CN107908916B - 构建液压变桨机构的仿真模型的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
提供一种构建液压变桨机构的仿真模型的装置和方法，所述装置包括：载荷数据处理模块，基于载荷数据确定执行变桨动作所需的变桨轴承扭矩；变桨机构设计模块，基于载荷数据、变桨轴承扭矩以及初选参数确定驱动元件运行所需的工作参数；液压元件选型模块，确定所述仿真模型的特定液压元件的特征参数；响应频率设置模块，确定所述仿真模型的共振频率，并将所述仿真模型的响应频率设置为小于共振频率的频率；变桨模型产生模块，产生适于预定风区的液压变桨机构的仿真模型。根据所述装置和方法，不仅可以准确设计出符合预定风区的液压变桨机构，还有效降低了设计开发时间，简化设计流程。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子设备设计领域，更具体地讲，涉及一种构建液压变桨机构的仿真模型的装置和方法。
背景技术
变桨机构是安装在风机轮毂内作为空气制动或通过改变叶片角度对机组进行功率控制的装置，是风电机组重要的控制和保护装置，其中，变桨机构的变桨精度不但影响着风力发电机组输出功率的稳定性，也影响着风能的利用率。
目前，变桨机构主要有两种：即液压变桨机构和电动变桨机构，其中，液压变桨机构由于其传动力矩大、重量轻、定位准确和执行机构动态响应速度快等特点受到了普遍的应用。液压变桨机构主要由液压泵站、比例换向阀、蓄能器与执行机构组成，其中电动液压泵为工作动力，液压油为传递介质，比例换向阀为控制元件，通过将油缸活塞杆的径向运动变为桨叶的圆周运动来实现桨叶的变桨距从而实现风电机组变桨。目前，液压变桨机构的设计开发时间较长，设计流程也较为复杂。
因此，现有的设计液压变桨机构的方式无法满足风力发电企业对设计流程和开发时间的要求。
发明内容
本发明的示例性实施例在于提供一种构建液压变桨机构的仿真模型的装置和方法，根据本发明示例性实施例的装置和方法可以解决现有的设计液压变桨机构开发周期长，设计复杂性高的缺陷。
根据本发明的示例性实施例的一方面，提供一种构建液压变桨机构的仿真模型的装置，所述装置包括：载荷数据处理模块，获取预定风区中的目标风电机组的叶片叶根处的载荷数据，基于载荷数据确定所述仿真模型执行变桨动作所需的变桨轴承扭矩；变桨机构设计模块，获取用户输入的所述仿真模型的驱动元件的初选参数，基于载荷数据、变桨轴承扭矩以及初选参数确定所述仿真模型的驱动元件运行所需的工作参数；液压元件选型模块，获取用户输入的预定参数，基于载荷数据、变桨轴承扭矩、工作参数以及预定参数确定所述仿真模型的特定液压元件的特征参数；响应频率设置模块，获取用户输入的所述仿真模型的杨氏模量以及变桨转轴的惯性质量，基于驱动元件的工作参数、杨氏模量和变桨转轴的惯性质量确定所述仿真模型的共振频率，并将所述仿真模型的响应频率设置为小于共振频率的频率；变桨模型产生模块，基于驱动元件的工作参数、特定液压元件的特征参数以及所述仿真模型的响应频率产生适于预定风区的液压变桨机构的仿真模型。
可选地，所述载荷数据处理模块将载荷数据以结构体的数据形式进行存储。
可选地，所述载荷数据包括：所述仿真模型的桨距角、变桨速度和叶根承受的力与力矩分量。
可选地，所述仿真模型的初选参数包括：所述仿真模型的油缸驱动半径、油缸支撑半径、最大加载桨距角、油缸无杆腔活塞直径、活塞杆直径、活塞杆移动速度、***工作压力。
可选地，所述变桨机构设计模块包括：初选参数获取模块，获取用户输入的所述仿真模型的驱动元件的初选参数；工作参数计算模块，基于桨距角、变桨速度、变桨轴承扭矩以及初选参数计算所述仿真模型的油缸无杆腔活塞面积、油缸有杆腔活塞面积、变桨机构加载能力曲线、油缸行程长度、活塞杆运动速度以及能够提供的变桨扭矩；工作参数确定模块，分别判断计算的油缸行程长度、活塞杆运动速度以及能够提供的变桨扭矩是否能满足相应的特定要求，根据判断结果来确定所述仿真模型的驱动元件运行所需的工作参数。
