引起机组传动链共振，损坏发电机轴承，损坏机组传动链的风险，造成巨大的经济损失。因此，在设计风力发电机组的过程中，必须要考虑发电机与变流器的匹配设计问题，通过技术手段减小机组转矩脉动，保证风力发电机组正常稳定运行。

风电变流器功率器件的快速开通、关断过程中将不可避免的产生电流谐波，该电流谐波作为风力发电机输入的激励源，将引起发电机输入转矩的持续波动，即引起发电机转矩脉动（主要包括谐波转矩脉动及齿槽转矩脉动，其中，谐波转矩脉动主要由变流器引起，齿槽转矩脉动受发电机设计方案影响，比如采用直槽（直极）设计通常齿槽转矩脉动较大，采用斜槽（斜极）设计齿槽转矩脉动较小）。

此前，针对风电机组设计过程中由于变流器电流谐波引起的转矩脉动问题，低压发电系统的设计方法通常是，在确定电机参数的前提下，通过相关仿真软件分析得出变流器电流谐波含量，结合变流器自身的控制算法，再加上在变流器机侧设计相应的滤波器（有时还设计有陷波器，目的是消除特定次谐波），把变流器输出电流谐波含量控制在较低水平，通常不需要再校核该电流谐波引起的转矩脉动对发电机及传动链等的影响，该方法得益于低压变流器功率器件开关频率较高，通常可达2～3k的开关频率（甚至更高），因此可将电流谐波含量控制在较低水平，较低的电流谐波含量所引起的电磁转矩脉动较小，根据工程设计经验，不会对发电机及传动链的运行造成影响。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明提供的一种风力发电机组转矩脉动优化设计方法，以解决采用中压大功率风电机组方案时，发电机不可避免会由于变流器电流谐波含量较高引起发电机电磁转矩脉动较大的技术问题。

为了实现上述目的，本发明通过如下技术方案来实现：

一种风力发电机组转矩脉动优化设计方法，包括如下步骤：

s1、设计发电机初步方案（含等效参数），并基于ansoft建立发电机三维模型；

s2、设计变流器初步方案，并基于matlab建立变流器三维模型，将发电机等效参数作为变流器模型的输入，联合仿真得出机侧变流器三相电流谐波含量；；

s3、将所述机侧变流器三相电流谐波含量作为激励源加入ansoft中的所述发电机三维模型中进行发电系统转矩脉动联合仿真，得到发电机转矩脉动波形图以及发电机转矩脉动；

s4、若所述转矩脉动>5%，则重新调整所述变流器初步方案，并重复上述步骤s2→s3；

若所述转矩脉动≤5%，则确定发电机设计方案和变流器设计方案并结束仿真。

可选地，在步骤s4中，还包括同时调整发电机初步方案，并在重复步骤s2→s3之前，先重复步骤s1。

可选地，通过累计不少于30次调整变流器初步设计方案得到的转矩脉动仍>5%，则同步调整发电机初步方案。

可选地，通过累计30次调整变流器初步设计方案得到的转矩脉动均>6.5%，则同步调整发电机初步方案。

可选地，所述变流器初步方案的调整包括改变变流器载波比和改变变流器载波调制方式。

可选地，所述发电机初步方案的调整包括改变d/q轴电感和改变发电机槽型配合设计。

可选地，在步骤s2中，至少在额定工况、机组运行最低转速对应的工况、机组运行最高转速对应的工况、30%转速对应工况及60%转速对应工况下分别进行matlab联合谐波仿真。

可选地，在步骤s3中，所述发电机转矩脉动为所述转矩脉动波形图的峰峰值与平均值之比。

本发明的有益效果：

本发明提供的一种风力发电机组转矩脉动优化设计方法，在明确变流器初步方案和发电机初步方案的前提下，通过matlab工具仿真得出机侧变流器三相电流谐波含量，将机侧变流器三相电流谐波含量作为发电机输入激励源，基于ansoft仿真发电机的转矩脉动情况，如转矩脉动≤5%，则确定变流器与发电机技术方案，否则需要反复迭代、修正变流器和/或发电机设计方案，直至转矩脉动满足机组设计要求。本方法，通过在机组设计之初通过仿真手段确定所设计的变流器及发电机完全满足机组使用需求，实现发电机与变流器的协同设计、匹配设计，以有效的降低变流器电流谐波引起机组的转矩脉动，减轻转矩脉动对发电机及机组传动链运行的影响，保证风力发电机组正常稳定运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为一种风力发电机组转矩脉动优化设计方法的流程图；

