機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)建模分析

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對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的電氣控制部分而言，機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能是一個(gè)值得關(guān)注的量，機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械共振可能損毀連接軸與齒輪箱，甚至對石家莊風(fēng)機(jī)塔架的安全產(chǎn)生威脅；關(guān)系到風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性、功率特性、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械設(shè)計(jì)及其使用壽命。機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)分析及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)的文獻(xiàn)報(bào)道不多，未得到應(yīng)有的重視。
變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要由石家莊風(fēng)機(jī)、高速軸、齒輪箱、低速軸和發(fā)電機(jī)組成，根據(jù)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)不同的等效方法及其建模方案，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)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(dòng)力學(xué)研究，由于其模型復(fù)雜，對于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定性及其暫態(tài)響應(yīng)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(fēng)力發(fā)電機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)各部分的慣量特性、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)阻尼與彈性作用等，使得機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)模型極大程度的接近實(shí)際情況。
二質(zhì)量塊模型是在三質(zhì)量塊模型基礎(chǔ)上，將各級齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別折算到石家莊風(fēng)機(jī)側(cè)和發(fā)電機(jī)側(cè)，使得石家莊風(fēng)機(jī)與發(fā)電機(jī)同軸連接，最接近實(shí)際所用的風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)，簡化了研究對象；現(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模擬研究中機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)模型以集中質(zhì)量塊模型為主，其完全忽略機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)阻尼特性和剛性，將石家莊風(fēng)機(jī)和齒輪箱的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算到電機(jī)側(cè)，顯然如果用其研究風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性及其動(dòng)態(tài)特性將帶來很大的誤差。
文獻(xiàn)建立了不同質(zhì)量塊模型的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)模型，并對相應(yīng)的模型進(jìn)行了必要的分析，但僅限于數(shù)學(xué)層面的論述，缺乏對自身所建模型動(dòng)特性的研究；文獻(xiàn)詳細(xì)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(chǔ)，對比了各模型之間動(dòng)態(tài)性能之間的差異，動(dòng)態(tài)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)模型對整個(gè)風(fēng)電系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)相關(guān)研究有待開展；文獻(xiàn)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(jìn)一步的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，其科學(xué)性、準(zhǔn)確性有待證明。文獻(xiàn)采用二質(zhì)量塊模型，建立了一種包含機(jī)械傳動(dòng)鏈動(dòng)態(tài)特性的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)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(jī)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)模型相似，建立了動(dòng)態(tài)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的四階微分方程，然而缺乏動(dòng)態(tài)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)模型自身的分析，未能對其瞬態(tài)響應(yīng)做詳細(xì)分析，難免與實(shí)際系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能產(chǎn)生偏差。
通過分析以上機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的建模方法差異，可以發(fā)現(xiàn)對于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)層面的研究，風(fēng)力發(fā)電機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)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(fēng)力發(fā)電機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)各部分的慣量特性、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)阻尼與彈性作用等。
屬于柔性軸建模即認(rèn)為低速軸和高速軸是柔性的，它允許石家莊風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子有各自的旋轉(zhuǎn)45自由度，石家莊風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子的加速度取決于氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩和低速軸轉(zhuǎn)矩之間的不平衡，而發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的加速度則取決于高速軸扭矩和發(fā)電機(jī)反應(yīng)轉(zhuǎn)矩之間的不平衡；集中質(zhì)量塊模型，其完全忽略機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)阻尼特性和柔性，認(rèn)為低速軸、齒輪箱、高速軸是剛性的，石家莊風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子只有一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，高速軸與低速軸間按定傳動(dòng)比變化，石家莊風(fēng)機(jī)氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩與發(fā)電機(jī)反應(yīng)轉(zhuǎn)矩之間的不平衡來決定發(fā)電機(jī)和石家莊風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子的加速(即系統(tǒng)轉(zhuǎn)速)。故本節(jié)將分別從剛性軸模型與柔性軸模型兩個(gè)方面進(jìn)行論述。