可选地，如果计算的油缸行程长度、活塞杆运动速度以及能够提供的变桨扭矩都能满足相应的特定要求，则将驱动元件的当前初选参数以及计算的油缸无杆腔活塞面积、油缸有杆腔活塞面积、变桨机构加载能力曲线、油缸行程长度、活塞杆运动速度以及能够提供的变桨扭矩设置为所述仿真模型的驱动元件的工作参数；如果计算的油缸行程长度、活塞杆运动速度以及能够提供的变桨扭矩不能都满足相应的特定要求，则通过重新获取驱动元件的初选参数来重复初选参数获取模块、工作参数计算模块和工作参数确定模块的操作。
可选地，所述工作参数计算模块执行以下操作：利用油缸驱动半径、最大加载桨距角和油缸支撑半径计算油缸行程长度；利用油缸行程长度、油缸支撑半径、最大加载桨距角和油缸驱动半径计算变桨驱动力臂，并利用所述变桨驱动力臂和变桨速度确定活塞杆运动速度；利用油缸无杆腔活塞直径计算油缸无杆腔活塞面积；利用活塞杆直径计算油缸活塞杆面积；利用油缸无杆腔活塞面积和油缸活塞杆面积计算油缸有杆腔活塞面积；利用所述***工作压力、油缸无杆腔活塞面积、油缸有杆腔活塞面积和变桨驱动力臂计算所述仿真模型能够提供的变桨扭矩。
可选地，针对油缸行程长度的特定要求是指所述仿真模型的油缸行程长度需要小于变桨驱动盘轴心到轮毂内壁的距离；针对活塞杆运动速度的特定要求是指所述仿真模型的活塞杆运动速度需要小于活塞杆运动速度特定值；针对能够提供的变桨扭矩的特定要求是指所述仿真模型提供的变桨扭矩需要大于所述变桨轴承扭矩。
可选地，所述特定液压元件包括：比例换向阀、蓄能器和油泵。
可选地，所述比例换向阀的特征参数包括比例换向阀的预定出口流量；所述蓄能器的特征参数包括蓄能器的体积和预充压力；所述油泵的特征参数包括：油泵排量、油泵电机转速以及油泵电机功率。
可选地，所述装置还包括：工况辨识模块，基于载荷数据确定所述仿真模型的参考数据以供用户进行后续评估或指导，其中，所述仿真模型的参考数据包括：未满发风速与满发风速的时间占比、桨距角的分布范围、极限载荷工况下指定变桨速度的发生频次以及变桨速度的持续时间。
根据本发明示例性实施例的另一方面，提供一种构建液压变桨机构的仿真模型的方法，所述方法包括：(A)获取预定风区中的目标风电机组的叶片叶根处的载荷数据，基于载荷数据确定所述仿真模型执行变桨动作所需的变桨轴承扭矩；(B)获取用户输入的所述仿真模型的驱动元件的初选参数，基于载荷数据、变桨轴承扭矩以及初选参数确定所述仿真模型的驱动元件运行所需的工作参数；(C)获取用户输入的预定参数，基于载荷数据、变桨轴承扭矩、工作参数以及预定参数确定所述仿真模型的特定液压元件的特征参数；(D)获取用户输入的所述仿真模型的杨氏模量以及变桨转轴的惯性质量，基于驱动元件的工作参数、杨氏模量和变桨转轴的惯性质量确定所述仿真模型的共振频率，并将所述仿真模型的响应频率设置为小于共振频率的频率；(E)基于驱动元件的工作参数、特定液压元件的特征参数以及所述仿真模型的响应频率产生适于预定风区的液压变桨机构的仿真模型。
可选地，步骤(A)还包括：将载荷数据以结构体的数据形式进行存储。
可选地，所述载荷数据包括：所述仿真模型的桨距角、变桨速度和叶根承受的力与力矩分量。
可选地，所述仿真模型的初选参数包括：所述仿真模型的油缸驱动半径、油缸支撑半径、最大加载桨距角、油缸无杆腔活塞直径、活塞杆直径、活塞杆移动速度、***工作压力。
