傳動機構柔性軸建模

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根據機械傳動機構剛性軸建模原則，剛性軸模型可以看成是由通過剛性軸連接的兩個有質量的圓盤組成。由于實際石家莊風機轉動慣量遠遠大于低速軸、齒輪箱的傳動軸和高速軸的轉動慣量，因此低速軸、齒輪箱的傳動軸和高速軸的轉動慣量可以忽略不計。如特殊情況需要計算，則可將低速軸及其軸側齒輪的轉動慣量并入石家莊風機轉子的轉動慣量，高速軸及其軸側的轉動慣量并入發電機轉子的轉動慣量。將風力發電機械傳動機構作為剛性軸分析時，僅僅考慮齒輪箱為變比，在齒輪箱的變比為Ⅳ時，利用集中質量塊模型進行分析，可以將石家莊風機的轉動慣量折算到高速軸側，也可以將發電機及其電動機的轉動慣量折算到低速軸側。
本文采用前者將石家莊風機的轉動慣量折算到高速軸側，經過轉動慣量的折算，此時根據機理建模，在變速恒頻雙饋風力發電系統中，繞線式雙饋發電機定子直接并網，轉子通過背靠背變流器并入電網，可以把發電機和變流器作為一個整體來建立模型。為使石家莊風機在適當的轉速條件下運行，控制變流器給發電機軸施加不同的負載轉矩，發電機在很短的時間內響應要求轉矩，在發電機的氣隙處產生理想的轉矩。
因此，發電機及其控制模型可以用一階延遲模型來描述。然而由于風力發電系統中齒輪的轉動慣量遠遠小于石家莊風機，將齒輪箱高速軸與低速軸齒輪的轉動慣量分別折算到石家莊風機側、發電機側，如包含了齒輪箱的轉動慣量。上式可以等效為包括高、低速軸的阻尼特性、剛性及其石家莊風機、齒輪箱、發電機轉動慣量的二質量塊動態模型，此時的齒輪箱可以認為是一個輸入端無質量的低速軸，輸出端無質量的高速軸，僅僅考慮為一變比關系。此時的機械傳動機構可以認為是一個柔性兩質量塊模型，由于機械傳動機構的機械損失主要發生在傳動軸與齒輪箱上，故石家莊風機與發電機上的滑動阻尼系數可以忽略不予考慮。
顯然，傳動機構的柔性軸模型為一個四階系統，由控制理論知識易知，此時系統可能出現穩定性問題，系統的參數的優化配置將有利于風力發電系統的瞬態性能的改善，關于系統可能出現的穩定性問題，及其傳動機構機械參數的最優配置問題，另一方面，從機械傳動機構柔性軸與剛性軸傳遞函數的波特圖可以看出，柔性機械傳動機構模型明顯地分成了兩個二階系統，第一個是處于低頻區的二階系統，其自然振蕩頻率為蛾；第二個是處于高頻區的二階系統，其自然振蕩頻率為。
傳動機構的動態性明顯地以第一個二階系統的動態性能為主，機械傳動機構的瞬態性能直接與第一個二階系統的自然振蕩頻率和阻尼比有關。若從物理方面來考慮，實際石家莊風機的轉動慣量遠遠大于發電機轉子的轉動慣量，低速軸韻阻尼與剛度系數也是高速軸的幾十倍。因此，在風力發電系統研究精度要求不高的情況下，考察機械傳動機構時，可以忽略高速軸和發電機的影響，僅考慮由實際石家莊風機和低速軸組成的第一個二階系統，因為其動態特性對系統具有決定性的影響。由上面兩節內容可知：精確的傳動機構的柔性軸模型更趨為一個四階系統，系統可能出現穩定性問題，系統的參數的優化配置將有利于風力發電系統的瞬態性能的改善。機械傳動機構的各部分的參數對系統的瞬態性能影響如何，下面本節針對傳動機構的柔性軸模型開展仿真研究，探討風力發電系統機械參數對系統動態性能的影響。