[发明专利]风电机组传动链机械暂态特性的建模与仿真方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种风电机组传动链在电网故障时机械暂态运行特性的建模与仿真方法。

背景技术

电网发生瞬时故障时，包括电压跌落、相位跳变等，并网风电机组暂态运行特性会对机组甚至风电场的安全稳定性产生严重影响。开展电网瞬时故障下并网风电机组的暂态特性的研究具有非常重要的意义。

对于双馈式变速恒频风电机组，双馈感应发电机定子直接与电网连接，电网电压瞬时跌落等故障会造成电机定子磁链的振荡，在电机定子端感应出过电压、过电流，造成电磁转矩突变与振荡。由于双馈式风电机组叶片轮毂与电机转子之间通过传动链进行连接，两者之间转动惯量相差较大；同时由于传动链刚度相对较低，齿轮箱中多组齿轮的啮合进一步加大了传动链的柔性。这使得来自风速的波动和电网故障的扰动一方面会导致传动链承受较大的不平衡扭矩，产生机械转矩的波动与振荡，激起传动链的共振。另一方面会导致传动链部件承受较大的扭切力冲击，并产生应变。从而加大传动链及其零部件的疲劳载荷，影响其长期使用寿命。在严重的情况下，巨大的扭矩可能导致传动轴出现裂纹，甚至出现断裂等严重故障问题。

近年来，针对电网故障对风电机组的影响问题，国内外已有相关研究，但主要是针对风力发电机电气部分暂态过程来进行的，研究内容也主要集中于电网瞬时故障时电力系统稳定性、电能质量等。所建立的仿真模型对机械传动链部分做了较大简化，多以两质量块或三质量块模型等效，即：将叶片轮毂等效为一个刚性质量块，将齿轮箱与发电机转子等效为一个或两个质量块，将连接这三者的低速轴与高速轴视为柔性轴。如刘思(刘思，田德，邓英等.双馈风力发电机组等效模型对机组暂态稳定性的影响[J].可再生能源2012,30(10):42-46.)等建立的传动链三质量块等效模型，对电网扰动情况下风电机组暂态稳定性进行了的仿真分析。Badrinath V.(Badrinath V.,D.Santos-Martin,H.Jensen.Voltage sag influence on fatigue life of the drivetrain of fixed speed wind turbines[J].ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences.2011,6(3):106-115.)等建立了传动链三质量块模型，仿真分析了电压跌落故障对风电机组疲劳寿命的影响。这种建模和仿真方法对于研究电网瞬时故障时风电机组电气暂态特性是有效的，但无法对传动链的机械暂态特性进行定量、精确地分析。中国电力科学院（秦世耀，王莹莹，李庆等.风电机组低电压穿越特性联合仿真模型及其联合仿真方法.中国专利，201210279998.4.2012-12-12.）提出了基于Bladed和Matlab的风电机组低电压穿越特性联合仿真方法。中国专利,201110306473.0提出了一种包括Bladed单元，RTDS单元和PLC控制器的风电机组低电压穿越综合模拟系统。上述联合仿真模型都没有对机械传动链进行详细建模考虑，而是采用不同的简化模型替代。其仿真结果也不能有效获得传动链的机械暂态特性。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术无法深入研究风电机组传动链机械暂态特性的缺点，提出一种在电网瞬时故障情况下，风电机组传动链机械暂态特性的建模与仿真方法。本发明通过建立传动链的暂态动力学模型，并且基于协同仿真方法进行传动链在电网故障下的机械暂态特性仿真分析，从而能够定量、精确地分析电网瞬时故障对传动链的机械暂态影响，为传动链的设计优化及控制策略提供理论依据。

本发明采用如下技术方案：

首先建立传动链暂态动力学模型，其技术方案如下：

采用CAD软件Solidworks建立风电机组传动链三维模型。

进一步的，采用有限元软件ANSYS建立传动链有限元模型。同时采用ADAMS建立传动链刚柔耦合模型，其中考虑传动链刚性较低的部件如：主轴、行星架、齿轮轴和输出轴的弹性变形影响，将上述部件等效为柔性体。

其次建立风电机组整机模型，并进行电网瞬时故障时传动链的载荷计算，提取传动链扭矩—时间历程数据，即传动链扭矩随时间变化的离散数据。其技术方案如下：