双馈风力发电机轴系扭振疲劳可靠性分析

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1、双馈风力发电机轴系扭振疲劳可靠性分析第一章绪论1.1课题研究背景及意义化石类能源燃烧会产生大量2CO、2SO和粉尘等污染物，造成人们生活环境污染，特别是近年来雾霾现象越发严重。空气中的细颗粒物(PM2.5)增多会形成雾霾，人们长期处于雾霾环境容易引发肺癌等多种疾病。根据2015年美国国家航空局(NASA)统计的全球PM2.5浓度值分布图[1]，如图1-1所示，在全球机动车保有量200万辆以上的大城市中，中国大陆地区与印尼、中东等地区的雾霾情况及其严重，我国华北地区特别是首都北京时常处于严重雾霾的环境中。据报道称，2015年12月8日开始，北京正式启动了三

2、年来首个重污染雾霾红色预警信号，与此同时，北京天安门广场的武警战士执勤时也首次在雾霾天佩戴口罩。雾霾已经严重影响我国居民的身心健康。随着人们环保意识逐渐增强，为了改善自身居住的生活环境，实现可持续发展的目标，寻求一种经济可靠的清洁能源逐步取代化石能源显得十分重要。目前受到广泛关注并能够利用的清洁能源主要包括太阳能、风能、氢能、海洋能、生物质能等。在各种不同类型的清洁能源中，风能资源丰富，风力发电技术更加成熟，且在价格、可靠性等方面更具竞争力，诸多优势让风力发电成为目前世界上发展最快的清洁能源利用方式，同时风力发电也成为引领全球从化石能源向清洁能源转型的中

3、坚力量。图1-2为全球风能理事会(Gatlab对双馈风力发电机轴系扭振模态进行仿真研究，同时探讨了控制策略对抑制轴系扭振的影响；文献[9-10]建立了双馈风力发电机模型，通过时域仿真对风力发电系统低频振荡特性进行分析，并验证了振荡模态的正确性。文献[11-12]建立了双馈风力发电机小干扰稳定性模型，对电力系统扰动下引发的负阻尼型低频振荡进行了分析，并对比了不同运行模式与不同控制方法下的振荡模态。文献[13]分析了电力系统不对称短路故障对风力发电机轴系扭振的影响。文献[14-16]研究了双馈风力发电机次同步振荡的机理以及相应抑制措施。其中，文献[14]主要

4、采用频率扫描法对双馈风力发电机次同步振荡的机理与影响因素进行分析，并分析了风速和输电线路串联补偿度对风力发电机次同步振荡程度的影响。文献[17]指出风力发电系统输电线路串联电容补偿与高压直流输电可能诱发电力系统次同步振荡，同时分析了电力系统次同步振荡的类型与风力发电机结构的关系。文献[18]通过时域仿真证明电网故障会对风力发电机轴系造成冲击甚至引发轴系扭振。文献[19]通过利用小干扰稳定分析法，分别建立了变桨变速双馈风力发电机与定速异步风力发电机的小信号状态空间模型，详细研究了风力发电机轴系扭振与电力系统之间的相互影响因素，确定了风力发电机轴系扭振模态。

5、..........第二章双馈风力发电机及其传动链模型由于电力系统故障的随机性与不可避免性，大容量双馈风力发电机组在电气故障扰动下发生轴系扭振的稳定性问题越来越严重。为了分析电气故障对风力发电机轴系造成的影响，有必要建立双馈风力发电机暂态模型及其轴系传动链模型，计算风力发电机传动链扭振模态。本章主要对双馈风力发电机暂态模型及其轴系传动链模型进行分析。介绍了水平轴式双馈风力发电机的主要结构，建立双馈风力发电机暂态模型。依据风力发电机传动链实际结构，建立轴系三质块等效数学模型，采用特征值分析法对风力发电机轴系扭振自然频率和扭振模态进行分析，得到风力发电机轴系

6、扭振固有频率与振型，为进一步研究风力发电机轴系疲劳程度损伤奠定基础。2.1双馈风力发电机基本结构依据双馈风力发电机旋转主轴的方向，可分为水平轴式与垂直轴式两种类型。水平轴式风力发电机旋转轴与叶面垂直，与地面平行，其齿轮装置通常安装于塔筒顶部；垂直轴式风力机旋转轴与叶面平行，与地面垂直，其齿轮装置为便于安装和维修通常放置于地面。目前，世界上双馈风力发电机主要采用水平轴式结构，因此本文选用水平轴式风力发电机作为研究对象。.......2.2双馈风力发电机功率控制模型为了尽可能获得最大风能，双馈风力发电机通常配备一定的控制元件。控制元件可以根据风速等外部因素调

7、节风力机的运行状态，从而使风力机获得最大功率。如果风速小于风力机额定风速，可以通过控制元件调节风力机桨距角，使风力机叶片在最佳叶尖速比下运行，达到风能利用最大化。如果风速大于风力机额定风速，则可以通过控制元件调节桨距角和控制发电机输出功率来控制风力.风力发电机轴系传动链由桨叶片、轮毂、低速轴、增速箱、高速轴和发电机转子构成，是风力发电机能量的传递与转换装置。根据风力发电机轴系传动链的实际结构，本文将轴系等效为三质块集中质量模型，如图2-5所示。其中，考虑到风力机桨叶片的柔性，将桨叶片单独等效为第一个质块；根据传动轴旋转速度的差异将轮毂及低速齿轮部分等效为

8、第二个质块；将高速齿轮及感应发电机部分等效为第三个质块。.........第三章