基于发电机短路工况的风电机组传动链动力响应特性研究

邬海波

（新钢卷板厂，江西 新余 338001）

发电机短路工况下，风电机组电磁转矩会产生谐波分量，引起风电机组出现剧烈震荡，而电磁转矩会通过发电机传递至风电机组传动链，影响传动链运行稳定性。一方面，电磁转矩造成的系统剧烈震荡会引起传动链联轴器出现打滑或齿轮箱故障等问题；
另一方面，荷载故障也会造成传动链疲劳损伤。基于此，研究传动链动力响应特性，明确影响动力响应特性的因素，对进一步提高风电机组运行稳定性和安全性具有重要意义。

1.1 风电机组模态分析

启动双馈风电机组，待风电机组传动链运行处于稳定状态后，分析发电机组模态特性。风电机组固有频率统计结果如表1所示。

表1 风电机组固有频率统计结果

从表1可以看出，在发电机短路工况下，风电机组传动链高低频均为扭转模态。传动链固有频率为1.268～1.884 Hz时，双馈风电机组发电机转子部位振动现象明显；
传动链固有频率为3.835～400.993 Hz时，双馈风电机组主轴和风轮均会出现扭转振动；
当固有频率超过407.555 Hz时，风电机组联轴器会发生扭转；
当双馈风电机组传动链固有频率超过500 Hz时，系统模态扭转主要发生在传动链齿轮箱部件中[1]。

1.2 两相短路下传动链动力响应特性分析

1.2.1 双馈风电机组加载条件设置

在两相短路下，双馈风电机组电磁转矩会在短时间内保持高频率暴动，而风电机组叶片浆位移变化不明显，传动链气动转矩、转速等在故障情况下的变化差异较小[2]。利用电磁仿真软件构建双馈风电机组有限元模型，持续向风电机组转子施加电压激励，促使风电机组发生短路故障，然后分析短路故障下的风电机组电磁扭转时序。

当双馈风电机组发生短路故障时，传动链电磁转矩波动加剧，同时产生剧烈震荡，此时传动链电磁转矩瞬时值可以达到120 372 N·m，远大于双馈风电机组额定扭矩。传动链电磁转矩最低频率为50 Hz，最高频率为400 Hz，电磁振荡时间持续0.4 s，然后电磁转矩逐渐趋于平稳。

1.2.2 两相短路下传动链动力响应

双馈风电机组两相短路工况下，传动链电磁转矩振荡部位的电磁转矩归一化扭矩峰值为8.14 N·m，齿轮箱输出轴、高速输入轴、中间级输入轴以及低速级输入轴扭矩分别为2.06 N·m、1.08 N·m、1.05 N·m、1.05 N·m。由此可见，当电磁转矩振荡经过齿轮箱、电机转子等部位时，扭矩波动逐渐减弱，齿轮箱输出轴和输入轴扭矩衰减明显，而齿轮箱中间级输入扭矩和低速级输入轴扭矩衰减效果减弱，扭矩波动趋势一致[3]。

在50 Hz电磁分量下，传动链电磁转矩频率幅值为0.297 Hz，齿轮箱输出轴、高速级输入轴、中间级输入轴以及低速级输入轴扭矩频率幅值分别为0.054 Hz、0.005 Hz、0.001 Hz、0.001 Hz，传动链各部位频率幅值变化情况与扭矩衰减情况一致。高频分量经过高速级输入轴扭矩后，频率幅值大幅减弱，经过中间级输入轴和低速级输入轴时衰减变化一致。

双馈风电机组电磁转矩振动波动逐渐恢复正常后，传动链在阻尼作用和惯性作用的双重影响下仍会保持持续振荡状态，传动链各级归一化扭矩振动幅度一致，扭矩峰值相近。

1.3 三相短路下传动链动力响应特性分析

1.3.1 双馈风电机组加载条件设置

在三相短路工况下，假设双馈风电机组发电机额定扭矩与电磁转矩相同，当传动链电磁转矩增大且产生剧烈振动情况时，传动链电磁转矩最大值可以达到98 979 N·m，2 s后逐渐恢复正常，同时电磁转矩幅值逐渐下降，最终低于发电机额定扭矩。自双馈风电机组发生短路故障后，电磁转矩振动持续0.4 s后恢复正常波动[4]。

通常情况下，双馈风电机组电磁转矩频率分量主要为50 Hz和350 Hz。除了以上2种频率分量外，还包括少量高频谐波。在双馈风电机组三相短路工况下，传动链振荡幅值和电磁转矩均小于两相短路工况下的振荡幅值和电磁转矩。

