传动机构柔性轴建模

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根据机械传动机构刚性轴建模原则，刚性轴模型可以看成是由通过刚性轴连接的两个有质量的圆盘组成。由于实际石家庄风机转动惯量远远大于低速轴、齿轮箱的传动轴和高速轴的转动惯量，因此低速轴、齿轮箱的传动轴和高速轴的转动惯量可以忽略不计。如特殊情况需要计算，则可将低速轴及其轴侧齿轮的转动惯量并入石家庄风机转子的转动惯量，高速轴及其轴侧的转动惯量并入发电机转子的转动惯量。将风力发电机械传动机构作为刚性轴分析时，仅仅考虑齿轮箱为变比，在齿轮箱的变比为Ⅳ时，利用集中质量块模型进行分析，可以将石家庄风机的转动惯量折算到高速轴侧，也可以将发电机及其电动机的转动惯量折算到低速轴侧。
本文采用前者将石家庄风机的转动惯量折算到高速轴侧，经过转动惯量的折算，此时根据机理建模，在变速恒频双馈风力发电系统中，绕线式双馈发电机定子直接并网，转子通过背靠背变流器并入电网，可以把发电机和变流器作为一个整体来建立模型。为使石家庄风机在适当的转速条件下运行，控制变流器给发电机轴施加不同的负载转矩，发电机在很短的时间内响应要求转矩，在发电机的气隙处产生理想的转矩。
因此，发电机及其控制模型可以用一阶延迟模型来描述。然而由于风力发电系统中齿轮的转动惯量远远小于石家庄风机，将齿轮箱高速轴与低速轴齿轮的转动惯量分别折算到石家庄风机侧、发电机侧，如包含了齿轮箱的转动惯量。上式可以等效为包括高、低速轴的阻尼特性、刚性及其石家庄风机、齿轮箱、发电机转动惯量的二质量块动态模型，此时的齿轮箱可以认为是一个输入端无质量的低速轴，输出端无质量的高速轴，仅仅考虑为一变比关系。此时的机械传动机构可以认为是一个柔性两质量块模型，由于机械传动机构的机械损失主要发生在传动轴与齿轮箱上，故石家庄风机与发电机上的滑动阻尼系数可以忽略不予考虑。
显然，传动机构的柔性轴模型为一个四阶系统，由控制理论知识易知，此时系统可能出现稳定性问题，系统的参数的优化配置将有利于风力发电系统的瞬态性能的改善，关于系统可能出现的稳定性问题，及其传动机构机械参数的最优配置问题，另一方面，从机械传动机构柔性轴与刚性轴传递函数的波特图可以看出，柔性机械传动机构模型明显地分成了两个二阶系统，第一个是处于低频区的二阶系统，其自然振荡频率为蛾；第二个是处于高频区的二阶系统，其自然振荡频率为。
传动机构的动态性明显地以第一个二阶系统的动态性能为主，机械传动机构的瞬态性能直接与第一个二阶系统的自然振荡频率和阻尼比有关。若从物理方面来考虑，实际石家庄风机的转动惯量远远大于发电机转子的转动惯量，低速轴韵阻尼与刚度系数也是高速轴的几十倍。因此，在风力发电系统研究精度要求不高的情况下，考察机械传动机构时，可以忽略高速轴和发电机的影响，仅考虑由实际石家庄风机和低速轴组成的第一个二阶系统，因为其动态特性对系统具有决定性的影响。由上面两节内容可知：精确的传动机构的柔性轴模型更趋为一个四阶系统，系统可能出现稳定性问题，系统的参数的优化配置将有利于风力发电系统的瞬态性能的改善。机械传动机构的各部分的参数对系统的瞬态性能影响如何，下面本节针对传动机构的柔性轴模型开展仿真研究，探讨风力发电系统机械参数对系统动态性能的影响。