可选地，步骤(B)包括：(B1)获取用户输入的所述仿真模型的驱动元件的初选参数；(B2)基于桨距角、变桨速度、变桨轴承扭矩以及初选参数计算所述仿真模型的油缸无杆腔活塞面积、油缸有杆腔活塞面积、变桨机构加载能力曲线、油缸行程长度、活塞杆运动速度以及能够提供的变桨扭矩；(B3)分别判断计算的油缸行程长度、活塞杆运动速度以及能够提供的变桨扭矩是否能满足相应的特定要求，根据判断结果来确定所述仿真模型的驱动元件运行所需的工作参数。
可选地，步骤(B3)还包括：如果计算的油缸行程长度、活塞杆运动速度以及能够提供的变桨扭矩都能满足相应的特定要求，则将驱动元件的当前初选参数以及计算的油缸无杆腔活塞面积、油缸有杆腔活塞面积、变桨机构加载能力曲线、油缸行程长度、活塞杆运动速度以及能够提供的变桨扭矩设置为所述仿真模型的驱动元件的工作参数；如果计算的油缸形成长度、活塞杆运动速度以及能够提供的变桨扭矩不能都满足相应的特定要求，则通过重新获取驱动元件的初选参数来重复执行步骤(B1)、步骤(B2)和步骤(B3)。
可选地，步骤(B2)包括：利用油缸驱动半径、最大加载桨距角和油缸支撑半径计算油缸行程长度；利用油缸行程长度、最大加载桨距角、油缸支撑半径和油缸驱动半径计算变桨驱动力臂，并利用所述变桨驱动力臂和变桨速度确定活塞杆运动速度；利用油缸无杆腔活塞直径计算油缸无杆腔活塞面积；利用活塞杆直径计算油缸活塞杆面积；利用油缸无杆腔活塞面积和油缸活塞杆面积计算油缸有杆腔活塞面积；利用所述***工作压力、油缸无杆腔活塞面积、油缸有杆腔活塞面积和变桨驱动力臂计算所述仿真模型能够提供的变桨扭矩。
可选地，针对油缸行程长度的特定要求是指所述仿真模型的油缸行程长度需要小于变桨驱动盘轴心到轮毂内壁的距离；针对活塞杆运动速度的特定要求是指所述仿真模型的活塞杆运动速度需要小于活塞杆运动速度特定值；针对能够提供的变桨扭矩的特定要求是指所述仿真模型提供的变桨扭矩需要大于所述变桨轴承扭矩。
可选地，所述特定液压元件包括：比例换向阀、蓄能器和油泵。
可选地，所述比例换向阀的特征参数包括比例换向阀的预定出口流量；所述蓄能器的特征参数包括蓄能器的体积和预充压力；所述油泵的特征参数包括：油泵排量、油泵电机转速以及油泵电机功率。
可选地，所述方法还包括：(F)基于载荷数据确定所述仿真模型的参考数据以供用户进行后续评估或指导，其中，所述仿真模型的参考数据包括：未满发风速与满发风速的时间占比、桨距角的分布范围、极限载荷工况下指定变桨速度的发生频次以及变桨速度的持续时间。
根据本发明示例性实施例的另一方面，提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，当所述计算机程序在被处理器执行时实现根据本发明的构建液压变桨机构的仿真模型的方法。
根据本发明示例性实施例的另一方面，提供一种计算装置，所述计算装置包括：处理器；存储器，存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现根据本发明的构建液压变桨机构的仿真模型的方法。
根据本发明示例性实施例的构建液压变桨机构的仿真模型的装置和方法，不仅可以准确设计出符合预定风区的液压变桨机构，还有效降低了设计开发时间，简化设计流程，并且，设计出的液压变桨机构模型操作简单，可视化程度高，扩展性好。
将在接下来的描述中部分阐述本发明总体构思另外的方面和/或优点，还有一部分通过描述将是清楚的，或者可以经过本发明总体构思的实施而得知。
附图说明
通过下面结合示例性地示出实施例的附图进行的描述，本发明示例性实施例的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：
图1示出根据本发明示例性实施例的构建液压变桨机构的仿真模型的装置的框图；
图2示出根据本发明示例性实施例的变桨机构设计模块的框图；
图3示出根据本发明示例性实施例的构建液压变桨机构的仿真模型的方法的流程图；
图4示出根据本发明示例性实施例的确定驱动元件的工作参数的步骤的流程图。
