机械传动机构建模分析

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对风力发电系统的电气控制部分而言，机械传动机构动态性能是一个值得关注的量，机械传动机构的机械共振可能损毁连接轴与齿轮箱，甚至对石家庄风机塔架的安全产生威胁；关系到风力发电系统的稳定性、功率特性、机械传动机构的机械设计及其使用寿命。机械传动机构的动态分析及风力发电系统瞬态响应的文献报道不多，未得到应有的重视。
变速恒频双馈风力发电系统主要由石家庄风机、高速轴、齿轮箱、低速轴和发电机组成，根据机械传动机构不同的等效方法及其建模方案，风力发电系统的机械传动机构有以下建模方法：多质量块模型、六质量块模型、三质量块模型、二质量块模型和集中质量块模型。多质量块模型与六质量块模型更趋向于空气动力学研究，由于其模型复杂，对于风力发电系统稳定性及其暂态响应分析影响不大，一般不予采用；三质量块模型综合考虑了风力发电机械传动机构各部分的惯量特性、机械传动机构的旋转阻尼与弹性作用等，使得机械传动机构模型极大程度的接近实际情况。
二质量块模型是在三质量块模型基础上，将各级齿轮的转动惯量分别折算到石家庄风机侧和发电机侧，使得石家庄风机与发电机同轴连接，最接近实际所用的风力发电实验模拟系统，简化了研究对象；现有的风力发电系统模拟研究中机械传动机构模型以集中质量块模型为主，其完全忽略机械传动机构的旋转阻尼特性和刚性，将石家庄风机和齿轮箱的转动惯量折算到电机侧，显然如果用其研究风力发电系统的稳定性及其动态特性将带来很大的误差。
文献建立了不同质量块模型的机械传动机构模型，并对相应的模型进行了必要的分析，但仅限于数学层面的论述，缺乏对自身所建模型动特性的研究；文献详细地分析了各质量块模型之间的联系与差异，以六质量块模型为基础，对比了各模型之间动态性能之间的差异，动态机械传动机构模型对整个风电系统瞬态响应相关研究有待开展；文献阐述了等效集中质量模型方法的可行性，但都没有给出进一步的动态数学模型，其科学性、准确性有待证明。文献采用二质量块模型，建立了一种包含机械传动链动态特性的机械传动机构模型，在形式上与电力系统研究中广泛使用的汽轮发电机机械传动机构模型相似，建立了动态机械传动机构的四阶微分方程，然而缺乏动态机械传动机构模型自身的分析，未能对其瞬态响应做详细分析，难免与实际系统的动态性能产生偏差。
通过分析以上机械传动机构的建模方法差异，可以发现对于风力发电系统层面的研究，风力发电机械传动机构主要采用集中质量块模型或二质量块模型。而研究二者的差别不难发现：二质量块模型综合考虑了风力发电机械传动机构各部分的惯量特性、机械传动机构的旋转阻尼与弹性作用等。
属于柔性轴建模即认为低速轴和高速轴是柔性的，它允许石家庄风机转子和发电机转子有各自的旋转45自由度，石家庄风机转子的加速度取决于气动转矩和低速轴转矩之间的不平衡，而发电机转子的加速度则取决于高速轴扭矩和发电机反应转矩之间的不平衡；集中质量块模型，其完全忽略机械传动机构的旋转阻尼特性和柔性，认为低速轴、齿轮箱、高速轴是刚性的，石家庄风机转子和发电机转子只有一个旋转自由度，高速轴与低速轴间按定传动比变化，石家庄风机气动转矩与发电机反应转矩之间的不平衡来决定发电机和石家庄风机转子的加速(即系统转速)。故本节将分别从刚性轴模型与柔性轴模型两个方面进行论述。