随机噪声激励下风电机组传动系统的动力学分析

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随着可再生资源风能的开发利用,风力发电技术产业也快速发展。风电机组传动系统作为风力发电机的电能转换系统,其工作运行状态在整个系统的运作中起着至关重要的作用。由于恶劣多变的工作环境,风电机组传动系统的稳定性将会受到外界随机因素带来的影响。为了提高风电机组传动系统高速有效的运转,对其在随机因素扰动下的动态特性进行深入研究,这为今后在风电机组传动系统的设计、优化和控制方面具有重要的现实意义。本文考虑了不同作用力下的风电机组传动系统,分析了其在随机激励与时滞反馈作用下的动力学特性。一方面,在具有非线性刚度和单个简谐激励作用下的风电机组传动系统的基础之上引入随机噪声项和位移、速度时滞反馈控制器,建立了时滞与噪声激励下具有非线性刚度的风电机组传动系统。针对该随机时滞微分系统,利用中心流形方法对系统的时滞项约简,通过相关变量代换和随机平均法得到系统的It(?)随机微分方程。通过最大Lyapunov指数法和平稳概率密度函数法对系统进行了随机稳定性、动态分岔(D-分岔)和唯象分岔(P-分岔)分析,得到了系统局部随机稳定性和发生D-分岔的条件。利用平稳概率密度函数法和Monte Carlo法进行数值模拟并相互验证,噪声强度和时滞值的增大都会诱导系统随机P-分岔的发生,从而使得传动系统在实际工况中由稳定状态逐渐演变为失稳状态。借助随机Melnikov方法计算了随机时滞风电机组传动系统的混沌阈值,进一步分析了时滞与噪声强度对混沌阈值具有相反的影响,并结合单参数分岔图验证了混沌理论分析的正确性与有效性。另一方面,考虑随机因素与位移时滞反馈的影响,在含滑动摩擦力、时变刚度以及受频率不等的组合谐波激励下的风电机组传动系统的基础上,建立了时滞与噪声激励下具有组合谐波的风电机组传动系统的数学模型。利用时滞近似方法、随机平均原理、最大Lyapunov指数法、平稳概率密度以及随机Melnikov方法从理论分析与数值模拟手段研究了系统的随机稳定性、分岔和混沌的动力学特性。结果表明噪声强度的增加促使系统发生随机P-分岔,继而导致传动系统发生失稳。时滞反馈强度的增加也会诱导P-分岔的发生,但是系统由原来的失稳转变为稳定状态,从而提高了此类风电机组传动系统的运作效率。最后,通过计算系统在均方意义下发生混沌的条件,得到了不同时滞下的混沌阈值图,结果表明时滞会对系统的混沌现象产生延迟。本文的研究结果可以为优化和控制风电机组传动系统提供一定的理论依据。
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