具体实施方式
现将详细参照本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中，相同的标号始终指的是相同的部件。以下将通过参照附图来说明所述实施例，以便解释本发明。
图1示出根据本发明示例性实施例的构建液压变桨机构的仿真模型的装置的框图。
如图1所示，根据本发明示例性实施例的构建液压变桨机构的仿真模型的装置包括：载荷数据处理模块100，变桨机构设计模块200，液压元件选型模块300，响应频率设置模块400和变桨模型产生模块500。
载荷数据处理模块100获取预定风区中的目标风电机组的叶片叶根处的载荷数据，基于载荷数据确定所述仿真模型执行变桨动作所需的变桨轴承扭矩。
具体说来，载荷数据处理模块100读取风机设计软件GH Bladed输出的载荷数据，并将读取的载荷数据以结构体的数据形式进行存储以备后续调用，这里，所述载荷数据可包括仿真模型的桨距角、变桨速度和叶根承受的力与力矩分量，此外，所述载荷数据还可包括其他用于后续控制分析或评估的其他载荷数据，例如，未满发风速、满发风速等，在此不做限制。
作为示例，在获取到载荷数据的情况下，载荷数据处理模块100可利用载荷数据通过下面的等式(1-1)来计算仿真模型执行变桨动作所需的变桨轴承扭矩：
Mpitch＝Mfric+Mz，等式(1-1)
其中，Mpitch为变桨轴承扭矩，Mfric为变桨轴承的摩擦扭矩，Mz为叶根承受扭矩的z分量，各力矩矢量的方向可由变桨速度方向决定。
其中，变桨轴承的摩擦扭矩Mfric可通过叶根承受的载荷进行计算，例如，变桨轴承的摩擦扭矩Mfric可通过下面等式(1-2)来计算：
其中，μ为变桨轴承的摩擦系数，Mxy为叶根弯矩的xy分量，Fa为叶根承受的径向力，Fr为叶根承受的轴向力，dm为变桨轴承的滚道直径，其中，摩擦系数μ和滚道直径dm均为固有特性参数。
变桨机构设计模块200获取用户输入的所述仿真模型的驱动元件的初选参数，基于载荷数据、变桨轴承扭矩以及初选参数确定所述仿真模型的驱动元件运行所需的工作参数。
下面，将参照图2详细描述根据本发明示例性实施例的变桨机构设计模块200。图2示出根据本发明示例性实施例的变桨机构设计模块200的框图。
如图2所示，变桨机构设计模块200包括初选参数获取模块210，工作参数计算模块220和工作参数确定模块230。
具体说来，初选参数获取模块210获取用户输入的所述仿真模型的驱动元件的初选参数。这里，作为示例，初选参数为用户依照经验输入的驱动元件的属性参数，例如，用户输入的仿真模型的初选参数可包括：所述仿真模型的油缸驱动半径、油缸支撑半径、最大加载桨距角、油缸无杆腔活塞直径、活塞杆直径、活塞杆移动速度、***工作压力。
工作参数计算模块220基于桨距角、变桨速度、变桨轴承扭矩以及初选参数计算所述仿真模型的油缸无杆腔活塞面积、油缸有杆腔活塞面积、变桨机构加载能力曲线、油缸行程长度、活塞杆运动速度以及能够提供的变桨扭矩。这里，所述变桨机构加载能力曲线是指基于桨距角的液压变桨机构所能提供的油缸出力与变桨扭矩变化的曲线。具体说来，工作参数计算模块220可利用油缸驱动半径、最大加载桨距角和油缸支撑半径计算油缸行程长度；利用油缸行程长度、最大加载桨距角、油缸支撑半径和油缸驱动半径计算变桨驱动力臂，并利用所述变桨驱动力臂和变桨速度确定活塞杆运动速度；利用油缸无杆腔活塞直径计算油缸无杆腔活塞面积；利用活塞杆直径计算油缸活塞杆面积；利用油缸无杆腔活塞面积和油缸活塞杆面积计算油缸有杆腔活塞面积；利用所述***工作压力、油缸无杆腔活塞面积、油缸有杆腔活塞面积和变桨驱动力臂计算所述仿真模型能够提供的变桨扭矩。
例如，工作参数计算模块220通过下面的等式(2-1)来计算仿真模型的油缸行程长度：
