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摘要:对差动调速的新型风电机组的传动系统调速原理、总体功率流向及传动效率进行研究.在完成机组传动系统三轴动力学模型的基础上,建立了1.5MW差动调速风电机组仿真模型,并通过实验验证了仿真模型的准确性.利用1.5MW仿真模型,对该机组的传动特性进行仿真研究,结果表明:在不同风速条件下,该机组的整体传动效率高,最高可达0.951;调速端功率消耗占同步发电机输出功率的比值小于15.47％,且输出转速稳态最大误差小于1.23％.所研究风电机组的传动性能可以很好地满足实际应用要求。
关键词:风力发电机;调速;行星齿轮传动;传动特性
引言
随着风电系统产业规模的扩大及其所占电力生产比例的增加,现有变速恒频并网风力发电技术存在的问题日渐凸显,主要包括无功功耗大、动态稳定性差、发电机结构复杂等.此外,所需的部分或全功率变频设备会产生谐波电流而影响发电质量,低电压穿越能力不足也亟待解决。针对上述问题,一些学者提出可连续变速的风电机组传动方案,基于先进的调速传动与伺服控制技术,构成“带有发电机前端调速装置的风电机组”,以实现变速恒频.IDAN等[3]提出了一种利用两级行星轮系来实现风电机组恒速运行的方案.针对此方案,REX等[4]提出了包含比例积分控制器和非线性力矩控制器的调速控制方法.以上方案虽然可满足大部分风电机组的调速需求,但使用多个伺服电机时,成本高,能量消耗大.穆安乐等设计了一种带有柔性混合驱动环节的风能转换系统,并给出了伺服调速电机调速幅度、调速深度、调速带等关键参数的计算方法.基于千瓦级试验平台,验证了混合传动风电机组的可行性和实用性.RUI等利用差动齿轮箱和调速电动机,实现了风电机组恒频输出,并对所提机组的传动原理、性能仿真和可行性验证实验等方面展开了研究.
上述研究大多集中在机组概念方案设计、控制策略和可行性验证等方面,关于风电机组齿轮传动系统的传动特性等方面的研究较少,因此,笔者对差动调速的新型风电机组的传动系统运动学原理、功率流向与关键构件转速的关系以及系统传动效率进行研究.
1差动调速风电系统原理
差动调速风电系统构成方案见图1,主要包括风轮、增速齿轮箱、差动调速系统、同步发电机和电网五大部分.风轮吸收随机变化的风能,产生随机变化的转速和转矩;在经过增速齿轮箱增速后传递给差动轮系行星架,构成系统的主输入;同时,调速电机产生的转速和转矩传递给差动轮系齿圈,构成系统调速输入;差动轮系太阳轮与同步发电机相连.系统利用伺服控制技术,实时调节发电机转速,以实现变速恒频.
由图1可知,差动轮系是差动调速系统核心部件,需有两个独立确定的输入来确定太阳轮输出;差动轮系结构见图2。
2机组传动特性分析
设定差动轮系主输入构件(行星架)传递的转速和功率均为正,由表1可知,总体功率流向与IRS和k的值直接相关.若IRS＞0,齿圈从风轮吸收功率,调速电机处于发电状态,且总体功率流经行星架;若－1/k＜IRS＜0,则总体功率由太阳轮输出给同步发电机,齿圈向系统输入能量;若IRS＜－1/k,则总体功率流经齿圈,这在本文设计方案中不会出现,在此不做分析.总体功率流向见图3,其中,PS、PR和PC分别为太阳轮、齿圈与行星架传递的功率。
3数值仿真与实验验证
分析图1可知,差动调速风电机组仿真模型主要由风轮、传动系统、调速电机、同步发电机、电网及控制单元等模块组成,本文只介绍差动调速风电机组传动系统的仿真建模方法.笔者将传动链简化为包含行星架输入轴、太阳轮输出轴及齿圈调速轴的三轴结构(即传动系统三轴动力学模型),如图4所示.
结合上述三轴动力学方程,笔者建立了差动调速风电机组仿真模型.模型中调速电机与同步发电机均采用Simulink自带模块.由于简化的三轴动力学模型可能造成的建模误差,笔者利用图5所示的试验台对仿真模型进行验证实验.差动调速风电机组的传动系统效率较高,在5m/s风速条件下,传动系统效率达到0.951.同时,传动系统效率的计算值和仿真值具有相同的变化规律,且基本吻合;计算值和仿真值在5m/s、13m/s和21m/s风速条件下最大偏差依次为0.16％、1.06％和2.15％,验证了效率分析的正确性。
试验台硬件主要包括:上位机、模拟风轮的伺服电动机、差动轮系、同步发电机、伺服调速电机、伺服驱动器、传感器及试验台控制系统.软件则由DAQNavi驱动和LabVIEW开发环境组成.在仿真模型验证实验中,依据试验台实际数据建立仿真模型.利用FAST软件,当湍流强度为20％时,得到平均风速为5m/s、13m/s、21m/s时的正常湍流风速模型。
将此风轮转速作为仿真模型和试验台的输入,设定发电机理想转速为300r/min,时间为100s,并对仿真模型进行验证.通过仿真和实验分别得到3种风速条件下(v＝5m/s、13m/s和21m/s)发电机转速与理想值的对比,其中,稳态误差是指风电机组进入稳态运行后的转速误差.为了更好地分析结果,在不同风速条件下,与理想值相比,通过实验和仿真得到的输出转速稳态最大误差均小于1％,稳态平均误差小于0.82％,从而验证了仿真模型的准确性。
结论
综上所述，传动系统总体功率流向与转速比IRS直接相关.当IRS＝nC/nS＝1/(1＋k)时,调速系统处于临界状态,调速电机不提供也不吸收功率,且机组整体的传动系统效率较高,最高可达到0.951.在不同风速输入条件下,差动调速系统可实现发电机输出转速稳态误差小于1.23％,且调速端所需功率占发电机功率的比值小于15.47％.相比于现有机组变频设备,有效减少了能量损耗,验证了差动调速风电机组的可行性和优越性.本研究为后期差动调速风电机组设计与优化提供了一定的参考.但在今后的研究与实际工程应用中,相关结构形式以及临界状态分析还可进一步完善。
参考文献：
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