差動(dòng)調(diào)速的變速恒頻風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理研究.pdf

1、并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電是技術(shù)相對(duì)成熟且有良好發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕茉瓷a(chǎn)形式之一。當(dāng)前并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組主要包括永磁直驅(qū)機(jī)組和雙饋機(jī)組，但此類基于電力電子技術(shù)的變速恒頻風(fēng)電機(jī)組仍存在難以解決的技術(shù)瓶頸:‘整流-逆變’環(huán)節(jié)增加了電流的諧波成分;需要附加設(shè)備和提高控制難度以實(shí)現(xiàn)機(jī)組高/低電壓穿越;特殊設(shè)計(jì)的發(fā)電機(jī)和變頻裝置增加了高性價(jià)比、高可靠性的大功率機(jī)組研制難度等?，F(xiàn)有風(fēng)電機(jī)組過(guò)度依賴發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)和電力電子技術(shù)，使上述問(wèn)題難以有實(shí)質(zhì)性突破，迫切需要開(kāi)展新型風(fēng)

2、電機(jī)組的研發(fā)，以滿足行業(yè)發(fā)展的需求。
　　在此背景下，基于先進(jìn)傳動(dòng)調(diào)速技術(shù)的新型變速恒頻風(fēng)電機(jī)組成為學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題，本文具體針對(duì)其重要分支，即采用差動(dòng)調(diào)速技術(shù)的風(fēng)電機(jī)組，開(kāi)展傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理方面的研究，旨在為新型風(fēng)電機(jī)組的方案設(shè)計(jì)、原理驗(yàn)證、性能仿真提供理論支撐和科學(xué)依據(jù)。本文系統(tǒng)分析了相關(guān)研究基礎(chǔ)的不足，有針對(duì)性地提出了總體傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì)方法，借助物理試驗(yàn)和建模仿真等手段對(duì)設(shè)計(jì)方案的原理可行性和運(yùn)行有效性進(jìn)行了研究。其主要

3、內(nèi)容和創(chuàng)新性成果如下:
　　(1)提出了差動(dòng)調(diào)速風(fēng)電機(jī)組的總體傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)方法。傳動(dòng)方案的布置形式和參數(shù)配置是新型風(fēng)電機(jī)組總體方案設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，但迄今尚無(wú)針對(duì)性的設(shè)計(jì)方法。因此，本文通過(guò)確定差動(dòng)輪系的布置形式以及優(yōu)化聯(lián)接單元的傳動(dòng)比，形成了差動(dòng)調(diào)速風(fēng)電機(jī)組總體傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì)方法，并依此得到具體的傳動(dòng)方案，作為后續(xù)物理試驗(yàn)和性能仿真的理論基礎(chǔ)?；诓顒?dòng)調(diào)速原理，結(jié)合基本構(gòu)件的轉(zhuǎn)速和功率等臨界條件，確定了差動(dòng)輪系在總體方案中的布置形

4、式;采用有限時(shí)間歷程優(yōu)化方法，以調(diào)速電機(jī)峰值功率最小作為優(yōu)化目標(biāo)，結(jié)合多個(gè)約束條件，對(duì)總體傳動(dòng)方案中三套聯(lián)接單元的傳動(dòng)比進(jìn)行配置，最終得到傳動(dòng)比的優(yōu)化值以及調(diào)速電機(jī)額定功率的理論值。此外，本文還提出并研究了差動(dòng)調(diào)速風(fēng)電機(jī)組的一種派生方案。
　　(2)設(shè)計(jì)并搭建了國(guó)內(nèi)首例差動(dòng)調(diào)速的風(fēng)電機(jī)組試驗(yàn)臺(tái)，開(kāi)展了差動(dòng)調(diào)速風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)原理的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)系統(tǒng)由差動(dòng)模塊、電機(jī)模塊和控制模塊組成，通過(guò)調(diào)整硬件設(shè)備以及編制上位機(jī)控制程序，可以構(gòu)建采用

5、基本方案以及派生方案的差動(dòng)調(diào)速風(fēng)電試驗(yàn)系統(tǒng)，為后續(xù)的開(kāi)放性試驗(yàn)研究奠定了基礎(chǔ)。試驗(yàn)系統(tǒng)的功能需求為:以具有‘雙輸入-單輸出’功能的差動(dòng)齒輪箱為傳動(dòng)核心，變頻電機(jī)模擬風(fēng)輪以變轉(zhuǎn)速輸入，通過(guò)上位機(jī)程序控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)輸出端同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速至穩(wěn)定，并用傳感器采集了關(guān)鍵構(gòu)件的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等運(yùn)行數(shù)據(jù)。通過(guò)處理實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了關(guān)鍵構(gòu)件的轉(zhuǎn)速誤差以及功率損耗，試驗(yàn)結(jié)果表明了采用基本方案及派生方案的差動(dòng)調(diào)速風(fēng)電機(jī)組具有傳動(dòng)原理可行性。
　　

6、(3)提供了適用于差動(dòng)調(diào)速風(fēng)電機(jī)組的建模和仿真方法，并在SIMULINK軟件環(huán)境中開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的仿真工具，可為日后的機(jī)組設(shè)計(jì)和性能評(píng)估提供技術(shù)支持。本文建立了兆瓦級(jí)差動(dòng)調(diào)速風(fēng)電機(jī)組模型，并在包括湍流風(fēng)在內(nèi)的多種風(fēng)況輸入下進(jìn)行仿真分析，同時(shí)基于該模型進(jìn)行了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的分析以及基本方案和派生方案的對(duì)比仿真。研究并建立了差動(dòng)輪系的三軸動(dòng)力學(xué)數(shù)值模型，將其作為總體傳動(dòng)模型的關(guān)鍵環(huán)節(jié);研究并提出了針對(duì)差動(dòng)調(diào)速風(fēng)電機(jī)組的功率控制方法，包括額定風(fēng)速以