CN105320793A - 一种从动力学角度评估风电机组变浆控制模型的方法 - Google Patents

Abstract

一种从动力学角度评估风电机组变浆控制模型的方法，步骤为：（1）建立包含变浆控制模型的动力学分析模型；（1.1）建立整机拓扑图：设置与叶片对应的变浆法兰，变浆法兰为刚体且与叶片是固接关系；变浆法兰能根据控制模型输出进行变浆动作；主轴通过主轴承支撑在机架上，齿轮箱、发电机通过左右各两个弹性支撑与机架连接，发电机与齿轮箱之间有联轴器建模；（1.2）添加变浆控制模型；（2）风文件的准备和计算；（3）联合仿真计算及结果分析：在保证风机运行稳定的情况下，考虑涉及变浆的风况的加载来定义联合仿真的计算时间，计算完成后利用动力学分析后处理软件进行结果分析。本发明具有原理简单、实用价值高、评估精度好等优点。

Description

一种从动力学角度评估风电机组变浆控制模型的方法

技术领域

本发明主要涉及到风电机组领域，特指一种从动力学角度评估风电机组变浆控制模型的方法。

背景技术

在兆瓦级风机中，变浆控制***的安全、可靠与否，将直接影响到整个风机的发电效率、质量及风机可利用率。大型风机变浆控制***是根据随机风速的变化对浆叶距角进行调整，使得在一定的风速范围内最大地利用风能，叶根受载在可接受范围内。

目前，对于变浆控制***研究热点之一是优化控制策略，在不同风速情况下采取不同控制策略。控制策略有鲁棒控制、模糊控制、神经网络控制等，以保证风机更好地追踪最大功率点，稳定功率输出。其二是独立变浆技术研究及应用，每个浆叶都有一套独立的驱动***，可以更有效地降低风机动态载荷，但采用的方法多为基于线性化模型的常规控制方法或单一职能控制方法，较难实现变化风速对风机动态载荷造成的影响进行全面有效的控制。

现有对于变浆控制的研究多利用MATLAB建模或直接编写程序语言的方式直接进行仿真分析，或与BLADED进行联合仿真计算，还没有从动力学角度对变浆控制***的效果及性能进行评估的相关报道。利用MATLAB建模或直接编写程序语言的方式直接进行仿真分析，可以分析变浆的实时误差；与BLADED进行联合仿真计算可以反映风机的受载情况，计算分析出叶根的载荷情况。这些方面的研究，只能保证风机工作风速区域内发电机不超速、在大于额定风速区域内顺桨以及叶根的载荷不超过标准值，但是风机某些零部件的力学特性没有真实反映出来。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原理简单、实用价值高、评估精度好的从动力学角度评估风电机组变浆控制模型的方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种从动力学角度评估风电机组变浆控制模型的方法，其步骤为：

（1）建立包含变浆控制模型的动力学分析模型；

（1.1）建立整机拓扑图：设置与叶片对应的变浆法兰，所述变浆法兰为刚体且与叶片是固接关系；所述变浆法兰能根据控制模型输出进行变浆动作；主轴通过主轴承支撑在机架上，齿轮箱、发电机通过左右各两个弹性支撑与机架连接，发电机与齿轮箱之间有联轴器建模；发电机用发电机转子和发电机箱体模拟，二者均按刚体来处理；

