鄔海波

（新鋼卷板廠，江西 新余 338001）

0 引 言

發(fā)電機短路工況下，風(fēng)電機組電磁轉(zhuǎn)矩會產(chǎn)生諧波分量，引起風(fēng)電機組出現(xiàn)劇烈震蕩，而電磁轉(zhuǎn)矩會通過發(fā)電機傳遞至風(fēng)電機組傳動鏈，影響傳動鏈運行穩(wěn)定性。一方面，電磁轉(zhuǎn)矩造成的系統(tǒng)劇烈震蕩會引起傳動鏈聯(lián)軸器出現(xiàn)打滑或齒輪箱故障等問題；另一方面，荷載故障也會造成傳動鏈疲勞損傷。基于此，研究傳動鏈動力響應(yīng)特性，明確影響動力響應(yīng)特性的因素，對進一步提高風(fēng)電機組運行穩(wěn)定性和安全性具有重要意義。

1 短路工況下風(fēng)電機組傳動鏈動力響應(yīng)特性分析

1.1 風(fēng)電機組模態(tài)分析

啟動雙饋風(fēng)電機組，待風(fēng)電機組傳動鏈運行處于穩(wěn)定狀態(tài)后，分析發(fā)電機組模態(tài)特性。風(fēng)電機組固有頻率統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

表1 風(fēng)電機組固有頻率統(tǒng)計結(jié)果

從表1可以看出，在發(fā)電機短路工況下，風(fēng)電機組傳動鏈高低頻均為扭轉(zhuǎn)模態(tài)。傳動鏈固有頻率為1.268～1.884 Hz時，雙饋風(fēng)電機組發(fā)電機轉(zhuǎn)子部位振動現(xiàn)象明顯；傳動鏈固有頻率為3.835～400.993 Hz時，雙饋風(fēng)電機組主軸和風(fēng)輪均會出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)振動；當(dāng)固有頻率超過407.555 Hz時，風(fēng)電機組聯(lián)軸器會發(fā)生扭轉(zhuǎn)；當(dāng)雙饋風(fēng)電機組傳動鏈固有頻率超過500 Hz時，系統(tǒng)模態(tài)扭轉(zhuǎn)主要發(fā)生在傳動鏈齒輪箱部件中[1]。

1.2 兩相短路下傳動鏈動力響應(yīng)特性分析

1.2.1 雙饋風(fēng)電機組加載條件設(shè)置

在兩相短路下，雙饋風(fēng)電機組電磁轉(zhuǎn)矩會在短時間內(nèi)保持高頻率暴動，而風(fēng)電機組葉片漿位移變化不明顯，傳動鏈氣動轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等在故障情況下的變化差異較小[2]。利用電磁仿真軟件構(gòu)建雙饋風(fēng)電機組有限元模型，持續(xù)向風(fēng)電機組轉(zhuǎn)子施加電壓激勵，促使風(fēng)電機組發(fā)生短路故障，然后分析短路故障下的風(fēng)電機組電磁扭轉(zhuǎn)時序。

當(dāng)雙饋風(fēng)電機組發(fā)生短路故障時，傳動鏈電磁轉(zhuǎn)矩波動加劇，同時產(chǎn)生劇烈震蕩，此時傳動鏈電磁轉(zhuǎn)矩瞬時值可以達到120 372 N·m，遠大于雙饋風(fēng)電機組額定扭矩。傳動鏈電磁轉(zhuǎn)矩最低頻率為50 Hz，最高頻率為400 Hz，電磁振蕩時間持續(xù)0.4 s，然后電磁轉(zhuǎn)矩逐漸趨于平穩(wěn)。

1.2.2 兩相短路下傳動鏈動力響應(yīng)

雙饋風(fēng)電機組兩相短路工況下，傳動鏈電磁轉(zhuǎn)矩振蕩部位的電磁轉(zhuǎn)矩歸一化扭矩峰值為8.14 N·m，齒輪箱輸出軸、高速輸入軸、中間級輸入軸以及低速級輸入軸扭矩分別為2.06 N·m、1.08 N·m、1.05 N·m、1.05 N·m。由此可見，當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩振蕩經(jīng)過齒輪箱、電機轉(zhuǎn)子等部位時，扭矩波動逐漸減弱，齒輪箱輸出軸和輸入軸扭矩衰減明顯，而齒輪箱中間級輸入扭矩和低速級輸入軸扭矩衰減效果減弱，扭矩波動趨勢一致[3]。

