[发明专利]一种风力发电机组转矩脉动优化设计方法

说明书

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。

技术领域

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。

发明内容

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，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。