風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機械傳動機構(gòu)動態(tài)模型研究

摘要：機械傳動機構(gòu)是風(fēng)力發(fā)電機組研究的重點，機械傳動機構(gòu)動態(tài)模型的構(gòu)建是對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進行分析的重要前提，同時也是實現(xiàn)對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)有效控制的重要手段。隨著我國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的不斷成熟進步，加強對機械傳統(tǒng)機構(gòu)動態(tài)模型的研究也變得越來越重要。本文將結(jié)合當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)自身特點來重點分析動態(tài)模型的構(gòu)建以及仿真分析。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；動態(tài)模型；機械傳動

隨著我國能源形勢的日益緊張，風(fēng)能被人們充分利用。近些年來我國的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，尤其是變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)取得了明顯進步。隨著這一技術(shù)的不斷擴展和應(yīng)用，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的機械傳統(tǒng)機構(gòu)的動態(tài)模型構(gòu)建變得越來越重要。

在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中機械傳動機構(gòu)動態(tài)模型的構(gòu)建歷來是一個重點，同時也是一個難點。當(dāng)前國內(nèi)對于動態(tài)模型的研究還很少，人們還沒有意識到這個問題的重要性。本文將結(jié)合多年的的實際經(jīng)驗來對此進行專業(yè)性的探討。

1.建模

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)本身是一個復(fù)雜的機械系統(tǒng)，對于雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)而言尤其是如此。雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的機械傳動部分是由發(fā)電機、風(fēng)機、高速軸、齒輪箱、低速軸等設(shè)備構(gòu)成。

針對該風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機械傳動機構(gòu)動態(tài)模型的構(gòu)建，首先是要分析其中各個設(shè)備之間的相關(guān)轉(zhuǎn)動慣量。針對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)本身的機械傳動機構(gòu)各個設(shè)備之間的慣量，可以按照以下方法來做：針對高速軸的轉(zhuǎn)動慣量可以折算到發(fā)電機側(cè)，等效轉(zhuǎn)到慣量我們可以設(shè)為JG、而低速軸的轉(zhuǎn)動慣量可以等效為JWT。之后把低速軸與高速軸的的阻尼系數(shù)和剛度系數(shù)設(shè)出來（BWT、BG、KWT、KG），通過這一系列的設(shè)置之后就可以得到以下關(guān)系式：

之后通過一系列推算求得系統(tǒng)的狀態(tài)方程與特征方程：

自然振蕩頻率和阻尼系數(shù)也可近似表示為以下式子：

通過觀察以上模型，我們就可以發(fā)現(xiàn)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中自然振蕩頻率和剛度系數(shù)是成正相關(guān)的，而自然振蕩頻率與發(fā)電機慣量是呈負相關(guān)的。各種設(shè)備之間的阻尼系數(shù)也呈現(xiàn)出不同的關(guān)系，風(fēng)機軸本身的阻尼系數(shù)與高低速軸的阻尼系數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系。風(fēng)機軸阻尼系數(shù)越高，高低速軸的阻尼系數(shù)也將隨之上升。構(gòu)建動態(tài)模型的一個重要目的就是要分析各種設(shè)備之間的關(guān)系，從而提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及各項性能。構(gòu)建風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的機械傳動機構(gòu)動態(tài)模型是加強對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進行研究的重要手段。構(gòu)建動態(tài)模型的關(guān)鍵是要能夠把握住系統(tǒng)的輸入輸出量之間的關(guān)系，把握住系統(tǒng)中的關(guān)鍵指標(biāo)。只有深刻意識到這一點，才能真正構(gòu)建起有效的動態(tài)模型。在構(gòu)建模型過程中針對不同的系統(tǒng)，要采取不同的模型，也就是必須要結(jié)合自身實際情況來進行有效分析。這是加強風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的必然要求。

2.仿真

為了有效驗證動態(tài)模型的分析效果，工作人員還需要進行專業(yè)地嚴格地仿真分析。對于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)而言，主要是采用異步電動機作為原動機來模擬風(fēng)機特性。針對原動機，事先要對規(guī)格有嚴格規(guī)定。原動機的規(guī)格如果不符合要求就很難進行驗證。因而要高度重視原動機的各項指標(biāo)。

根據(jù)實際要求，工作人員采用額定轉(zhuǎn)速為1500rad/min、額定功率為3.5kw、額定電壓是380v的異步電動機。所采用的發(fā)電機則是雙饋發(fā)電機，該發(fā)電機的額定功率是3kw、額定轉(zhuǎn)速是1500rad/min，額定電壓是380v、穩(wěn)速的平衡主要是通過風(fēng)機負載來實現(xiàn)。在實際仿真分析過程中為了有效準(zhǔn)確的觀察仿真結(jié)果，工作人員需要排除屏蔽掉塔影效應(yīng)以及風(fēng)剪引起的轉(zhuǎn)矩脈動量。

針對該機組的仿真，我們主要是觀察不同風(fēng)機側(cè)慣量、不同軸剛度系數(shù)、不同軸阻尼系數(shù)、不同發(fā)電機側(cè)慣量與風(fēng)電機轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。通過觀察不同指標(biāo)同風(fēng)電機轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線，我們可以得出不同指標(biāo)同轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。從圖中我們可以看出傳動機構(gòu)軸剛度系數(shù)分別是100、50、10的時候，系統(tǒng)自然振蕩頻率也隨之下降。以此類推，我們經(jīng)過對不同指標(biāo)的響應(yīng)曲線進行認真分析之后，最終驗證了上述動態(tài)模型的正確性。

圖1 不同軸剛度系數(shù)風(fēng)機轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線

圖2 不同風(fēng)機側(cè)慣量風(fēng)機轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線

圖3 不同發(fā)電機側(cè)慣量風(fēng)機轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線

3.實驗

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機械傳動機構(gòu)動態(tài)模型的研究最終是要通過實驗來進行驗證的。在本次試驗中工作人員通過用一臺15kw的一步點擊當(dāng)作模擬動態(tài)風(fēng)機輸出，而把11kw的雙饋點擊當(dāng)作發(fā)電機。在實驗過程中工作人員發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)本身要受到慣量差所帶來的轉(zhuǎn)矩、功率波動的影響。因而工作人員考慮對風(fēng)機模擬器進行必要補償。經(jīng)補償之后，工作人員發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)性能有了明顯改善，也能夠滿足實際需要了。

風(fēng)能發(fā)電是一種新型發(fā)電技術(shù)，與傳統(tǒng)的火力發(fā)電相比，風(fēng)能發(fā)電技術(shù)更具優(yōu)勢。風(fēng)能發(fā)電中系統(tǒng)本身由于各種因素的影響會出現(xiàn)一系列問題，此時加強對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)部機械傳動結(jié)構(gòu)的研究就顯得非常重要。本文重點分析了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機械傳動結(jié)構(gòu)動態(tài)模型的構(gòu)建并進行了仿真，最后結(jié)合試驗結(jié)果進行了驗證。在今后工作過程中應(yīng)該不斷加強這方面的研究。

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