1.3.2 三相短路下传动链动力响应

双馈风电机组三相短路工况下，传动链电磁转矩归一化扭矩为6.70 N·m，齿轮箱输出轴、高速级输入轴、中间级输入轴以及低速级输入轴归一化扭矩分别为1.96 N·m、1.05 N·m、1.05 N·m、1.05 N·m，传动链各级归一化扭矩衰减变化显著。电磁转矩振动经过高速级输入轴、中间级输入轴以及低速级输入轴时，衰减作用减弱，振动幅值变化保持一致[5]。

在50 Hz电磁分量下，传动链电磁转矩频率为0.887 Hz，齿轮箱输出轴、高速级输入轴、中间级输入轴以及低速级输入轴频率分别为0.165 Hz、0.005 Hz、0.001 Hz、0.001 Hz，传动链各部位的频率幅值变化情况与归一化扭矩变化情况相同。

当双馈风电机组传动链电磁转矩振荡逐渐恢复后，在阻尼作用和惯性作用的双重影响下，传动链仍保持振动状态。除了电磁转矩与齿轮箱输出轴扭矩变化幅度明显之外，其余齿轮箱各部位归一化扭矩值保持一致。双馈风电机组三相短路工况下，齿轮箱高速级输入轴、中间级输入轴以及低速级输入轴归一化扭矩通常小于正常情况下的传动链归一化扭矩。在三相短路工况下，双馈风电机组传动链恢复时产生的扭矩波动大于两相短路工况下的扭矩波动[6]。

2.1 转动惯量影响因素

双馈风电机组两相短路工况下，随着时间的增加，传动链齿轮箱输出轴、高速级输入轴、中间级输入轴以及低速级输入轴归一化扭矩变化幅度逐渐增大，最小值为-0.6 N·m，最大值为1.2 N·m。当传动链刹车盘转动惯量持续时间增加时，传动链齿轮箱各部位归一化扭矩波动幅度增加，而传动量齿轮箱输出轴波动幅度大于输入轴波动幅度。为降低两相短路工况下双馈放电机组转动惯量对转动惯量动力响应特性的影响，刹车盘转动惯量参数应取较小值[7]。

2.2 联轴器阻尼影响因素

在双馈风电机组两相短路工况下，分别设置传动链联轴器阻尼比为0.6和0.03。双馈风电机组发生故障后的0.2 s内，传动链齿轮箱输入轴各部位归一化扭矩数值出现较大波动；
波动时间持续0.4 s后，齿轮箱输入轴各部位归一化扭矩波动逐渐减弱，联轴器阻尼比0.6和0.03的输出轴归一化扭矩波动情况基本保持一致。传动链联轴器阻尼比为0.6的齿轮箱输出轴归一化扭矩在0.2 s后出现剧烈波动，最大值为2.0 N·m，最小值为-0.3 N·m，波动持续0.4 s后幅度减小，逐渐恢复正常。传动链联轴器阻尼比为0.03的齿轮箱输出轴归一化扭矩在0.2 s后出现剧烈波动，各部位归一化扭矩波动幅度大于联轴器阻尼比为0.6的齿轮箱输出轴，齿轮箱输出轴各部位归一化扭矩最大值为2.8 N·m，最小值为-1.3 N·m。经过0.2 s后，波动幅度大幅减小，但仍保持一定程度的剧烈波动；
经过0.3s后，齿轮箱输出轴各部位归一化扭矩波动逐渐减小，并逐渐恢复正常[8]。

根据以上分析结果，当传动链联轴器阻尼比由0.6降低至0.03时，传动链齿轮箱输出轴各部位归一化扭矩波动幅度增大，并且在短时间内存在发散现象。齿轮箱各部位归一化扭矩波动持续0.8 s后，传动链联轴器阻尼比为0.6的齿轮箱和传动链联轴器阻尼比为0.03的齿轮箱归一化扭矩变化趋势保持一致。为降低联轴器阻尼比对短路工况下双馈发电机传动链动力响应特性的影响，联轴器阻尼比应选择较小值。

在双馈风电机组两相短路和三相短路工况下，分析了传动链动力响应特性。在双馈风电机组短路工况下，传动链齿轮性输出轴和输入轴扭矩会出现衰减情况，并且衰减效果逐渐减弱。此外，三相短路工况下，传动链恢复时的扭矩波动变化幅度大于两相短路下的扭矩波动幅度。

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