双馈异步风力发电机组次同步振荡建模与扭振安全性研究

摘要

在现代化的电厂中，保证风机的安全是尤为重要的工作。随着风力发电事业的迅速发展和机组容量的变大，更多的故障问题引发人们的重视，扭振就是其中之一。风电机组运行稳定性与风速变化息息相关，同时，匝间短路、甩负荷等机电扰动也可能使轴系产生扭振故障。风力的变化和电网的波动对风机具有长期的影响，瞬态冲击类故障虽然时间短，但在不利条件配合下，仍可能产生超过轴系承受能力的巨大交变应力，而造成轴系一次性的损坏，因此对风机轴系扭振的研究具有十分重要的意义。
　　本文以某1.5MW的双馈异步风电机组为例进行分析，首先对风电机组轴系的扭转振动进行了建模，包括轴系、风轮、齿轮副和联轴器，根据风机的多分支结构进行分析，建立了多轴系的集中质量模型，并对轴系的固有特性进行分析，得出了风机轴系振型及固有频率，为验证上述建模的准确性，利用ansys有限元软件进行验证，分析了参数变化对固有特性的影响。其次，对扭振故障进行分析，阐述了引起风机扭振的交变激励源，包括交变风力，次同步振荡和瞬态冲击类故障。给出了各种故障的故障机理和分析模型。最后，针对轴系扭振提出了Newmark-β法和raccati法相结合计算响应，利用四点关联法估算材料的扭振S-N曲线，分析各类故障下的危险截面应力，计算其应力集中系数，采用雨流记数法计算疲劳寿命，将多轴应力修正考虑在内，用Manson-coffin应变寿命公式对疲劳寿命的计算进行修正，并介绍了miner理论计算疲劳累积寿命损伤。并利用PSCAD对典型故障进行仿真，仿真结果表明第一阶的共振可以被激励出来，次同步共振和发电机故障都会对轴系寿命造成较大损害。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及研究意义

1．2 国内外研究现状及发展动态分析

1．2．1 国内外研究现状

1．2．2 发展动态分析

1．3 本论文主要内容

第2章 风电机组轴系扭振建模及固有频率分析

2．1 风机轴系扭振的特点

2．2 风机分支结构扭振模型建模

2．2．1 风机传动系统介绍

2．2．2 风机风轮建模

2．2．3 齿轮副扭振建模

2．2．4 联轴器建模

2．2．5 风机扭振当量模型

2．3 风电机组轴系扭振固有特性分析

2．3．1 风机固有特性的分析

2．3．2 基于集中质量法的传递矩阵

2．3．3 边界问题及求解

2．4 基于传递矩阵法振型及固有频率的计算

2．5 基于ANSYS固有频率的计算

2．5．1 齿轮副模型的选择

2．5．2 其他部件的建模

2．5．3 APDL语言命令流

2．5．4 扭振固有频率值

2．6 参数变化对固有特性的影响

2．6．1 阻尼对系统固有特性的影晌

2．6．2 齿轮啮合刚度对系统固有特性的影响

2．7 本章小结

第3章 风电机组扭振故障分析

3．1 引起轴系扭转不平衡的激励源

3．1．1 风力变化对扭振的影响

3．1．2 电磁力矩波动对扭振的影响

3．2 次同步振荡

3．2．1 次同步振荡特征分析

3．2．2 基于柔性轴系的双馈风电机组分析模型

3．3 短路故障

3．3．1 短路故障特征分析

3．3．2 双馈发电机的分析模型

3．4 本章小结

第4章 风机扭振疲劳寿命损耗的计算

4．1 动态响应分析

4．2 材料扭转S-N曲线估算方法

4．3 轴系扭振危险截面的确定

4．4 应力集中系数计算

4．5 机组轴系扭振疲劳寿命损耗估算

4．5．1 雨流计数法

4．5．2 疲劳寿命计算公式

4．5．3 疲劳累积寿命损伤计算

4．6 本章小结

第5章 基于PSCAD的扭振仿真与安全性分析

5．1 仿真模型与基本参数

5．1．1 双馈异步风力发电机系统模型

5．1．2 仿真模型

5．1．3 基本参数的设定

5．2 扭振故障的仿真与安全性分析

5．2．1 交变风速

5．2．2 短路故障

5．2．3 次同步振荡

5．3 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