（1.2）添加变浆控制模型；

（2）风文件的准备和计算；

（3）联合仿真计算及结果分析：在保证风机运行稳定的情况下，考虑涉及变浆的风况的加载来定义联合仿真的计算时间，计算完成后利用动力学分析后处理软件进行结果分析。

作为本发明的进一步改进：所述步骤（3）包括：

（3.1）查看发电机的转速和功率是否有变浆保护在额定范围内，叶片是否有变浆动作、变浆角位移值；

（3.2）查看叶片的受载情况，包括法向力和切向力，法向力在变浆前后应有显著的减少且趋于稳定。

作为本发明的进一步改进：所述步骤（3）中在对多个变浆控制模型进行对比评估时，包括：

（a）发电机的转速和功率在变浆控制后波动的幅度和达到稳定所需要的时间；

（b）叶片的受载情况，尤其是叶根，在变浆控制起作用后载荷是否有减少、减少后的值是否满足要求及趋于稳定所需要的时间；

（c）风机关键部位或关键零部件受载情况变化，提取这些点或部件的载荷进行对比分析。

作为本发明的进一步改进：所述步骤（1.1）中将联轴器分成四个体，这四个体的质量、转动惯量为已知，其中相邻体之间分别施加一扭转弹簧，扭转弹簧的刚度和阻尼已知。

作为本发明的进一步改进：所述步骤（1.1）中，所述发电机箱体包含发电机定子，转子和定子之间考虑了轴承作用力、反馈扭矩。

作为本发明的进一步改进：所述步骤（1.2）中，动力学分析软件有与BLADED一致的风机控制接口，变浆控制文件采用DLL文件添加。

作为本发明的进一步改进：所述步骤（1.2）中，利用动力学软件与MATLAB的联合仿真，导入变浆控制模型

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的从动力学角度评估风电机组变浆控制模型的方法，是从动力学的角度建立一种包括风机主要零部件和变浆控制的分析模型，利用分析模型从振动的角度对变浆控制对风机的动态性能进行详细的分析、计算，最后对其控制模型进行评估。整个过程精确度较高，实用价值大。

附图说明

图1是本发明的流程示意图。

图2是本发明在具体应用实例中所建立的动力学分析模型中风机整机拓扑结构示意图。

图3是本发明在具体应用实例中联轴器的结构示意图。

图4是本发明在具体应用实例中变浆与风机整机联合仿真模型示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明的一种从动力学角度评估风电机组变浆控制模型的方法，其具体步骤为：

（1）建立包含变浆控制模型的动力学分析模型。

整机动力学分析模型首先要绘制整机拓扑图结构图，如图2所示，其包括塔筒、机架、叶片、轮毂、主轴、齿轮箱、联轴器、发电机等。

其中，叶片建模采用专业风机动力学软件进行建模，除了叶片按长度方向的质量分布、弦长、摆振刚度、挥舞刚度、厚度百分比等参数外，还需加入叶片翼型描述的相关参数。为考虑变浆作用，建立与叶片对应的变浆法兰（本实例中三个叶片相对应的三个变浆法兰），变浆法兰为刚体，与叶片是固接关系。变浆法兰与轮毂之间可以绕γ方向旋转，其能根据控制模型输出进行变浆动作。

主轴和轮毂之间考虑转动刚度和阻尼，用13号力元描述，主轴通过主轴承支撑在机架上，齿轮箱、发电机通过左右各两个弹性支撑与机架连接，发电机与齿轮箱之间有联轴器建模，其建模考虑了刹车盘。如图3所示，把联轴器分成四个体，这四个体的质量、转动惯量为已知，体1和体2之间、体2和体3之间、体3和体4之间分别施加一扭转弹簧，弹簧的刚度和阻尼已知。

发电机在动力学模型中用两个体来模拟：发电机转子和发电机箱体，二者均按刚体来处理。其中，发电机箱体包含发电机定子。转子和定子之间考虑了轴承作用力、反馈扭矩。

变浆控制模型的添加有两种方式，一种是动力学分析软件有与BLADED一致的风机控制接口，控制文件采用DLL文件，此种方式需要在动力学软件中定义变浆角位移函数、变浆角速度函数、变浆控制传感器、变浆控制、发电机反馈扭矩力元等，动力学和控制模型调试完成后即可进行计算，此方法在仿真过程中，DLL文件是个黑箱模型，很难去修改某些参数，也不便调试。另一种方法是动力学软件与MATLAB的联合仿真，如图4所示，这种方法比较直观，也便于对参数进行修改和调整。

（2）风文件的准备和计算。

变浆控制与空气动力学密切相关，动力学软件一般都有与空气动力学软件的接口，风场文件可以通过BLADED进行计算，也可以通过其他风场计算软件，其格式要求满足动力学软件即可，风况的种类根据计算和分析进行选取。

（3）联合仿真计算及结果分析。

在保证风机运行稳定的情况下，考虑涉及变浆的风况的加载来定义联合仿真的计算时间，计算完成后即可利用动力学分析后处理软件进行结果分析。具体包括：首先，要查看发电机的转速和功率是否有变浆保护在额定范围内，叶片是否有变浆动作、变浆角位移值；然后，查看叶片的受载情况，一般包括法向力和切向力，法向力在变浆前后应该有显著的减少且趋于稳定。

