[发明专利]一种风电增速系统的等效缩比模型及其动态特性仿真方法

说明书

技术领域

本发明涉及风力发电机技术领域，具体而言，涉及一种风电增速系统的等效缩比模型及其动态特性仿真方法。

背景技术

风能作为一种无污染的可再生能源，取之不尽、用之不竭。随着生态环境的要求和能源的需求，这种新能源越来越受到世界各国的重视。根据国家能源局的统计数据，我国2016年全年新增装机容量1.93×10⁴MW，累计装机容量达到1.69×10⁵MW，风力发电已经成为解决能源问题的一种必要手段。

风电增速箱的主要作用，是将风轮的大扭矩、低转速输入转化成发电机的低扭矩、高转速输出，以实现整个风机系统的动力匹配。因此，增速箱是风电机组中最关键的组成部件之一。由于风电增速箱常年经受无规律的风力冲击，并且位于几十米以上的高空运行，长时间处于野外无人值守的状态，从而导致增速箱的故障率突出，一旦出现故障，维修难度极大。由于风电增速箱测试困难，采用理论方法或数值仿真，成为解析此类设备动态行为的可靠手段。Wei Shi等建立了风力发电机组传动链纯扭转的数学模型，采用直接积分法求解方程，获得了传动系统的动态响应；Caichao Zhu等建立了一个具有柔性销的风机齿轮箱模型，行星轮系中，太阳轮浮动，行星轮采用柔性销支撑，其结果表明在风机齿轮箱中柔性销结构可以提高行星轮的均载特性；陈会涛等建立了风力发电机行星齿轮传动系统的纯扭转动力学模型，研究了齿轮综合传递误差的随机波动对传动系统动力学特性的影响；张浬萍等根据风力机相关理论建立了风电机组的整机运动模型，并在随机风速下进行整机运行仿真，从而获得风电齿轮箱的外部载荷。因此有必要对其进行动力学仿真分析，其研究结果可以为齿轮增速箱结构的优化设计以及故障预知预防提供重要的理论基础。

随着风力发电机的单机功率不断提高，机组设备日趋大型化和复杂化。在机组的原理设计或分析阶段，如按原型机搭建同等规模的试验平台，不仅造价高昂、成本不菲，更为关键的，这类平台只能针对单一型号的设备，其结果多不具备普遍性和推广价值。针对上述问题，本发明利用某行星轮系和平行轴齿轮箱的基本配置，建立了一套可用于模拟风力发电机真实增速箱的等效缩比模型。

发明内容

针对相关技术中存在的问题，本发明的主要目的在于提供一种风电增速系统的等效缩比模型及其动态特性仿真方法，为风电增速箱结构的优化设计以及故障预知预防提供理论基础。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是:

一种风电增速系统的等效缩比模型及其动态特性仿真方法,包括如下步骤：

(1)首先，基于弗劳德相似理论，依据功率为750kW风力发电机作为缩比模型的等效对象，根据相似度计算，选择用NGW21型行星轮系与QPZZ-II平行轴传动齿轮箱配置方案来建立缩比模型；

(2)其次，对风力发电增速系统的主要零部件通过Creo软件进行三维实体建模；

(3)再次，将建立的风电增速系统的等效缩比模型导入ABAQUS机械系统中，根据ABAQUS机械系统分析的需要，设置风电增速系统各部件的物理属性；

(4)然后，依据风电增速系统的拓扑结构，设置风电增速箱各部件之间的约束和接触关系，得到风电增速系统的刚体模型；

(5)最后，对风电增速系统中相应的轴承部件进行等效替代，得到风电增速系统的有限元模型，利用线性摄动分析步分析，采用Lanczos算法对其进行动态特性仿真分析计算，获得风电增速系统的固有频率和模态振型；

Creo软件进行三维实体建模包括风力发电机增速箱的太阳轮轴、行星轮、行星架、内齿圈、低速级输入轴、高速级输出轴。其中，内齿圈固定，行星架为输入，太阳轮轴为输出。

在ABAQUS机械系统中，根据风电增速系统各部件的相互运动关系，通过定义材料性能、施加约束、作用力、相互运动关系、划分有限元网格完成风电增速系统的有限元分析建模。

风电增速系统的有限元模型中轴承部件用ABAQUS软件里面的弹簧单元替代。

本发明利用相似理论将风电增速箱转化为等效的缩比模型，并且对其进行动力学仿真分析，获得风电增速箱的固有频率和振型，从而省去了按原型机的同等规模搭建试验仿真平台代价昂贵、效率低下的问题，该方案不仅大幅提高数值仿真的计算效率，而且便于实现试验验证，将为风力发电机增速箱的结构优化和性能评估提供依据。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1为本发明提供的NGW21行星齿轮箱传动系统的结构简图。