风力发电系统机械传动机构动态模型

摘 要：机械传动机构是风力发电机组研究的重点,机械传动机构动态模型的构建是对风力发电系统进行分析的重要前提,同时也是实现对风力发电系统有效控制的重要手段.随着我国风力发电技术的不断成熟进步,加强对机械传统机构动态模型的研究也变得越来越重要.本文将结合当前风力发电系统自身特点来重点分析动态模型的构建以及仿真分析.

关 键 词：风力发电；动态模型；机械传动

随着我国能源形势的日益紧张,风能被人们充分利用.近些年来我国的风力发电技术,尤其是变速恒频双馈风力发电系统取得了明显进步.随着这一技术的不断扩展和应用,风力发电系统的机械传统机构的动态模型构建变得越来越重要.

在风力发电系统中机械传动机构动态模型的构建历来是一个重点,同时也是一个难点.当前国内对于动态模型的研究还很少,人们还没有意识到这个问题的重要性.本文将结合多年的的实际经验来对此进行专业性的探讨.

1.建模

风力发电系统本身是一个复杂的机械系统,对于双馈风力发电系统而言尤其是如此.双馈风力发电系统的机械传动部分是由发电机、风机、高速轴、齿轮箱、低速轴等设备构成.

针对该风力发电系统机械传动机构动态模型的构建,首先是要分析其中各个设备之间的相关转动惯量.针对风力发电系统本身的机械传动机构各个设备之间的惯量,可以按照以下方法来做：针对高速轴的转动惯量可以折算到发电机侧,等效转到惯量我们可以设为JG、而低速轴的转动惯量可以等效为JWT.之后把低速轴与高速轴的的阻尼系数和刚度系数设出来（BWT、BG、KWT、KG）,通过这一系列的设置之后就可以得到以下关系式：

之后通过一系列推算求得系统的状态方程与特征方程：

自然振荡频率和阻尼系数也可近似表示为以下式子：

通过观察以上模型,我们就可以发现在风力发电系统中自然振荡频率和刚度系数是成正相关的,而自然振荡频率与发电机惯量是呈负相关的.各种设备之间的阻尼系数也呈现出不同的关系,风机轴本身的阻尼系数与高低速轴的阻尼系数呈正相关关系.风机轴阻尼系数越高,高低速轴的阻尼系数也将随之上升.构建动态模型的一个重要目的就是要分析各种设备之间的关系,从而提升系统的稳定性以及各项性能.构建风力发电系统的机械传动机构动态模型是加强对风力发电系统进行研究的重要手段.构建动态模型的关键是要能够把握住系统的输入输出量之间的关系,把握住系统中的关键指标.只有深刻意识到这一点,才能真正构建起有效的动态模型.在构建模型过程中针对不同的系统,要采取不同的模型,也就是必须要结合自身实际情况来进行有效分析.这是加强风力发电系统的必然要求.

2.仿真

为了有效验证动态模型的分析效果,工作人员还需要进行专业地严格地仿真分析.对于风力发电系统而言,主要是采用异步电动机作为原动机来模拟风机特性.针对原动机,事先要对规格有严格规定.原动机的规格如果不符合要求就很难进行验证.因而要高度重视原动机的各项指标.

根据实际要求,工作人员采用额定转速为1500rad/min、额定功率为3.5kw、额定电压是380v的异步电动机.所采用的发电机则是双馈发电机,该发电机的额定功率是3kw、额定转速是1500rad/min,额定电压是380v、稳速的平衡主要是通过风机负载来实现.在实际仿真分析过程中为了有效准确的观察仿真结果,工作人员需要排除屏蔽掉塔影效应以及风剪引起的转矩脉动量.

针对该机组的仿真,我们主要是观察不同风机侧惯量、不同轴刚度系数、不同轴阻尼系数、不同发电机侧惯量与风电机转速之间的关系.通过观察不同指标同风电机转速响应曲线,我们可以得出不同指标同转速之间的关系.从图中我们可以看出传动机构轴刚度系数分别是100、50、10的时候,系统自然振荡频率也随之下降.以此类推,我们经过对不同指标的响应曲线进行认真分析之后,最终验证了上述动态模型的正确性.

图1不同轴刚度系数风机转速响应曲线

图2不同风机侧惯量风机转速响应曲线

图3不同发电机侧惯量风机转速响应曲线

3.实验

风力发电系统机械传动机构动态模型的研究最终是要通过实验来进行验证的.在本次试验中工作人员通过用一台15kw的一步点击当作模拟动态风机输出,而把11kw的双馈点击当作发电机.在实验过程中工作人员发现系统本身要受到惯量差所带来的转矩、功率波动的影响.因而工作人员考虑对风机模拟器进行必要补偿.经补偿之后,工作人员发现系统性能有了明显改善,也能够满足实际需要了.

风能发电是一种新型发电技术,与传统的火力发电相比,风能发电技术更具优势.风能发电中系统本身由于各种因素的影响会出现一系列问题,此时加强对风力发电系统内部机械传动结构的研究就显得非常重要.本文重点分析了风力发电系统机械传动结构动态模型的构建并进行了仿真,最后结合试验结果进行了验证.在今后工作过程中应该不断加强这方面的研究.