其中，l为油缸行程长度，r为油缸驱动半径，R为油缸支撑半径，α为油缸驱动半径和油缸支撑半径的夹角，其中，α＝θ+(arccos(r/R)-θmax)，其中，其中θ为桨距角，θmax为最大加载桨距角。
在得到油缸行程长度l后，基于三角函数关系，通过等式(2-2)确定变桨驱动力臂larm：
larm＝Rrsinα/l，等式(2-2)
相应地，工作参数计算模块220还通过下面的等式(2-3)来计算活塞杆运动速度：
v＝ωlarm，等式(2-3)
其中，v为活塞杆运动速度，ω为变桨速度。
此外，由于在顺桨状态和开桨状态下变桨机构所能提供的变桨驱动力臂并不相同，因此，工作参数计算模块220分别通过下面的等式(2-4)和(2-5)来计算在顺桨状态和开桨状态下的变桨机构所能提供的变桨驱动力臂：
顺桨状态：M＝kPsys(Abore-Aring)larm，等式(2-4)
开桨状态：M＝kPsysAringlarm，等式(2-5)
其中，M为变桨扭矩，k为驱动的油缸数量，Psys为***工作压力，Abore为油缸无杆腔活塞面积，Aring为油缸有杆腔活塞面积
这里，油缸无杆腔活塞面积Abore可通过油缸无杆腔活塞直径进行确定，例如：油缸无杆腔活塞面积Abore可通过下面的等式(2-6)来计算：
其中，dbore为油缸无杆腔活塞直径。
这里，油缸有杆腔活塞面积Aring可通过油缸无杆腔活塞面积和油缸活塞杆面积，例如，油缸有杆腔活塞面积Aring可通过下面的等式(2-7)来计算：
其中，Am为油缸活塞杆面积，dm为油缸活塞杆直径。
在计算出油缸行程长度、活塞杆运动速度以及能够提供的变桨扭矩之后，工作参数确定模块230分别确定计算的油缸行程长度、活塞杆运动速度以及能够提供的变桨扭矩是否能满足相应的特定要求，并根据判断结果来确定仿真模型额驱动元件运行所需的工作参数。作为示例，针对油缸行程长度的特定要求是指所述仿真模型的油缸行程长度需要小于变桨驱动盘轴心到轮毂内壁的距离；针对活塞杆运动速度的特定要求是指所述仿真模型的活塞杆运动速度需要小于活塞杆运动速度特定值；针对能够提供的变桨扭矩的特定要求是指所述仿真模型提供的变桨扭矩需要大于所述变桨轴承扭矩。
作为示例，如果计算的油缸行程长度、活塞杆运动速度以及能够提供的变桨扭矩都能满足相应的特定要求，则将驱动元件的当前初选参数以及计算的油缸无杆腔活塞面积、油缸有杆腔活塞面积、变桨机构加载能力曲线、油缸行程长度、活塞杆运动速度以及能够提供的变桨扭矩设置为所述仿真模型的驱动元件的工作参数。
此外，如果计算的油缸形成长度、活塞杆运动速度以及能够提供的变桨扭矩中的至少一个不满足相应的特定要求，则通过重新获取驱动元件的初选参数来重复初选参数获取模块、工作参数计算模块和工作参数确定模块的操作。例如，初选参数获取模块210获取用户新输入的初选参数；工作参数计算模块220重新基于用户新输入的初选参数重新确定油缸行程长度、活塞杆运动速度以及仿真模型能够提供的变桨扭矩；工作参数确定模块基于新确定的油缸行程长度、活塞杆运动速度以及仿真模型能够提供的变桨扭矩重新进行判断，直到上述油缸行程长度、活塞杆运动速度以及仿真模型能够提供的变桨扭矩都能满足相应的特定要求。
再次参照图1，液压元件选型模块300获取用户输入的预定参数，基于载荷数据、变桨轴承扭矩、工作参数以及预定参数确定所述仿真模型的特定液压元件的特征参数。这里，作为示例，所述特定液压元件包括：比例换向阀、蓄能器和油泵。具体说来，所述比例换向阀的特征参数包括比例换向阀的预定出口流量；所述蓄能器的特征参数包括蓄能器的体积和预充压力；所述油泵的特征参数包括：油泵排量、油泵电机转速以及油泵电机功率；用户输入的预定参数可以包括蓄能器的绝热系数、蓄能器数量、仿真模型的最低工作温度、仿真模型的最高工作温度、比例换向阀数量和油泵总功率系数。