图2为一种风力发电机组转矩脉动优化设计方法另一实施例的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

请参阅图1，本发明提供的一种风力发电机组转矩脉动优化设计方法，包括如下步骤：

s1、根据机组设计需求设计发电机初步方案（含等效参数），进而明确了发电机初步设计参数，包括额定功率、额定转矩、额定电压、额定转速、额定频率、转速范围、功率因素、电机级数、漏抗、电阻、d轴电感、q轴电感等，并基于ansoft建立发电机三维模型；

s2、根据机组设计需求设计变流器初步方案，并基于matlab建立变流器三维模型，将发电机等效参数作为变流器模型的输入，联合仿真得出机侧变流器三相电流谐波含量；

s3、将所述机侧变流器三相电流谐波含量作为激励源加入ansoft中的所述发电机三维模型中进行发电系统转矩脉动联合仿真，得到发电机转矩脉动波形图以及发电机转矩脉动，其中所述发电机转矩脉动为所述转矩脉动波形图的峰峰值与平均值之比；

s4、若所述转矩脉动>5%，则重新调整所述变流器初步方案，并重复上述步骤s2→s3；

若所述转矩脉动≤5%，则确定发电机设计方案和变流器设计方案并结束仿真。

具体地，所述变流器初步方案的调整包括以下两种调整方案：

a、改变变流器载波比，理论上载波比越大，变流器开关器件调制频率越高，调制效果越好，转矩脉动幅值越小，但是过高的开关频率会带来器件发热、损耗增加等问题，因此需要选择合适的载波比；

b、改变变流器载波调制方式，常见变流器载波有pwm、svpwm、shepwm等调试方式，在发电机参数一致的前提下，不同的调试方式会产生不同的转矩脉动，调试方式的驱动程序复杂程度也不一样，因此在设计变流器时，不同厂家会选择不同的载波比调试方式，因此，本专利所表述的调制方式不唯一，厂家可以根据自身企业研发水平以及擅长的技术选择不同的调试方式。

作为对上述方案的进一步改进，请参阅图2，在步骤s4中，还包括同时调整发电机初步方案，并在重复步骤s2→s3之前，先重复步骤s1。具体地，通过累计不少于30次调整变流器初步设计方案得到的转矩脉动仍>5%，则同步调整放电机初步方案。一个实施例，若累计30次调整变流器初步设计方案得到的转矩脉动均>6.5%，则同步调整发电机初步方案。

具体地，所述发电机初步方案的调整包括以下两种调整方案：

a、改变d/q轴电感，增大d/q轴电感，对转矩脉动有利，但是增大d/q轴电感设计值将导致发电机成本的增加，需要考虑方案经济性的问题；

b、改变发电机槽型配合设计可以降低电机齿槽转矩。通常情况如设计成直槽（直极）方案；其优点是设计简单，嵌线相对容易，电机生产工艺较简单，缺点是齿槽转矩较大，对转矩脉动不利；采用斜槽（斜级）设计对转矩脉动有利，但是嵌线工艺更加复杂。

作为对上述方案的进一步改进，在步骤s2中，至少在额定工况、机组运行最低转速对应的工况、机组运行最高转速对应的工况、30%转速对应工况及60%转速对应工况下分别进行matlab联合谐波仿真，通过在各种工况下仿真发电机产生的转矩脉动，并使各工况下转矩脉动均≤5%方可结束仿真。

本方法，在机组设计之初发电机及变流器设计方案的反复迭代修正，最终使得变流器谐波电流引起的转矩脉动满足机组设计满足，完成发电机与变流器的协同设计、匹配设计，以有效的降低变流器电流谐波引起机组的转矩脉动，减轻转矩脉动对发电机及机组传动链运行的影响，保证风力发电机组正常稳定运行。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。