自稳速型风电机组运行特性分析与试验研究

doi:10.3901/JME.2025.02.321

机械工程学报 ›› 2025, Vol. 61 ›› Issue (2): 321-329.doi: 10.3901/JME.2025.02.321

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自稳速型风电机组运行特性分析与试验研究

尹文良^1,2, 王乐¹, 刘琳², 张文华¹, 王子威¹, 芮晓明³

1. 山东理工大学电气与电子工程学院淄博 255000;
2. 悉尼科技大学电气与数据工程学院悉尼 2007 澳大利亚;
3. 华北电力大学能源动力与机械工程学院北京 102206

收稿日期:2024-01-25 修回日期:2024-09-21 发布日期:2025-02-26
作者简介:尹文良，男，1991年出生，博士，副教授，硕士研究生导师。主要研究方向为风力发电技术与装备，旋转机械动力学，风电制氢储能。E-mail：yinwenliang@sdut.edu.cn;刘琳(通信作者)，女，1994年出生，博士研究生。主要研究方向为电机及其驱动系统，风电机组建模及仿真。E-mail：Lin.Liu-1@uts.edu.au
基金资助:
国家自然科学基金(52005306)、山东省高等学校青创科技支持计划(2022KJ323)和山东省自然科学基金(ZR2020QE220)资助项目。

Operation Characteristics and Experimental Investigation of Wind Turbine with the Self-stabilizing Speed Regulating Differential Mechanism

YIN Wenliang^1,2, WANG Yue¹, LIU Lin², ZHANG Wenhua¹, WANG Ziwei¹, RUI Xiaoming³

1. School of Electrical and Electronic Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255000;
2. School of Electrical and Data Engineering, University of Technology Sydney, Sydney 2007, Australia;
3. School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power Engineering, Beijing 102206

Received:2024-01-25 Revised:2024-09-21 Published:2025-02-26

摘要/Abstract

摘要： 差动调速型风电系统，可在无需电力电子变频设备时与电网友好连接，有望解决现役主流变速恒频并网风力机无功功耗大、低电压穿越能力弱、输出电能质量和动态稳定性不高等问题。为了进一步提升该型风电系统的运行性能，消除高成本传感、控制单元及大功率伺服电动机带来的不利影响，提出一种新颖的具备自稳速功能的差动调速型风电系统传动方案。以自稳速风力机为研究对象，在确定其传动系统配置形式的基础上，推导所提机组的传动原理，并对其传动特性展开深入研究。搭建自稳速型风电机组半物理试验平台，利用岭回归算法计算得到试验台关键惯量和阻尼参数。最终在变化风速下，开展仿真和试验研究，验证所提风电机组的可行性和优越性。

关键词: 风力发电, 齿轮传动, 差动调速, 机械特性, 并网性能, 试验研究

Abstract: Wind power generation system, equipped with the speed regulating differential mechanism (SRDM), is able to be friendly connected to the power grid without the need for partially- or fully-rated converters. The novel alternative transmission schemes have shown promising potential in addressing several issues present in existing variable speed constant frequency grid-connected wind turbines(WTs), such as huge reactive power consumption, weak low voltage ride through ability as well as unsatisfactory output power quality and dynamic stability. To further improve the operational performance of SDRM-based WT and eliminate the adverse effects caused by the high-cost sensors, high-power speed regulating motor and corresponding expensive control units, a novel WT transmission scheme equipped with a self-stabilizing SRDM is proposed. Taking the self-stabilizing SRDM-based WT as the research object, its kinematic principles and transmission characteristics are thoroughly studied, on the basis of determining the structural configuration of the proposed transmission system. A dedicated semi-physical experimental platform is constructed, and its key inertia and damping parameters are calculated by using the ridge regression algorithm. Finally, simulation and experimental case studies are conducted under varying wind speeds, through which the feasibility and superiority of the proposed self-stabilizing SRDM-based WT are verified.

Key words: wind power generation, gear transmission, speed regulating differential mechanism, mechanical characteristics, grid-connected performance, experimental investigation

中图分类号:

TM614

尹文良, 王乐, 刘琳, 张文华, 王子威, 芮晓明. 自稳速型风电机组运行特性分析与试验研究[J]. 机械工程学报, 2025, 61(2): 321-329.

YIN Wenliang, WANG Yue, LIU Lin, ZHANG Wenhua, WANG Ziwei, RUI Xiaoming. Operation Characteristics and Experimental Investigation of Wind Turbine with the Self-stabilizing Speed Regulating Differential Mechanism[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2025, 61(2): 321-329.

