基于实测数据的风力发电机主传动链载荷分析

摘要

当今社会，能源问题日益突出，风能作为一种取之不尽、用之不竭的能源已经被列入能源发展战略行动计划的主要部分，风力发电产业正在快速健康的发展。
　　风力发电机的主传动链是风力发电机中的核心部分，其中包含有关键设备和部件，由于风力发电机的运行环境恶劣、运行工况复杂，因此这些关键部件具有失效率高、可靠度低的特点。使风力发电机具有一定的可靠度的前提是准确的掌握其所承受的载荷，风力发电机所承受的载荷具有随机性和复杂性，因此基于实测数据，研究风力发电机主传动链所承受的载荷，掌握其载荷规律有着重大的意义。
　　本文以某风电场1.5MW风力发电机主传动链作为研究对象，针对风电齿轮箱输入端和输出端载荷的复杂性，基于 SCADA监测系统监测收集得到的风力发电机组1个月的运行数据，分别从数理统计的角度和随机过程的角度分析了风力发电机主传动链的载荷规律。主要的研究内容包括以下几个方面：
　　(1)针对风电齿轮箱输入转矩计算方法，目前被广泛应用的理论计算公式具有一定的合理性，但其是否与实际情况相符并不得知。本文通过对风电场 SCADA监测系统监测收集得到的实测数据进行统计分析，推导得到风电齿轮箱实际输入转矩，将其与应用理论计算公式得到的理论输入转矩相对比，发现两者之间具有较大的偏差。因此提出修正系数，利用最小二乘法结合高斯函数和一次函数进行曲线拟合，建立了修正系数和风速之间的关系模型，从而对被广泛应用的理论输入转矩计算公式进行修正。
　　(2)针对风力发电机主传动链所承受的载荷的复杂性，将风电齿轮箱的输出轴作为研究载体，利用风电场实测数据，推导得到风电齿轮箱输出轴载荷-时间历程，判断正常工作载荷和冲击载荷出现的时刻，进而得到正常工作载荷-时间历程和冲击载荷-时间历程两部分。根据疲劳可靠性相关理论，应用雨流计数法，得到正常工作载荷的载荷谱，对其进行参数估计，并结合假设检验方法建立正常工作载荷的载荷分布模型，以此描述风力发电机主传动链所承受正常工作载荷的载荷规律。
　　(3)针对风力发电机主传动链所承受的冲击载荷，由于其为非疲劳载荷，不能应用雨流计数法求得其载荷谱，因此根据随机过程理论，研究冲击载荷出现的时刻。假设冲击载荷的出现是一种泊松过程，依据泊松过程的特性，利用实测的风电齿轮箱输出轴所承受的冲击载荷时间历程进行验证，并且进行参数估计，结合K-S假设检验方法，求解此泊松过程所服从的强度，以此描述作用于风力发电机主传动链上的冲击载荷的载荷规律。
　　基于实测数据对风力发电机主传动链进行载荷分析，更符合风力发电机组的实际运行工况，这将为风力发电机主传动链的设计提供参考。同时为风力发电机主传动链上关键设备和部件的可靠性分析和寿命预测提供了理论依据。

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附表索引

第1章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状综述

1.3研究思路及主要内容

第2章 风电齿轮箱理论输入转矩计算模型

2.1 引言

2.2 风力发电机组介绍

2.3 变速风力发电机组的理论输入转矩分析

2.4 本章小结

第3章 风电齿轮箱输入转矩计算公式的修正

3.1 引言

3.2 风力发电机组基本参数及实测数据分析

3.3 风电齿轮箱输入转矩的计算

3.4 风电齿轮箱理论输入转矩计算公式的修正

3.5 本章小结

第4章 风电齿轮箱输出轴载荷特性分析

4.1 引言

4.2 风力发电机所受载荷的来源与分类

4.3 风电齿轮箱输出轴所受载荷的计算与分离

4.4 正常工作载荷统计处理

4.5 本章小结

第5章 风电齿轮箱输出轴冲击载荷描述

5.1 引言

5.2 随机过程

5.3 泊松过程理论

5.4 冲击载荷的泊松过程参数求解

5.5 本章小结

总结与展望

总结

创新点

展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文