MW级风力发电机组传动系统输出性能及动力学特性研究

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风能是一种洁净的,可再生能源。人类进入21世纪以来,由于受环境等危机的影响,风能的利用受到越来越多国家的重视。我国的风能储备丰富,但我国风电产业的发展相对滞后。通过引进国外先进的风电设备并进行创新,这对于提高我国风电装备产业具有重要的意义。上海电气集团在引进的1.25MW和2MW双馈异步风力发电机基础上,和上海应用技术学院强强联合对该种机型进行共同研究和开发,本课题则是该科研项目的一部分。   风力发电机组传动系统是将风能转化为机械能,并对机械能传递的一种装置。传动系统在能量转换过程中,一直受到风载荷和电网载荷的影响,极易产生疲劳破坏。本文对于传动系统的研究就是在于掌握传动系统在外载荷作用下的动态特性,减少疲劳破坏对传动系统的影响。   本文首先分析了传动系统中风力机的输出性能。使用Matlab/Simulink软件对风力机输出性能进行了仿真研究,结果表明,不同的风速条件下输出性能相差很大。使用Matlab语言自主编程,实现了对最大风能利用系数的捕捉,捕捉到最大风能利用系数后,模块输出的扭矩值作为后面章节中气动载荷稳态值的依据。   以往对于传动系统的研究,往往忽略了齿轮箱系统的影响,或将齿轮箱的柔性等效至两侧,这使得分析结果难以准确的反映传动系统受到冲击的影响。本文结合三级定轴齿轮传动系统,综合考虑了轮齿啮合刚度和啮合阻尼的影响,建立了考虑齿轮箱柔性的传动系统线性动力学方程组。对方程组进行了解耦,并对解耦后的动力学方程组进行求解,求解出了传动系统的固有频率及其对应的振型。从求解结果来看,传动系统的第一阶固有频率高于传动系统的额定工作频率,实际运行中不会发生扭转共振现象。文中还将求解结果同两质量块模型进行了对比,考虑齿轮箱柔性的第一阶固有频率远远小于两质量块模型的第一阶固有频率。   分析了传动系统在启动阶段、并网阶段、载荷突变阶段的响应,并将轴系的扭转变形同两质量块模型中轴系的扭转变形进行了对比。从对比结果来看,相同载荷作用下,在启动阶段两种模型的扭转变形相差甚小;并网阶段和载荷突变阶段,采用不同模型分析问题时,会产生比较大的误差,考虑齿轮箱柔性的模型不仅能得到较大的扭转变形,而且能分析出轮齿啮合对传动系统的影响,这更接近于实际,分析结果更精确。   文章最后,研究了考虑齿轮箱柔性模型在不同的风速条件下的扭转变形和在风力机组运行风速中传动系统扭转角的变化情况。轴系的扭转角随着风速的增加而急剧加大,当风力机输出功率达到额定值时,轴系扭转角达到最大值,随着风速的继续增加,轴系扭转角又急剧减少至0。在整个运行风速中,主轴、齿轮箱、联轴器的扭转角随风速变化的曲线图基本类似。
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