文|小姜胡侃编辑|小姜胡侃引言实际风力发电系统结构往往比较庞大，所处的自然环境也比较复杂，对实际风力发电系统的研究往往无法直接进行。
风力发电系统试验台的搭建，可以在不依赖自然环境变化和实际风力发电系统的情况下，通过设定任意风速变化曲线，模拟风力发电系统在不同风速条件下的各种动态特性。
试验台为研究风力发电系统及其控制策略提供了较为便利和真实的试验条件。
本文基于自稳速型风力发电系统的基本原理和传动方案，设计该型风力发电系统传动原理试验台，对试验台的各个单元进行具体描述。
对关键的连续变速传动部件进行了三维造型和模态分析；运用试验台验证传动方案的可行性。
风电机组概述一、典型风电机组的概述根据风轮旋转轴所处的方向不同，风力发电机组分为水平轴风电机组和垂直轴风电机组。
水平轴风电机组即风轮旋转轴处于水平位置，其塔架较高，可充分利用高空风能，而垂直轴风电机组处于相对较低的位置，风能利用率低，所以大型并网风电机组主要采用水平轴的安装形式。
并网型风电机组有变速恒频和恒速恒频两种运行控制技术。
恒速恒频控制技术由于其较低的能量转换效率较少用于大型并网风电机组；变速恒频风电机组能够在较大的范围内对发电机转速进行调节，从而提高能量转化效率，故并网型风电机组主要采用变速恒频技术。
二、差动调速技术理论基础自稳速型风电机组传动系统的核心为具有“双输入－单输出”特性的差动轮系。
为研究自稳速型风电机组传动系统的设计方法，首先应明确差动轮系基本结构以及运动学原理，掌握各个基本构件的转速关系以进一步研究其在风电机组传动系统中的应用。
差动轮系基本构件的转速关系如下图所示。
试验系统总体方案设计一、设计目标本文设计试验系统的目的是通过传动试验，研究和验证自稳速型风电机组传动系统方案的原理可行性。
自稳速型风电机组传动系统的基本原理是利用差动轮系的功率汇流耦合和速度合成特性，使得系统在变风速输入、恒定转速的调速电动机调节下，同步发电机始终在电网工频允许的转速误差范围运转，达到风力发电系统变速恒频目的。
根据无级调速风力发电系统的基本原理设计传动原理试验台，对该型风力发电系统的调速方案的可行性进行物理试验验证。
二、试验方案自稳速型风电机组传动系统的核心部件为差动轮系以及特殊结构参数的差速器。
试验台的基本方案为：围绕两个差动轮系１和２，主输入一方面驱动差动轮系1的行星架，另一方面通过同步带轮（分流齿轮）驱动差动轮系２（即差速器）的行星架。
主输入由模拟风轮输入的变频电机提供；调速输入驱动差动轮系２的齿圈，差动轮系２的齿圈驱动差动轮系１的齿圈实现对差动轮系１的调速，差动轮系１的太阳轮作为系统的输出，与同步发电机相联。
试验系统方案如下图所示。
传动系统原理试验台由六部分组成：工控机、变频电动机、差动轮系传动系统、永磁同步发电机、调速电机以及信号采集处理系统。
传动系统总体设计方案如下图所示。
两个单级差动齿轮箱并联：可连续变速的变频电机模拟风轮转速，作为主输入。
主输入一方面驱动差动齿轮箱１的行星架转速，一方面通过同步带传动驱动差动齿轮箱２，伺服电动机驱动差动齿轮箱２作为调速输入，差动齿轮箱１的太阳轮联接同步发电机作为输出。
通过信号采集系统采集主输入、调速输入以及输出端的转速，转速、转矩等实测信号由工控机传递与处理。
通过对比分析实测数据与理想值，检验传动系统是否达到调速目标。
主要传动部件设计以及零件部件的选择一、差动齿轮箱的设计差动齿轮传动系统是整个试验台的核心组件，是实现前端无级调速的主要功能姐件。
其组成包括三部分：差动齿轮箱、同步带与同步带轮、深沟球轴承，其中同步带轮与齿圈之间采用紧定螺钉联接。
利用三维造型软件Solidworks建立差动齿轮箱的三维模型，模型图如下图所示。
ANSYSWorkbench作为实体造型设计系统Solidworks的一个插件形式，可直接启动和导入Solidworks所建实体模型并进行静力学、模态、谐响应、瞬态等多种形式的分析，避免了传统ANSYS导入过程中因CAE异构问题出现模型结构元素的遗漏或错误。
将如图是上图所示的差动齿轮箱实体模型导入Workbench仿真环境进行模态分析（Modal），尺寸的基本单位为ｍｍ。
由于传动原理试验台中所用差动轮系材料均为钢。
因此定义弹性模量为210Gpa、泊松比0.3、材料密度7800kg/m3。
经过划分网格和施加约束后，点击Solve进行计算，默认计算模态数量为６。
前６阶模态的固有频率分布如下表所示。
从固有频率分布中可以看出，差动齿轮箱部件的固有自振频率均在高频3716.4HZ以上，因而变频电动机和伺服电动机驱动其构件旋转时不会发生低频共振现象。
二、其他部件的选型变频器与变频电机：变频器是模拟风轮的电动机的转速转矩控制器，型号SNACH-S800-2S，采用RS232/RS485接口与上位机进行通信，接受上位机传送的转速转矩控制命令，并且返回状态信息。
通过工控机的SNACH软件的参数管家功能配合变频器的手动设定，可以设定１６段不同频率对应的多段转速和转向以及各段转速所持续的时间，模拟风轮转速变化。