对多个变浆控制模型进行对比评估时主要看以下几方面：一是发电机的转速和功率在变浆控制后波动的幅度和达到稳定所需要的时间，一般波动幅度小稳定时间短的控制方案比较好；二是叶片的受载情况尤其是叶根，在变浆控制起作用后载荷是否有减少、减少后的值是否满足要求及趋于稳定所需要的时间，一般主导载荷减少到标准范围内且数值上偏低、稳定时间短的控制方案较好；三是所关注的风机关键部位或关键零部件受载情况变化，如主轴、弹性支撑等等，则提取这些点或部件的载荷进行对比分析，将载或能增加部件的可靠性的控制方案较好。

由上可知，本发明从动力学的角度建立了风机的整机动力学模型，所建立的模型涉及到塔筒、机架、叶片、轮毂、主轴、齿轮箱、联轴器、发电机，而且塔筒、叶片、主轴以及齿轮箱内的旋转体都作柔性体考虑；叶片和齿轮箱还分别根据三维模型进行了详细建模，建立的是高精度刚柔耦合模型，这样充分考虑了大兆瓦级风机结构特点及力学性能，轴承建模也采用全刚度矩阵，齿轮箱和发电机的弹性支撑也进行了详细的建模，这样不但可以从***的角度全面分析变浆控制对风机的作用，还能根据用户需求选择最优的控制方案。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种从动力学角度评估风电机组变浆控制模型的方法，其特征在于，步骤为：

（1）建立包含变浆控制模型的动力学分析模型；

（1.1）建立整机拓扑图：设置与叶片对应的变浆法兰，所述变浆法兰为刚体且与叶片是固接关系；所述变浆法兰能根据控制模型输出进行变浆动作；主轴通过主轴承支撑在机架上，齿轮箱、发电机通过左右各两个弹性支撑与机架连接，发电机与齿轮箱之间有联轴器建模；发电机用发电机转子和发电机箱体模拟，二者均按刚体来处理；

（1.2）添加变浆控制模型；

（2）风文件的准备和计算；

（3）联合仿真计算及结果分析：在保证风机运行稳定的情况下，考虑涉及变浆的风况的加载来定义联合仿真的计算时间，计算完成后利用动力学分析后处理软件进行结果分析。

2.根据权利要求1所述的从动力学角度评估风电机组变浆控制模型的方法，其特征在于，所述步骤（3）包括：

（3.1）查看发电机的转速和功率是否有变浆保护在额定范围内，叶片是否有变浆动作、变浆角位移值；

（3.2）查看叶片的受载情况，包括法向力和切向力，法向力在变浆前后应有显著的减少且趋于稳定。

3.根据权利要求1所述的从动力学角度评估风电机组变浆控制模型的方法，其特征在于，所述步骤（3）中在对多个变浆控制模型进行对比评估时，包括：

（a）发电机的转速和功率在变浆控制后波动的幅度和达到稳定所需要的时间；

（b）叶片的受载情况，尤其是叶根，在变浆控制起作用后载荷是否有减少、减少后的值是否满足要求及趋于稳定所需要的时间；

（c）风机关键部位或关键零部件受载情况变化，提取这些点或部件的载荷进行对比分析。

4.根据权利要求1或2或3所述的从动力学角度评估风电机组变浆控制模型的方法，其特征在于，所述步骤（1.1）中将联轴器分成四个体，这四个体的质量、转动惯量为已知，其中相邻体之间分别施加一扭转弹簧，扭转弹簧的刚度和阻尼已知。

5.根据权利要求1或2或3所述的从动力学角度评估风电机组变浆控制模型的方法，其特征在于，所述步骤（1.1）中，所述发电机箱体包含发电机定子，转子和定子之间考虑了轴承作用力、反馈扭矩。

6.根据权利要求1或2或3所述的从动力学角度评估风电机组变浆控制模型的方法，其特征在于，所述步骤（1.2）中，动力学分析软件有与BLADED一致的风机控制接口，变浆控制文件采用DLL文件添加。

7.根据权利要求1或2或3所述的从动力学角度评估风电机组变浆控制模型的方法，其特征在于，所述步骤（1.2）中，利用动力学软件与MATLAB的联合仿真，导入变浆控制模型。