機械傳動機構建模分析

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對風力發(fā)電系統(tǒng)的電氣控制部分而言，機械傳動機構動態(tài)性能是一個值得關注的量，機械傳動機構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、機械傳動機構的機械設計及其使用壽命。機械傳動機構的動態(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)電機械傳動機構各部分的慣量特性、機械傳動機構的旋轉阻尼與彈性作用等，使得機械傳動機構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)量塊模型基礎上，將各級齒輪的轉動慣量分別折算到石家莊風機側和發(fā)電機側，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模型以集中質(zhì)量塊模型為主，其完全忽略機械傳動機構的旋轉阻尼特性和剛性，將石家莊風機和齒輪箱的轉動慣量折算到電機側，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，對比了各模型之間動態(tài)性能之間的差異，動態(tài)機械傳動機構模型對整個風電系統(tǒng)瞬態(tài)響應相關研究有待開展；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)電機機械傳動機構模型相似，建立了動態(tài)機械傳動機構的四階微分方程，然而缺乏動態(tài)機械傳動機構模型自身的分析，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)電機械傳動機構各部分的慣量特性、機械傳動機構的旋轉阻尼與彈性作用等。
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子和發(fā)電機轉子有各自的旋轉45自由度，石家莊風機轉子的加速度取決于氣動轉矩和低速軸轉矩之間的不平衡，而發(fā)電機轉子的加速度則取決于高速軸扭矩和發(fā)電機反應轉矩之間的不平衡；集中質(zhì)量塊模型，其完全忽略機械傳動機構的旋轉阻尼特性和柔性，認為低速軸、齒輪箱、高速軸是剛性的，石家莊風機轉子和發(fā)電機轉子只有一個旋轉自由度，高速軸與低速軸間按定傳動比變化，石家莊風機氣動轉矩與發(fā)電機反應轉矩之間的不平衡來決定發(fā)電機和石家莊風機轉子的加速(即系統(tǒng)轉速)。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。