参考文献

[1] 唐新姿，顾能伟，黄轩晴，等．风电功率短期预测技术研究进展[J]. 机械工程学报，2022，58(12)：213-236. TANG Xinzi, GU Nengwei，HUANG Xuanqing，et al. Progress on short-term wind power forecasting technology[J]. Journal of Mechanical Engineering，2022，58(12)：213- 236.
[2] YIN X，ZHANG W，ZHAO X. Current status and future prospects of continuously variable speed wind turbines：A systematic review[J]. Mechanical Systems and Signal Processing，2019，120：326-340.
[3] HUANG S，WANG J，HUANG C，et al. A fixed-time fractional-order sliding mode control strategy for power quality enhancement of PMSG wind turbine[J]. International Journal of Electrical Power & Energy Systems，2022，134：107354.
[4] 党存禄，李旭鹏，孙海斌，等. 双馈风电机组次同步控制相互作用的抑制方法[J]. 电气工程学报，2021，16(1)：119-126. DANG Cunlu，LI Xupeng，SUN Haibin，et al. Suppression method for sub-synchronous control interaction of doubly- fed induction generators[J]. Journal of Electrical Engineering，2021，16(1)：119-126.
[5] QAZI H，WALL P，VAL ESCUDERO M，et al. Impacts of fault ride-through behavior of wind farms on a low inertia system[J]. IEEE Transactions on Power Systems，2022，37(4)：3190-3198.
[6] 薛安成，付潇宇，乔登科，等. 风电参与的电力系统次同步振荡机理研究综述和展望[J]. 电力自动化设备，2020，40(9)：118-128. XUE Ancheng，FU Xiaoyu，QIAO Dengke，et al. Review and prospect of research on sub-synchronous oscillation mechanism for power system with wind power participation[J]. Electric Power Automation Equipment，2020，40(9)：118-128.
[7] 王传坤，何怡刚，王晨苑，等. 计及疲劳损伤的多时间尺度风电变流器IGBT可靠性评估[J]. 电力自动化设备，2021，41(3)：173-178. WANG Chuankun，HE Yigang，WANG Chenyuan，et al. Multi-time scale reliability evaluation of wind power converter IGBT considering fatigue damage[J]. Electric Power Automation Equipment，2021，41(3)：173-178.
[8] LIN Y，TU L，LIU H W，et al. Hybrid power transmission technology in a wind turbine generation system[J]. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，2015，20(3)：1218-1225.
[9] JELASKA D，PODRUG S，PERKUŠIĆ M. A novel hybrid trans-mission for variable speed wind turbines[J]. Renewable Energy，2015，83：78-84.
[10] 芮晓明，尹文良. 差动调速的风电机组传动特性研究[J]. 中国机械工程，2019，30(9)：1034-1040. RUI Xiaoming，YIN Wenliang. Research on transmission performances of wind turbines with differential speed regulation[J]. China Mechanical Engineering，2019，30(9)：1034-1040.
[11] 穆安乐，刘宏昭，张明洪，等. 新型变速恒频风能转换系统的实现原理与运动学分析[J]. 机械工程学报，2008，44(1)：195-199. MU Anle，LIU Hongzhao，ZHANG Minghong，et al. Theory and kinematics analysis of a novel variable speed constant frequency wind energy conversion system[J]. Journal of Mechanical Engineering，2008，44(1)：195-199.
[12] YIN X，LIN Y，LI W. Operating modes and control strategy for megawatt-scale hydro-viscous transmission based continuously variable speed wind turbines[J]. IEEE Transactions on Sustainable Energy，2015，6(4)： 1553-1564.
[13] LI D，CAI W，LI P，et al. Dynamics and control for a novel front–end speed regulation (FESR) wind turbine[J]. IEEE Transactions on Power Electronics，2018，33(5)：4073-4087.
[14] GIALLANZA A，PORRETTO M，CANNIZZARO L，et al. Analysis of the maximization of wind turbine energy yield using a continuously variable transmission system [J]. Renewable Energy，2017，102：481-486.
[15] 芮晓明，尹文良，武鑫，等. 网端负载波动时混合传动风电系统的控制方法[J]. 中国电机工程学报，2017，37(13)：3809-3815. RUI Xiaoming，YIN Wenliang，WU Xin，et al. The control strategy of hybrid drive wind power generation system during load fluctuation in the grid[J]. Proceedings of the CSEE，2017，37(13)：3809-3815.
[16] YIN W，WU X，RUI X. Adaptive robust backstepping control of the speed regulating differential mechanism for wind turbines[J]. IEEE Transactions on Sustainable Energy，2019，10(3)：1311-1318.
[17] RUI X，YIN W，DONG Y，et al. Fractional-order sliding mode control for hybrid drive wind power generation system with disturbances in the grid[J]. Wind Energy，2019，22(1)：49-64.
[18] LI X，DONG H，LI H，et al. Optimization control of front-end speed regulation (FESR) wind turbine based on improved NSGA-II[J]. IEEE Access，2019，7：45583- 45593.
[19] LIU Q，APPUNN R，HAMEYER K. Wind turbine with mechanical power split transmission to reduce the power electronic devices：an experimental validation[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2017，64(11)：8811-8820.
[20] 王子威，尹文良，刘琳，等. 基于逆推滑模的混合传动型风力机并网控制方法[J]. 电力自动化设备，2023，43(3)：117-123. WANG Ziwei，YIN Wenliang，LIU Lin，et al. Grid- connected control of hybrid drive wind turbine based on backstepping sliding mode[J]. Electric Power Automation Equipment，2023，43(3)：117-123.
[21] 苏睿，芮晓明，武鑫. 一种新型自稳速机构的概念设计与仿真[J]. 中国机械工程，2015，26(8)：1058-1061. SU Rui，RUI Xiaoming，WU Xin. Conceptual design and simulation of a novel speed self-stabilizing mechanism[J]. China Mechanical Engineering，2015，26(8)：1058-1061.
[22] 罗肿佑. 行星齿轮机构[M]. 北京：高等教育出版社，1984. LUO Zhongyou. Planetary gear mechanism[M]. Beijing：Higher Education Press，1984.
[23] QASIM M，MÅNSSON K，GOLAM K B. On some beta ridge regression estimators：Method，simulation and application[J]. Journal of Statistical Computation and Simulation，2021，91(9)：1699-1712.

