自稳速型风电机组传动系统设计原理研究

摘要

当今能源发展趋向多元化，清洁化，并网型风力发电作为一种十分有前景的可再生能源形式，发展迅猛。并网型风力发电机组多采用变速恒频(VSCF)的方式运行。随机风驱动风轮变速旋转，传动系统末端利用变频器获得同步于电网频率的电能。现有的主流风力发电机组多采用同步发电机或异步发电机，利用变频器等电力电子设备联接电网。随着风电机组单机容量不断提升，这种模式呈现出诸多问题。
　　针对变频器对风力发电系统的影响，本文提出一种适用于并网型风电机组的自稳速型传动系统。从机构学的角度对系统中的差动轮系进行特殊设计，在风轮变转速运行、调速电机恒定转速调节的条件下，可实现系统的变转速输入，恒定转速输出，达到无需变频器即可恒频输出的目的。
　　首先，文章围绕具有“双输入-单输出”特点的差动轮系结构，提出自稳速型风力发电系统的传动方案。通过结构设计和参数选择，系统在时变风速输入的条件下，无需信号处理装置和控制器，仅通过恒定转速的电机进行调速，即可向电网输出恒频电能。
　　其次，针对差动轮系这一核心部件，研究其各基本构件之间的转速关系以及功率耦合特点，对比分析以确定其最佳布置形式。研究差动轮系各构件的功率流向以及效率问题，并对其进行了结构设计以及参数优化，为新型电网友好型风电机组的设计研发提供了技术方案。
　　最后，搭建了自稳速型风电机组传动系统的半物理试验台，通过传动试验研究和验证了自稳速型风电机组传动系统的原理可行性。以FAST仿真得到的风速模型作为输入，考察一般风工况下以及网端负载波动的条件下风电机组传动系统的输出特性。通过各节点的实测转速数据与理想值的对比，验证了自稳速型风力发电机组传动系统的有效性。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状及发展动态

1．2．1 差动调速技术

1．2．2 采用液压或电气传动调速技术的风电机组

1．2．3 采用差动调速技术的风电机组

1．2．4 研究现状综述

1．3 本文的主要研究内容

第2章 自稳速风电机组传动系统设计的理论基础

2．1 典型风电机组概述

2．2 差动调速技术理论基础

2．2．1 差动轮系基本构件的转速关系

2．2．2 差动轮系动力学特性

2．3 差动轮系调速区间分析

2．3．1 基本传动原理

2．3．2 调速区间分析

2．4 差速器相关理论基础

2．5 本章小结

第3章 自稳速风电机组传动系统总体方案与分析

3．1 基本传动方案

3．2 传动系统运动学原理分析

3．3 差动轮系功率流向及效率分析

3．3．1 功率流向分析

3．3．2 差动轮系的效率分析

3．3．3 差动轮系结构参数选取

3．4 传动系统的参数优化设计

3．4．1 目标函数

3．4．2 约束条件

3．4．3 优化计算

3．5 本章小结

第4章 自稳速型风电机组传动原理试验研究

4．1 试验系统总体方案设计

4．1．1 设计目标

4．1．2 试验方案

4．2 主要传动部件设计以及零部件的选型

4．2．1 差动齿轮箱的设计

4．2．2 其他部件的选型

4．3 一般风工况下的原理性试验验证

4．3．1 FAST仿真风速

4．3．2 试验结果分析

4．4 网端负载波动下的原理性试验验证

4．5 本章小结

5．1 全文总结

5．2 展望

参考文献

致谢