風力發電系統機械傳動機構動態模型研究

摘要：機械傳動機構是風力發電機組研究的重點，機械傳動機構動態模型的構建是對風力發電系統進行分析的重要前提，同時也是實現對風力發電系統有效控制的重要手段。隨著我國風力發電技術的不斷成熟進步，加強對機械傳統機構動態模型的研究也變得越來越重要。本文將結合當前風力發電系統自身特點來重點分析動態模型的構建以及仿真分析。

關鍵詞：風力發電；動態模型；機械傳動

隨著我國能源形勢的日益緊張，風能被人們充分利用。近些年來我國的風力發電技術，尤其是變速恒頻雙饋風力發電系統取得了明顯進步。隨著這一技術的不斷擴展和應用，風力發電系統的機械傳統機構的動態模型構建變得越來越重要。

在風力發電系統中機械傳動機構動態模型的構建歷來是一個重點，同時也是一個難點。當前國內對于動態模型的研究還很少，人們還沒有意識到這個問題的重要性。本文將結合多年的的實際經驗來對此進行專業性的探討。

1.建模

風力發電系統本身是一個復雜的機械系統，對于雙饋風力發電系統而言尤其是如此。雙饋風力發電系統的機械傳動部分是由發電機、風機、高速軸、齒輪箱、低速軸等設備構成。

針對該風力發電系統機械傳動機構動態模型的構建，首先是要分析其中各個設備之間的相關轉動慣量。針對風力發電系統本身的機械傳動機構各個設備之間的慣量，可以按照以下方法來做：針對高速軸的轉動慣量可以折算到發電機側，等效轉到慣量我們可以設為JG、而低速軸的轉動慣量可以等效為JWT。之后把低速軸與高速軸的的阻尼系數和剛度系數設出來（BWT、BG、KWT、KG），通過這一系列的設置之后就可以得到以下關系式：

之后通過一系列推算求得系統的狀態方程與特征方程：

自然振蕩頻率和阻尼系數也可近似表示為以下式子：

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

2.仿真

為了有效驗證動態模型的分析效果，工作人員還需要進行專業地嚴格地仿真分析。對于風力發電系統而言，主要是采用異步電動機作為原動機來模擬風機特性。針對原動機，事先要對規格有嚴格規定。原動機的規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。

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

針對該機組的仿真，我們主要是觀察不同風機側慣量、不同軸剛度系數、不同軸阻尼系數、不同發電機側慣量與風電機轉速之間的關系。通過觀察不同指標同風電機轉速響應曲線，我們可以得出不同指標同轉速之間的關系。從圖中我們可以看出傳動機構軸剛度系數分別是100、50、10的時候，系統自然振蕩頻率也隨之下降。以此類推，我們經過對不同指標的響應曲線進行認真分析之后，最終驗證了上述動態模型的正確性。

圖1 不同軸剛度系數風機轉速響應曲線

圖2 不同風機側慣量風機轉速響應曲線

圖3 不同發電機側慣量風機轉速響應曲線

3.實驗

風力發電系統機械傳動機構動態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的一步點擊當作模擬動態風機輸出，而把11kw的雙饋點擊當作發電機。在實驗過程中工作人員發現系統本身要受到慣量差所帶來的轉矩、功率波動的影響。因而工作人員考慮對風機模擬器進行必要補償。經補償之后，工作人員發現系統性能有了明顯改善，也能夠滿足實際需要了。

風能發電是一種新型發電技術，與傳統的火力發電相比，風能發電技術更具優勢。風能發電中系統本身由于各種因素的影響會出現一系列問題，此時加強對風力發電系統內部機械傳動結構的研究就顯得非常重要。本文重點分析了風力發電系統機械傳動結構動態模型的構建并進行了仿真，最后結合試驗結果進行了驗證。在今后工作過程中應該不斷加強這方面的研究。

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