機械傳動機構(gòu)建模分析
作者:石家莊風機 日期:2015-9-6 瀏覽:1471
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對風力發(fā)電系統(tǒng)的電氣控制部分而言,機械傳動機構(gòu)動態(tài)性能是一個值得關(guān)注的量,機械傳動機構(gòu)的機械共振可能損毀連接軸與齒輪箱,甚至對石家莊風機塔架的安全產(chǎn)生威脅;關(guān)系到風力發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性、功率特性、機械傳動機構(gòu)的機械設(shè)計及其使用壽命。機械傳動機構(gòu)的動態(tài)分析及風力發(fā)電系統(tǒng)瞬態(tài)響應的文獻報道不多,未得到應有的重視。
變速恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)主要由石家莊風機、高速軸、齒輪箱、低速軸和發(fā)電機組成,根據(jù)機械傳動機構(gòu)不同的等效方法及其建模方案,風力發(fā)電系統(tǒng)的機械傳動機構(gòu)有以下建模方法:多質(zhì)量塊模型、六質(zhì)量塊模型、三質(zhì)量塊模型、二質(zhì)量塊模型和集中質(zhì)量塊模型。多質(zhì)量塊模型與六質(zhì)量塊模型更趨向于空氣動力學研究,由于其模型復雜,對于風力發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定性及其暫態(tài)響應分析影響不大,一般不予采用;三質(zhì)量塊模型綜合考慮了風力發(fā)電機械傳動機構(gòu)各部分的慣量特性、機械傳動機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)阻尼與彈性作用等,使得機械傳動機構(gòu)模型極大程度的接近實際情況。
二質(zhì)量塊模型是在三質(zhì)量塊模型基礎(chǔ)上,將各級齒輪的轉(zhuǎn)動慣量分別折算到石家莊風機側(cè)和發(fā)電機側(cè),使得石家莊風機與發(fā)電機同軸連接,最接近實際所用的風力發(fā)電實驗模擬系統(tǒng),簡化了研究對象;現(xiàn)有的風力發(fā)電系統(tǒng)模擬研究中機械傳動機構(gòu)模型以集中質(zhì)量塊模型為主,其完全忽略機械傳動機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)阻尼特性和剛性,將石家莊風機和齒輪箱的轉(zhuǎn)動慣量折算到電機側(cè),顯然如果用其研究風力發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性及其動態(tài)特性將帶來很大的誤差。
文獻建立了不同質(zhì)量塊模型的機械傳動機構(gòu)模型,并對相應的模型進行了必要的分析,但僅限于數(shù)學層面的論述,缺乏對自身所建模型動特性的研究;文獻詳細地分析了各質(zhì)量塊模型之間的聯(lián)系與差異,以六質(zhì)量塊模型為基礎(chǔ),對比了各模型之間動態(tài)性能之間的差異,動態(tài)機械傳動機構(gòu)模型對整個風電系統(tǒng)瞬態(tài)響應相關(guān)研究有待開展;文獻闡述了等效集中質(zhì)量模型方法的可行性,但都沒有給出進一步的動態(tài)數(shù)學模型,其科學性、準確性有待證明。文獻采用二質(zhì)量塊模型,建立了一種包含機械傳動鏈動態(tài)特性的機械傳動機構(gòu)模型,在形式上與電力系統(tǒng)研究中廣泛使用的汽輪發(fā)電機機械傳動機構(gòu)模型相似,建立了動態(tài)機械傳動機構(gòu)的四階微分方程,然而缺乏動態(tài)機械傳動機構(gòu)模型自身的分析,未能對其瞬態(tài)響應做詳細分析,難免與實際系統(tǒng)的動態(tài)性能產(chǎn)生偏差。
通過分析以上機械傳動機構(gòu)的建模方法差異,可以發(fā)現(xiàn)對于風力發(fā)電系統(tǒng)層面的研究,風力發(fā)電機械傳動機構(gòu)主要采用集中質(zhì)量塊模型或二質(zhì)量塊模型。而研究二者的差別不難發(fā)現(xiàn):二質(zhì)量塊模型綜合考慮了風力發(fā)電機械傳動機構(gòu)各部分的慣量特性、機械傳動機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)阻尼與彈性作用等。
屬于柔性軸建模即認為低速軸和高速軸是柔性的,它允許石家莊風機轉(zhuǎn)子和發(fā)電機轉(zhuǎn)子有各自的旋轉(zhuǎn)45自由度,石家莊風機轉(zhuǎn)子的加速度取決于氣動轉(zhuǎn)矩和低速軸轉(zhuǎn)矩之間的不平衡,而發(fā)電機轉(zhuǎn)子的加速度則取決于高速軸扭矩和發(fā)電機反應轉(zhuǎn)矩之間的不平衡;集中質(zhì)量塊模型,其完全忽略機械傳動機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)阻尼特性和柔性,認為低速軸、齒輪箱、高速軸是剛性的,石家莊風機轉(zhuǎn)子和發(fā)電機轉(zhuǎn)子只有一個旋轉(zhuǎn)自由度,高速軸與低速軸間按定傳動比變化,石家莊風機氣動轉(zhuǎn)矩與發(fā)電機反應轉(zhuǎn)矩之間的不平衡來決定發(fā)電機和石家莊風機轉(zhuǎn)子的加速(即系統(tǒng)轉(zhuǎn)速)。故本節(jié)將分別從剛性軸模型與柔性軸模型兩個方面進行論述。