在50 Hz電磁分量下，傳動鏈電磁轉(zhuǎn)矩頻率幅值為0.297 Hz，齒輪箱輸出軸、高速級輸入軸、中間級輸入軸以及低速級輸入軸扭矩頻率幅值分別為0.054 Hz、0.005 Hz、0.001 Hz、0.001 Hz，傳動鏈各部位頻率幅值變化情況與扭矩衰減情況一致。高頻分量經(jīng)過高速級輸入軸扭矩后，頻率幅值大幅減弱，經(jīng)過中間級輸入軸和低速級輸入軸時衰減變化一致。

雙饋風(fēng)電機組電磁轉(zhuǎn)矩振動波動逐漸恢復(fù)正常后，傳動鏈在阻尼作用和慣性作用的雙重影響下仍會保持持續(xù)振蕩狀態(tài)，傳動鏈各級歸一化扭矩振動幅度一致，扭矩峰值相近。

1.3 三相短路下傳動鏈動力響應(yīng)特性分析

1.3.1 雙饋風(fēng)電機組加載條件設(shè)置

在三相短路工況下，假設(shè)雙饋風(fēng)電機組發(fā)電機額定扭矩與電磁轉(zhuǎn)矩相同，當(dāng)傳動鏈電磁轉(zhuǎn)矩增大且產(chǎn)生劇烈振動情況時，傳動鏈電磁轉(zhuǎn)矩最大值可以達到98 979 N·m，2 s后逐漸恢復(fù)正常，同時電磁轉(zhuǎn)矩幅值逐漸下降，最終低于發(fā)電機額定扭矩。自雙饋風(fēng)電機組發(fā)生短路故障后，電磁轉(zhuǎn)矩振動持續(xù)0.4 s后恢復(fù)正常波動[4]。

通常情況下，雙饋風(fēng)電機組電磁轉(zhuǎn)矩頻率分量主要為50 Hz和350 Hz。除了以上2種頻率分量外，還包括少量高頻諧波。在雙饋風(fēng)電機組三相短路工況下，傳動鏈振蕩幅值和電磁轉(zhuǎn)矩均小于兩相短路工況下的振蕩幅值和電磁轉(zhuǎn)矩。

1.3.2 三相短路下傳動鏈動力響應(yīng)

雙饋風(fēng)電機組三相短路工況下，傳動鏈電磁轉(zhuǎn)矩歸一化扭矩為6.70 N·m，齒輪箱輸出軸、高速級輸入軸、中間級輸入軸以及低速級輸入軸歸一化扭矩分別為1.96 N·m、1.05 N·m、1.05 N·m、1.05 N·m，傳動鏈各級歸一化扭矩衰減變化顯著。電磁轉(zhuǎn)矩振動經(jīng)過高速級輸入軸、中間級輸入軸以及低速級輸入軸時，衰減作用減弱，振動幅值變化保持一致[5]。

在50 Hz電磁分量下，傳動鏈電磁轉(zhuǎn)矩頻率為0.887 Hz，齒輪箱輸出軸、高速級輸入軸、中間級輸入軸以及低速級輸入軸頻率分別為0.165 Hz、0.005 Hz、0.001 Hz、0.001 Hz，傳動鏈各部位的頻率幅值變化情況與歸一化扭矩變化情況相同。

當(dāng)雙饋風(fēng)電機組傳動鏈電磁轉(zhuǎn)矩振蕩逐漸恢復(fù)后，在阻尼作用和慣性作用的雙重影響下，傳動鏈仍保持振動狀態(tài)。除了電磁轉(zhuǎn)矩與齒輪箱輸出軸扭矩變化幅度明顯之外，其余齒輪箱各部位歸一化扭矩值保持一致。雙饋風(fēng)電機組三相短路工況下，齒輪箱高速級輸入軸、中間級輸入軸以及低速級輸入軸歸一化扭矩通常小于正常情況下的傳動鏈歸一化扭矩。在三相短路工況下，雙饋風(fēng)電機組傳動鏈恢復(fù)時產(chǎn)生的扭矩波動大于兩相短路工況下的扭矩波動[6]。