作为示例，在对比例换向阀选型时，可将活塞杆移动速度中的最大移动速度下的预定出口流量作为比例换向阀的特征参数，具体地，液压元件选型模块300可利用下面的等式(3-1)来计算比例换向阀的预定出口(例如，a口)流量：
Qa＝kvmaxA，(等式3-1)
其中，Qa为比例换向阀a口流量，vmax为活塞杆移动速度中的最大速度，A为比例换向阀a口驱动的油缸等效活塞面积，在顺浆状态下，A＝Abore-Aring；在开浆状态下，A＝Aring。
蓄能器选型的特征参数包括蓄能器预充压力与蓄能器体积，这两个参数均是由蓄能器执行紧急顺桨动作所决定的，以下将详细介绍这两个特征参数的求取过程。
在等式(3-2)中，MEM为紧急顺桨时蓄能器所提供的变桨力矩，在此过程中蓄能器的氮气处于绝热状态；△lmax为最大的油缸行程长度变化量，△lmax＝lmax-lmin。其中，lmax为最大的油缸行程长度，lmin为最小的油缸行程长度；β为绝热系数，一般取0.4，N为蓄能器数量，Vc为最低工作温度时蓄能器的氮气体积，其中，Vc与蓄能器预充压力P0密切相关，通过理想气体状态方程推导，关系式为：
Vc＝VP0Tmin/PsysT0，等式(3-3)
在等式(3-3)中，Tmin为液压变桨机构的最低工作温度，该值由风电机组实际工况确定，且此温度下液压变桨机构提供的变桨扭矩为最小值，T0为预充压时的温度，取20℃，V为蓄能器体积。
另一方面，液压元件选型模块300可利用下面的等式(3-4)来计算蓄能器的体积V：
V＝Vliquid+Vhgas，等式(3-4)
其中，Vliquid为保证紧急顺桨条件下蓄能器的液体腔体积，Vliquid＝βkAbore△lmax/N。其中，β为蓄能器液体腔体积的安全设计***，取值>1；Vhgas为最高工作温度下蓄能器的气体腔体积，Vhgas＝VP0Tmax/PsysT0。其中，Tmax为液压变桨机构的最高工作温度，该值由风电机组实际工况确定。
结合以上描述的各关系式，由于蓄能器预充压力P0和蓄能器体积V影响着紧急顺浆时液压变桨机构提供的变桨扭矩大小，因此通过判断紧急顺桨时变桨机构提供的变桨扭矩能否包络住变桨轴承扭矩(即，仿真模型提供的变桨扭矩需要大于所述变桨轴承扭矩)，就可以获得蓄能器预充压力P0和蓄能器体积V的可行值。
油泵的特征参数包括：油泵排量、油泵电机转速以及油泵电机功率，其中，液压元件选型模块300可利用下面的等式(3-5)来计算油泵排量：
Vdisp＝Qpump/(ηn)，等式(3-5)
其中，Vdisp为油泵排量，n为油泵电机转速，可由作业场地的供电能力判定，η为油泵的总功率系数，需同时考虑机械效率及容积效率的影响，可由油泵数据手册获得，Qpump为油泵工作中的最大流量，Qpump＝zQa，其中z为比例换向阀数量。
液压元件选型模块300可利用下面的等式(3-6)来计算油泵电机功率：
Ppower为油泵电机功率，ttotal为仿真总时间，P(t)为油泵瞬时功率，其中，
η为油泵总功率系数。
响应频率设置模块400获取用户输入的所述仿真模型的刚度以及变桨转轴的惯性质量，基于驱动元件的工作参数、刚度和变桨转轴的惯性质量确定所述仿真模型的共振频率，并将所述仿真模型的响应频率设置为小于共振频率的频率。
具体说来，为了防止共振造成的液压变桨机构疲劳损坏现象出现，响应频率设置模块400可基于液压变桨机构的仿真模型的共振频率来设计液压变桨机构的仿真模型的响应频率，例如，响应频率设置模块400可首先确定液压变桨机构的仿真模型的共振频率：响应频率设置模块400可利用下面的等式(4-1)来计算液压变桨机构的共振频率：
其中，在等式(4-1)中，f为液压变桨机构的共振频率，M为液压变桨机构的等效质量，C为液压变桨机构的刚度。
这里，液压变桨机构的等效质量M通过等式(4-2)来确定：
其中，m为液压变桨机构绕变桨转轴的惯性质量。
