双馈风力发电机是复杂的机电耦合系统,双馈风电机组的传动链是实现机组功率传输的重要部分。由于桨叶、齿轮箱等柔性部件的存在,传动链具有欠阻尼系统的特性,因此叶轮气动转矩和发电机电磁转矩的动态变化都可能激发传动链扭振。传动链扭振不仅会使传动链关键部件产生疲劳,降低可靠性,还会引起风电机组输出功率波动,直接影响并网系统的稳定性。现有研究表明,传动链柔性和电磁转矩波动是传动链扭振最主要的原因。因此,研究传动链柔性建模和传动链扭振疲劳损耗,对抑制传动链轴系的扭振疲劳损耗、改进电气控制策略、传动链扭振安全分析、状态监测与寿命管理具有重要的现实意义。本文提出采用传动链柔性建模的方法研究传动链的扭振特性,提出一种具有理论参考价值的分析方法,结合传动链柔性和电磁转矩动态扰动两个特点,将电网短路故障作为典型电网扰动因素,以电网短路故障下发电机电磁转矩载荷激励引起传动链扭振为研究背景,通过理论分析、参数化建模和仿真实验,围绕电磁转矩波动对双馈风力发电机传动链扭振特性、扭振响应规律的影响以及传动链的疲劳损耗规律、疲劳损伤的累积效应的评估开展研究。主要研究内容及成果结论如下:(1)基于某并网运行的1.5 MW机型实际结构和几何参数,在ANSYS通用有限元平台下建立了适合研究传动链扭振特性的多柔体传动链有限元模型;在MATLAB/Simulink平台下建立了双馈风力发电机组机电耦合仿真模型。分析了传动链的固有特性,找到了前十二阶扭振模态的频率和振型,验证了所建模型的有效性;通过静应力分析,找到了传动链扭应力集中部位,传动链的危险部位主要在传动链的三根传动轴上。(2)分析了短路故障产生电磁转矩的主要频率分量、传动链扭振的传递强度以及传递规律。发生三相接地短路故障时双馈发电机电磁转矩振荡程度最剧烈。通过短路故障下各质量块间的传递转矩和相对扭转角的时域响应,分析了传动链扭振的传递强度以及传递规律。最后通过对轴系上传递扭矩的频谱分析,分析了传动链的扭振响应特性,齿轮箱和发电机转子间的传递转矩可以比较全面的反映出传动链中存在的扭振频率。(3)传动链扭振疲劳损伤是扭振产生的结果。传动链中,高速轴最容易发生疲劳损耗,可靠性最低,发生疲劳损耗的部位与高速轴一阶扭振模态的扭振部位一致。电磁转矩中低频分量会激发高速轴的一阶扭振模态(1.65 Hz),激发传动链高速轴扭振;电磁转矩中的高频分量激发会齿轮箱内中间轴和太阳轮轴对应中间级齿轮轴的一阶扭振模态(62.611 Hz),激发中间轴和太阳轮轴扭振,产生扭振疲劳损耗,降低疲劳寿命和可靠性。传动链的扭振疲劳主要发生在齿轮箱的三根传动轴上,三相短路故障对传动链的疲劳损伤影响最大。随着扭振的传递,扭振对远离发电机部件的影响逐渐减小,电磁转矩激发的扭振具有传递效应。(4)传动链短期疲劳损伤具有累积效应,电网故障产生的电磁转矩波动载荷在短期内对机组传动链的疲劳损耗无明显影响,但故障产生的短期疲劳损伤的累积效应会加剧机组传动链的疲劳损耗,使传动链累积疲劳寿命下降,甚至在设计寿命内失效。