2 風(fēng)電機組傳動鏈動力響應(yīng)特性影響因素

2.1 轉(zhuǎn)動慣量影響因素

雙饋風(fēng)電機組兩相短路工況下，隨著時間的增加，傳動鏈齒輪箱輸出軸、高速級輸入軸、中間級輸入軸以及低速級輸入軸歸一化扭矩變化幅度逐漸增大，最小值為-0.6 N·m，最大值為1.2 N·m。當(dāng)傳動鏈剎車盤轉(zhuǎn)動慣量持續(xù)時間增加時，傳動鏈齒輪箱各部位歸一化扭矩波動幅度增加，而傳動量齒輪箱輸出軸波動幅度大于輸入軸波動幅度。為降低兩相短路工況下雙饋放電機組轉(zhuǎn)動慣量對轉(zhuǎn)動慣量動力響應(yīng)特性的影響，剎車盤轉(zhuǎn)動慣量參數(shù)應(yīng)取較小值[7]。

2.2 聯(lián)軸器阻尼影響因素

在雙饋風(fēng)電機組兩相短路工況下，分別設(shè)置傳動鏈聯(lián)軸器阻尼比為0.6和0.03。雙饋風(fēng)電機組發(fā)生故障后的0.2 s內(nèi)，傳動鏈齒輪箱輸入軸各部位歸一化扭矩數(shù)值出現(xiàn)較大波動；波動時間持續(xù)0.4 s后，齒輪箱輸入軸各部位歸一化扭矩波動逐漸減弱，聯(lián)軸器阻尼比0.6和0.03的輸出軸歸一化扭矩波動情況基本保持一致。傳動鏈聯(lián)軸器阻尼比為0.6的齒輪箱輸出軸歸一化扭矩在0.2 s后出現(xiàn)劇烈波動，最大值為2.0 N·m，最小值為-0.3 N·m，波動持續(xù)0.4 s后幅度減小，逐漸恢復(fù)正常。傳動鏈聯(lián)軸器阻尼比為0.03的齒輪箱輸出軸歸一化扭矩在0.2 s后出現(xiàn)劇烈波動，各部位歸一化扭矩波動幅度大于聯(lián)軸器阻尼比為0.6的齒輪箱輸出軸，齒輪箱輸出軸各部位歸一化扭矩最大值為2.8 N·m，最小值為-1.3 N·m。經(jīng)過0.2 s后，波動幅度大幅減小，但仍保持一定程度的劇烈波動；經(jīng)過0.3s后，齒輪箱輸出軸各部位歸一化扭矩波動逐漸減小，并逐漸恢復(fù)正常[8]。

根據(jù)以上分析結(jié)果，當(dāng)傳動鏈聯(lián)軸器阻尼比由0.6降低至0.03時，傳動鏈齒輪箱輸出軸各部位歸一化扭矩波動幅度增大，并且在短時間內(nèi)存在發(fā)散現(xiàn)象。齒輪箱各部位歸一化扭矩波動持續(xù)0.8 s后，傳動鏈聯(lián)軸器阻尼比為0.6的齒輪箱和傳動鏈聯(lián)軸器阻尼比為0.03的齒輪箱歸一化扭矩變化趨勢保持一致。為降低聯(lián)軸器阻尼比對短路工況下雙饋發(fā)電機傳動鏈動力響應(yīng)特性的影響，聯(lián)軸器阻尼比應(yīng)選擇較小值。

3 結(jié) 論

在雙饋風(fēng)電機組兩相短路和三相短路工況下，分析了傳動鏈動力響應(yīng)特性。在雙饋風(fēng)電機組短路工況下，傳動鏈齒輪性輸出軸和輸入軸扭矩會出現(xiàn)衰減情況，并且衰減效果逐漸減弱。此外，三相短路工況下，傳動鏈恢復(fù)時的扭矩波動變化幅度大于兩相短路下的扭矩波動幅度。