差動調(diào)速的變速恒頻風電機組傳動系統(tǒng)設(shè)計原理研究.pdf

1、并網(wǎng)風力發(fā)電是技術(shù)相對成熟且有良好發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕茉瓷a(chǎn)形式之一。當前并網(wǎng)風電機組主要包括永磁直驅(qū)機組和雙饋機組，但此類基于電力電子技術(shù)的變速恒頻風電機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現(xiàn)機組高/低電壓穿越;特殊設(shè)計的發(fā)電機和變頻裝置增加了高性價比、高可靠性的大功率機組研制難度等?，F(xiàn)有風電機組過度依賴發(fā)電機設(shè)計和電力電子技術(shù)，使上述問題難以有實質(zhì)性突破，迫切需要開展新型風

2、電機組的研發(fā)，以滿足行業(yè)發(fā)展的需求。
　　在此背景下，基于先進傳動調(diào)速技術(shù)的新型變速恒頻風電機組成為學術(shù)界關(guān)注的熱點問題，本文具體針對其重要分支，即采用差動調(diào)速技術(shù)的風電機組，開展傳動系統(tǒng)設(shè)計原理方面的研究，旨在為新型風電機組的方案設(shè)計、原理驗證、性能仿真提供理論支撐和科學依據(jù)。本文系統(tǒng)分析了相關(guān)研究基礎(chǔ)的不足，有針對性地提出了總體傳動方案的設(shè)計方法，借助物理試驗和建模仿真等手段對設(shè)計方案的原理可行性和運行有效性進行了研究。其主要

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

4、式;采用有限時間歷程優(yōu)化方法，以調(diào)速電機峰值功率最小作為優(yōu)化目標，結(jié)合多個約束條件，對總體傳動方案中三套聯(lián)接單元的傳動比進行配置，最終得到傳動比的優(yōu)化值以及調(diào)速電機額定功率的理論值。此外，本文還提出并研究了差動調(diào)速風電機組的一種派生方案。
　　(2)設(shè)計并搭建了國內(nèi)首例差動調(diào)速的風電機組試驗臺，開展了差動調(diào)速風電機組傳動原理的試驗研究。試驗系統(tǒng)由差動模塊、電機模塊和控制模塊組成，通過調(diào)整硬件設(shè)備以及編制上位機控制程序，可以構(gòu)建采用

5、基本方案以及派生方案的差動調(diào)速風電試驗系統(tǒng)，為后續(xù)的開放性試驗研究奠定了基礎(chǔ)。試驗系統(tǒng)的功能需求為:以具有‘雙輸入-單輸出’功能的差動齒輪箱為傳動核心，變頻電機模擬風輪以變轉(zhuǎn)速輸入，通過上位機程序控制伺服電機的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)輸出端同步發(fā)電機的轉(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)矩等運行數(shù)據(jù)。通過處理實測數(shù)據(jù)，分析了關(guān)鍵構(gòu)件的轉(zhuǎn)速誤差以及功率損耗，試驗結(jié)果表明了采用基本方案及派生方案的差動調(diào)速風電機組具有傳動原理可行性。
　　

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