引言

我國領(lǐng)土廣闊,風力資源豐富,十分適合風力發(fā)電的相關(guān)設施建設。在自然環(huán)境中隨機風速背景下,風電傳動系統(tǒng)經(jīng)常處于變速、隨機變載的工作狀態(tài),與其他傳動裝置相比,系統(tǒng)受到的疲勞循環(huán)更多,使得風力傳動系統(tǒng)故障頻發(fā)且不易維修。鑒于此,本文對風電傳動系統(tǒng)中的機電耦合展開研究,建立隨機風速背景下機電耦合動力學模型,研究分析機電耦合對于整體風電傳動系統(tǒng)的影響特性。

1風電傳動系統(tǒng)機電耦合動力學建模

1.1齒輪傳動系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)動力學模型

常見風電齒輪箱拆解模型圖如圖1所示,利用綜合角位移的性質(zhì)可以使機械系統(tǒng)坐標與電氣系統(tǒng)坐標相同,方便將機械系統(tǒng)與電氣系統(tǒng)進行耦合,使得整個機械系統(tǒng)參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)橛嘘P(guān)輪轉(zhuǎn)角的函數(shù)。

設定所有構(gòu)件的角位移與扭矩全部遵循逆時針方向為正方向,齒輪彈性形變以受擠壓為正,可以得到齒輪傳動系統(tǒng)的動力學方程為:

式中:Jn為系統(tǒng)各構(gòu)件具有的轉(zhuǎn)動慣量,其中n=s、r、c、pn、l、2、3、4、b、g:9n為系統(tǒng)中各構(gòu)件具有的角位移,其中n=s、r、c、pn、l、2、3、4、b、g:cn為系統(tǒng)各級軸所具有的扭轉(zhuǎn)剛度及嚙合剛度,其中n=b、d、z、g、spn、l2、34:rn為系統(tǒng)中各級齒輪半徑,其中n=s、r、p、l、2、3、4:6n為系統(tǒng)中各齒輪副嚙合彈性變形,其中n=spn、rpn、l2、34:mp為系統(tǒng)行星輪質(zhì)量:rc為行星輪與行星架間間隔:c9r、℃9r為系統(tǒng)內(nèi)齒輪支撐剛度、阻尼:αsp、αrp為齒輪間嚙合角:7b、7e為發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩。

因為齒輪間存在間隙,所以6n應為分段函數(shù)形式:

式中:bn為各個齒輪間隙的l/2:xn為齒輪沿嚙合線上運動的相對位移。

利用傅里葉級數(shù)將時變嚙齒剛度進行展開,使之變?yōu)榕c轉(zhuǎn)輪角相關(guān)的函數(shù):

式中:c為平均嚙合剛度:a1為傅里葉級數(shù)展開系數(shù):l為運行諧波次數(shù)::、9為主動輪齒數(shù)、轉(zhuǎn)角:y為嚙合剛度的初相位。

1.2雙饋發(fā)動機矢量控制模型

雙饋電機的數(shù)學模型通常是強耦合的,一般將其轉(zhuǎn)換到d-g坐標軸中進行解調(diào)[4-5]。默認使用電流從高電位流入的電動機慣例,整體電機數(shù)學模型為:

式中:u為電壓:i為電流:R為電阻:下標d、q表示坐標直軸與交軸分量:下標s、r表示系統(tǒng)定子側(cè)與轉(zhuǎn)子側(cè)物理量:L1s、L1r為系統(tǒng)定子、轉(zhuǎn)子漏感:Lm為定轉(zhuǎn)子互感:7e為電磁轉(zhuǎn)矩:np為極對數(shù):ol為體系同步角速度:or為轉(zhuǎn)子電角速度。

利用定子電壓定向矢量控制技術(shù)實施交流勵磁,完成發(fā)動機恒頻變速運行與風能跟蹤作用,具體技術(shù)原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2風電傳動系統(tǒng)動態(tài)特性分析

2.1風電傳動系統(tǒng)固有特性

由表1中數(shù)據(jù)可知,風電傳動系統(tǒng)振動來源主要有5個方面,其中影響最大的是系統(tǒng)的全局振動,在自然隨機風速背景下,風力作用與全局振動間將會產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

2.2隨機風速背景下風電傳動系統(tǒng)動態(tài)響應

利用仿真軟件在隨機風速背景下對模型進行模擬,平均風速為15m/s,得到風電傳動系統(tǒng)動態(tài)響應結(jié)果。

利用Turbsim的有關(guān)函數(shù)模擬50s的隨機風速模型得到圖3所示圖像,在整個風能轉(zhuǎn)化為電能過程中,葉片不能收集到全部的風能,只能轉(zhuǎn)化一部分,利用風電傳動系統(tǒng)收集到的風能在總體中占比計算風能利用系數(shù),如圖4所示。

對比分析圖3、圖4可知,風能利用系數(shù)與風速存在部分的反比例關(guān)系:對比分析圖3、圖5可知,實際功率圖形與隨機風速圖形相近,但具有一定滯后現(xiàn)象,所以當現(xiàn)實風速較低時,風能利用系數(shù)較大,功率也隨之降低。但整體系統(tǒng)運行過程中,風能利用系數(shù)長時間處于最大值位置,表明系統(tǒng)基本保持在最大風能跟蹤工作。

具體分析機械系統(tǒng)與電氣系統(tǒng)間的關(guān)系,二者互相作用主要是通過電磁轉(zhuǎn)矩,根據(jù)實驗獲得的數(shù)據(jù)建立電磁轉(zhuǎn)矩模型,模擬頻譜分析得出結(jié)論,發(fā)現(xiàn)在耦合過程中,電氣系統(tǒng)對于機械系統(tǒng)出現(xiàn)的低頻振動現(xiàn)象存在一定的抑制作用。

3結(jié)論

(1)隨機風速主要影響風機的運行點位,為了追求風能的最大利用率,風電傳動系統(tǒng)一直處在變載狀態(tài)下,在變載荷的作用下,系統(tǒng)內(nèi)各種構(gòu)件的振動與功率變化情況大體穩(wěn)定,趨勢相對一致,但外界低風速與系統(tǒng)全局振動引起的共振現(xiàn)象對動態(tài)響應過程影響較大。

(2)在風電傳動系統(tǒng)中,機械系統(tǒng)與電氣系統(tǒng)具有強耦合性,具體表現(xiàn)為自然隨機風速下,機械系統(tǒng)會出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象,而這種影響通過耦合效應傳遞給電氣系統(tǒng)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩變化,然后又再次反向影響機械系統(tǒng)。所以,在未來風電傳動系統(tǒng)設計過程中,應考慮隨機風速背景下機械系統(tǒng)與電氣系統(tǒng)耦合產(chǎn)生的影響。