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[1]	孙仕林, 王天杨, 褚福磊. 基于振动及声学测量的风电叶片结构健康监测研究综述[J]. 机械工程学报, 2024, 60(7): 79-92.
[2]	汪群生, 曾京, 魏来, 蒋雪松, 陈绍强. 有轨电车车体垂向异常振动特性及成因分析[J]. 机械工程学报, 2024, 60(20): 208-216.
[3]	李峥琪, 刘长钊, 宋健, 王磊. 提高年循环效率的永磁同步发电机-齿轮传动系统机电协同设计[J]. 机械工程学报, 2024, 60(1): 296-308.
[4]	张峻瑞, 张军, 马贺, 窦蕴平. 轮对通过磨耗后固定辙叉的试验研究及接触分析[J]. 机械工程学报, 2023, 59(18): 304-311.
[5]	黄尊地, 常宁. 基于非定常气动特性的高架动车组振动特性试验研究[J]. 机械工程学报, 2022, 58(24): 233-242.
[6]	王东伟, 刘明星, 吴霄, 钱韦吉. 压电式摩擦振动能量收集的试验研究与仿真分析[J]. 机械工程学报, 2021, 57(9): 89-98.
[7]	魏静, 姜东, 张爱强, 程浩. 时变位姿下行星齿轮传动系统动应力计算模型及其参数影响研究[J]. 机械工程学报, 2021, 57(21): 150-159.
[8]	肖乾, 王丹红, 陈道云, 朱海燕. 考虑齿间滑动影响的高速列车传动齿轮动态接触特性分析[J]. 机械工程学报, 2021, 57(10): 87-94.
[9]	刘鑫, 原熙博, 韩东旭, 赵凯, 由蕤. 一种基于矩阵变换器的海上风力机中压电能变换系统 ^*[J]. 电气工程学报, 2021, 16(1): 127-133.
[10]	鲁军, 李园君, 常强. MSMA传感器的优化设计及试验特性研究 ^*[J]. 电气工程学报, 2021, 16(1): 42-47.
[11]	艾超, 高伟, 陈立娟, 张亚滨, 郭佳伟. 基于风速预测的液压型风力发电机组并网转速控制研究[J]. 机械工程学报, 2020, 56(8): 162-171.
[12]	王斌, 宁斌, 陈辛波, 吕红明. 齿轮传动搅油功率损失的研究进展[J]. 机械工程学报, 2020, 56(23): 1-20.
[13]	徐丰羽, 蒋全胜, 江丰友, 申景金, 王兴松, 蒋国平. 基于堵塞原理的变刚度软体机器人设计与试验[J]. 机械工程学报, 2020, 56(23): 67-77.
[14]	陈旭, 朱才朝, 宋朝省, 谭建军, 朱永超. 紧急停机工况下风力发电机系统动态特性分析[J]. 机械工程学报, 2019, 55(5): 82-88.
[15]	郑大周,曾东,李广磊,陆瑞. 双馈型风力发电机组电气模型的建立与仿真研究 ^*[J]. 电气工程学报, 2019, 14(3): 81-89.