[发明专利]一种风电机组传动链建模与扭振特性分析方法

说明书

本发明公开了一种风电机组传动链建模与扭振特性分析方法，所述建模与分析方法为：首先：建立传动链动力学模型，其包括：传动链三维实体模型和传动链有限元模型；其次，对传动链有限元模型进行仿真分析，并对仿真结果进行后处理。本发明克服了现有质量块模型仅能提取个别扭振频率的缺陷，避免了由简化部件柔性导致的频率缺失；同时能以图形的形式清晰判别传动链的扭振，从而能定量化分析传动链的扭振特性。

技术领域

本发明涉及风电机组传动链建模与扭振特性分析方法，属于风力发电技术领域。

背景技术

风电机组传动链是连接风轮和发电机，实现机械功率传输的重要机械部件，主要由主轴、齿轮箱、联轴器、支撑轴承等关键部件组成。由于桨叶等传动链关键部件柔性的存在，风电机组传动链是典型的欠阻尼系统，作用于传动链上的气动转矩和电磁转矩的动态变化都可能激发长时间的轴系扭振。传动链扭振一方面会造成传动链关键部件的扭振疲劳损耗而发生故障，如齿轮箱作为双馈风电机组传动链柔性较高的关键部件，故障率达20-30％，损坏率高达50％；另一方面，传动链扭振会引起风电机组输出功率波动，直接影响并网系统的稳定性。如：2009年10月美国德克萨斯州Ajo变电站，传动链扭振加之线路串补造成双馈风电场并网系统的次同步谐振事故；2010年11月，机组传动链扭振引起了新疆、甘肃地区的风电并网系统发生多次低频振荡。由此可见，传动链扭振不仅直接影响风电机组安全运行，也影响并网系统的运行稳定性，开展风电机组传动链扭振研究显得尤为迫切和重要。近年来，针对扭振对风电机组的影响问题，国内外已有相关研究，但主要是针对风力发电机电气部分暂态过程来进行的，研究内容也主要集中于电网波动对扭振的影响等，所建立的仿真模型对机械传动链部分做了较大简化，多以两质量块或三质量块模型等效，即：将叶片、轮毂等效为一个刚性质量块，将齿轮箱与发电机转子等效为一个或两个质量块，将连接这三者的低速轴与高速轴视为柔性轴。这种建模和仿真方法对于研究电网波动时风电机组电气暂态特性是有效的，但等效数值的简化模型精度一般，不能准确反映传动链扭振的特征频率等关键信息，无法对传动链的扭振进行定量、精确地分析。为此，需要致力研究、设计相应的技术方案给予解决。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术无法深入研究和定量化分析风电机组传动链扭振特性的缺点，提出一种风电机组传动链建模与扭振特性分析方法，解决现有技术难以全面、准确分析传动链扭振的问题，从而能够定量、精确地分析风电机组传动链扭振对疲劳寿命的影响，为传动链的设计优化及控制策略提供理论依据。

为解决上述问题，本发明所采取的技术方案如下：

一种风电机组传动链建模与扭振特性分析方法，所述建模与分析方法为：首先：建立传动链动力学模型，其包括：传动链三维实体模型和传动链有限元模型；其次，对传动链有限元模型进行仿真分析，并对仿真结果进行后处理。

作为上述技术方案的改进，所述建立传动链动力学模型的方法是：

(1)采用CAD软件建立传动链三维实体模型，该传动链三维模型是关于扭振特性影响较为明显的传动链部件，包括：叶片、轮毂、主轴、齿轮传动系统、输出轴、刹车盘及发电机转子的三维实体模型(齿轮传动系统包括：行星架、行星轮、齿圈、太阳轮轴、中间级低速齿轮、中间级齿轮轴、高速级低速齿轮、输出轴)，然后将传动链三维实体模型按照精确的定位关系装配成完整的传动链三维实体模型；

(2)建立传动链有限元模型，将步骤(1)得到的传动链三维实体模型导入有限元软件中，对传动链各部件设置材料属性、表面接触、运动副、齿轮啮合参数、轴承单元、定位约束、进行网格划分，形成传动链有限元模型；所述有限元软件是ANSYS有限元软件，所述传动链部件均是柔性体；

所述设置材料属是在“Engineering Data”模块中完成，材料属性设置包含三个参数，分别是材料密度、弹性模量和泊松比；