变频电机：异步电动TAILI61K200GU-SF，额定功率0.2KW，三相220V，额定频率50HZ，额定转速1400rpm。
自带减速齿轮箱，减速比25。
同步发电机：选择90TDY-300型，额定功率120W，三相220V，额定频率50HZ，额定转速300rmp。
转子转动惯量24g.mm2。
调速电机：自稳速传动系统中，调速电机以恒定转速运转。
本试验台系统中Ｉ为便于试验台的进一步改造，采用的是伺服电机，通过设定其转速为恒定值以代替恒速电机进行调速。
伺服电机的选型：SGMJV-04ADD6S，额定功率400W，额定转速3000rpm，伺服驱动器：选用安川SGDV-2R8101A00000型，适用的最大电机容量400w。
减速器：选用新宝减速器VRL-090B-10-K5-14BK14型，减速比10，额定输入转速3000rpm，转动惯量0.29kg.cm2。
计数卡，多功能数据采集卡：计数卡和多功能数据采集卡型号分别为：研华PCI-1780U和研华PCI-1716。
PCI-1780U提供８个16位计数器通道，８路数字量输出和８路数字量输入，输入频率高达20MHz。
试验台系统中，PCI-1780U与传感器１和传感器２相配合，记录变频电动机和永磁同步发电机的转速转矩值。
PCI-1716带有一个１６位A/D转换器，提供２个16位D/A输出通道和１６路数字量输入输出通道，可以实现16路单端模拟量或８路差分模拟量输入输出，采样频率高达250kHz。
试验台系统中，PCI-1716主要是采集伺服电动机驱动的模拟量速度及扭矩反馈信号。
试验台系统的软件部分包括：变频器参数管家SANCH、DAQNavi驱动和LABVIEW开发环境。
SANCH主要用于根据试验要求设定变频器参数，进而控制变频电动机运行状态。
DAQNavi驱动主要用于控制DataACquisitionDevice数据采集设备），设定数据采集设备的采样频率、采样电压范围、采样数据类型、采样通道数等参数。
LABVIEW开发环境主要用于编写整个试验台的数据采集与系统控制程序。
传动原理试验台实物图如下图所示。
一般风工况下的原理性试验验证以FAST仿真湍流风速作为系统的输入，研宂分析自稳速型风电机组传动系统在一般风工况下的输出特性，进而验证传动系统的可行性。
一、FAST仿真风速FAST是美国国家可再生能源实验室开发的用于对风力发电系统工作状态进行仿真的软件。
本文运用该软件模拟兆瓦级风力发电系统在平均风速为５、10、13、21m/s，湍流强度为20%条件下的风速曲线以及相应的风轮转速，仿真结果如下图所示。
二、试验结果分析以FAST软件仿真结果作为自稳速型风电机组传动系统试验台的输入，通过变频电机模拟风轮转动，设定伺服屯机的识记转速为300rpm，考察叫种不同风工况下系统的输出特性。
实测得到的同步发屯机转速如图下图所示。
由试验结果可见，四种不同的风速条件下，差动齿轮箱１的太阳轮输出转速，即同步发电机转速均能在较短的时间内达到发电机额定转速300rpm，说明试验系统不需要实时调速。
同步发电机即可获得恒定的输入转速，实现了变速恒频的目的，从而验证了自稳速型风电机组传动系统的原理可行性。
网端负载波动下的原理性试验验证风力发电的主要特点是随机性与不可控性，主要随风速变化而变化。
因此，风电并网运行会给主电网运行带来诸多不利影响，这也是制约风电技术发展的一个重要因素。
因此，研究大型风力发电场并网吋与电力系统的相互影响，对发展风力发电具有重要的意义和实用价值。
本文将针对网端负载波动的情况下，自稳速型风电机组的调速性能展开研究。
利用FAST仿真的平均风速为５、10、13、21m/s，湍流强度为20%条件下的风轮转速作为输入，通过变频电机驱动自稳速传动系统运转，系统能在5s左右达到稳定状态。
在试验进行到10s时，利用负载电阻由０变为100Q来桢拟瞬时网端负载波动，变风速和负载波动工况下同步发电机的转速试验结果如下图所示。
分析上图可知，在网端负载波动和风速变化的共同作用下，调速系统能够较短的时间内使输出转速（即发电机的输入转速）恢复稳定至同步发电机额定转速。
经过计算，在平均风速５、10、13、21m/s时，调速系统达到稳定状态时，输出转速的误差分别为5.72%，3.83%，5.41%和6.57%。
笔者观点试验台的搭建为研究风力发电系统提供了便利和真实的试验条件，笔者认为这是一项具有重要意义的工作。
通过设定任意风速变化曲线，试验台能够模拟风力发电系统在不同风速条件下的动态特性，而不依赖于自然环境变化和实际风力发电系统。
这为风力发电系统的研究和控制策略的优化提供了有效手段。
试验台的设计方案详细描述了传动部件和关键构件的设计和选择，同时进行了三维造型和模态分析，验证了传动方案的可行性。
通过实验验证，论文得出了实测数据与理想值的对比分析结果，证明了试验系统的性能和可靠性。
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