运行工况下风电传动系统机电耦合动态特性研究

摘要

随着环境污染和能源危机的加剧，风力发电作为一种清洁、高效的可再生能源，近年来越来越为人们所重视。齿轮传动系统是风电机组实现能量转换的关键部件，由于风场风速的随机性，使其长期在变速、随机变载的恶劣工况下工作；同时，风电传动系统是一个由叶轮经多级齿轮传动驱动发电机工作的大功率复杂机电耦合系统，叶轮-齿轮箱-轴系-发电机之间相互影响，内外部激励复杂、非线性因素丰富。这些因素的叠加，使得风电传动系统的动力学行为十分复杂，故障频发且因此导致的停机时间较长，严重制约风电机组的发电效率和经济效益。　　本文针对风电传动系统运行多工况、机电强耦合的特点，以动力学分析为手段，综合考虑叶轮气动载荷、发电机矢量控制、风机的运行控制建立了风电传动系统实际运行工况下的机电耦合动力学模型，分别讨论了系统在发电运行、启动、制动工况下的动力学特性，揭示了不同工况下风电传动系统中机械系统与电气系统之间的相互影响规律。本文主要研究内容有：　　①综合考虑时变啮合刚度、综合啮合误差、齿侧间隙等时变、非线性因素，并针对风电传动系统运行在非稳态条件的特点，采用集中参数法建立了适用其变速运行的扭转动力学模型，然后结合风载模型、发电机矢量控制模型、风机运行控制模型建立了风电传动系统实际运行工况下的机电耦合模型。　　②计算分析了风电传动系统的固有频率和振动模式，讨论了叶轮及发电机相关结构参数对系统固有频率的影响。结合系统的模态能量分布和坎贝尔图，对系统的共振位置进行了甄别，讨论了发电机连接轴刚度对系统共振点的影响。　　③分别对风电机组发电运行下的两个阶段（最大风能追踪阶段和恒功率阶段）的动态响应特性进行了研究，揭示了发电运行时随机风扰动下风电传动系统中机械系统与电气系统间的相互影响规律。　　④针对启动、制动时电磁转矩突然施加与卸载冲击下风电传动机电系统的动态特性进行了研究，揭示了启动工况下电磁转矩体现出的电磁刚度特性，讨论了该电磁刚度对传动系统固有特性的影响规律。　　论文的研究结论可为风电传动链机电系统的集成设计和运行状态监测提供理论依据。

目录

1 绪 论

1.1.1课题来源

1.1.2研究背景及意义

1.2齿轮传动系统动力学研究现状

1.2.1定轴齿轮传动系统动力学研究现状

1.2.2行星齿轮传动系统动力学研究现状

1.2.3风电齿轮传动系统动力学研究现状

1.3齿轮-电机系统机电耦合动力学研究现状

1.4本文的研究内容

2风电传动系统机电耦合动力学建模

2.1引言

2.2齿轮传动系统动力学模型

2.2.1齿轮传动系统动力学微分方程

2.2.2齿轮传动系统的内部激励

2.2.3微分方程中其他参数的确定

2.3双馈异步发电机模型

2.3.1双馈异步发电机的工作原理

2.3.2双馈异步发电机的数学模型

2.3.3双馈异步发电机的矢量控制

2.4叶轮气动载荷模型

2.5.1发电机功率控制模型

2.5.2叶轮变桨控制模型

2.6机电耦合模型的建立与求解

2.7本章小结

3风力发电机齿轮-电机传动系统固有振动特性分析

3.1引言

3.2.1系统的固有频率与振动模式

3.2.2系统参数对固有频率的影响

3.3.1系统模态应变能及动能分布

3.3.2系统的共振分析

3.4本章小结

4发电运行工况下传动系统机电耦合动态特性分析

4.1引言

4.2系统的内外部激励计算分析

4.2.1系统的外部激励计算分析

4.2.2系统的内部激励计算分析

4.3发电运行工况下系统的动态响应

4.3.1最大风能追踪阶段系统的动态响应

4.3.2恒功率阶段系统的动态响应

4.4机械系统与电气系统的相互影响

4.5本章小结

5启动、制动工况下传动系统机电耦合动态特性分析

5.1引言

5.2.1风电机组的启动过程

5.2.2启动阶段系统的动态响应

5.2.3启动阶段的电磁刚度对传动系统固有特性的影响。

5.3.1风电机组的制动过程

5.3.2制动阶段系统的动态响应

5.4本章小结

6结论与展望

6.1全文总结

6.2主要创新点

6.3展望

参考文献

附录

致谢