这里，液压变桨机构刚度的模型为：
其中，E为整个机构的杨氏模量，Vbore为油缸无杆腔体积，Vring为油缸有杆腔体积，其中，Vbore＝lAbore，Vring＝(△lmax-l)Aring。
在获得液压变桨机构的仿真模型的共振频率后，可根据行业经验设置小于该共振频率的响应频率以保护液压变桨机构的使用安全。
变桨模型产生模块500基于驱动元件的工作参数、特定液压元件的特征参数以及所述仿真模型的响应频率产生适于预定风区的液压变桨机构的仿真模型。
此外，作为附加部件，所述装置可还包括工况辨识模块(图2中未示出)，具体说来，工况辨识模块基于载荷数据确定所述仿真模型的参考数据，其中，所述仿真模型的参考数据包括：未满发风速与满发风速的时间占比、桨距角的分布范围、极限载荷工况下指定变桨速度的发生频次以及变桨速度的持续时间。工况辨识模块在确定上述参考数据后可将参考数据显示用户交互界面上以供用户进行后续评估或指导，例如，后续控制人员可以基于上述参考数据设置相应的控制数据。
通过上述构建液压变桨机构的装置，不仅可以准确设计出符合预定风区的液压变桨机构，还有效降低了设计开发时间，简化设计流程。
图3示出根据本发明示例性实施例的构建液压变桨机构的仿真模型的方法的流程图。
如图3所示，在步骤S100，获取预定风区中的目标风电机组的叶片叶根处的载荷数据，基于载荷数据确定所述仿真模型执行变桨动作所需的变桨轴承扭矩。
具体说来，读取风机设计软件GH Bladed输出的载荷数据，并将读取的载荷数据以结构体的数据形式进行存储以备后续调用，这里，所述载荷数据可包括仿真模型的桨距角、变桨速度和叶根承受的力与力矩分量，此外，所述载荷数据还可包括其他用于后续控制分析或评估的其他载荷数据，例如，未满发风速、满发风速等，在此不做限制。
在步骤S200，获取用户输入的所述仿真模型的驱动元件的初选参数，基于载荷数据、变桨轴承扭矩以及初选参数确定所述仿真模型的驱动元件运行所需的工作参数。
下面，在一个可选实施例中，将结合图4来具体描述根据本发明示例性实施例的确定所述仿真模型的驱动元件运行所需的工作参数的步骤。图4示出根据本发明示例性实施例的确定驱动元件的工作参数的步骤的流程图。
如图4所示，在步骤S210，获取用户输入的所述仿真模型的驱动元件的初选参数。这里，作为示例，初选参数为用户依照经验输入的驱动元件的属性参数，例如，用户输入的仿真模型的初选参数可包括：所述仿真模型的油缸驱动半径、油缸支撑半径、最大加载桨距角、油缸无杆腔活塞直径、活塞杆直径、活塞杆移动速度、***工作压力。
在步骤S220，基于桨距角、变桨速度、变桨轴承扭矩以及初选参数计算所述仿真模型的油缸无杆腔活塞面积、油缸有杆腔活塞面积、变桨机构加载能力曲线、油缸行程长度、活塞杆运动速度以及能够提供的变桨扭矩。这里，所述变桨机构加载能力曲线是指基于桨距角的液压变桨机构所能提供的油缸出力与变桨扭矩变化的曲线。具体说来，可利用油缸驱动半径、最大加载桨距角和油缸支撑半径计算油缸行程长度；利用油缸行程长度、油缸支撑半径、最大加载桨距角和油缸驱动半径计算变桨驱动力臂，并利用所述变桨驱动力臂和变桨速度确定活塞杆运动速度；利用油缸无杆腔活塞直径计算油缸无杆腔活塞面积；利用活塞杆直径计算油缸活塞杆面积；利用油缸无杆腔活塞面积和油缸活塞杆面积计算油缸有杆腔活塞面积；利用所述***工作压力、油缸无杆腔活塞面积、油缸有杆腔活塞面积和变桨驱动力臂计算所述仿真模型能够提供的变桨扭矩。
在计算出油缸行程长度、活塞杆运动速度以及能够提供的变桨扭矩之后，在步骤S231，分别确定计算的油缸行程长度、活塞杆运动速度以及能够提供的变桨扭矩是否能满足相应的特定要求，并根据判断结果来确定仿真模型额驱动元件运行所需的工作参数。作为示例，针对油缸行程长度的特定要求是指所述仿真模型的油缸行程长度需要小于变桨驱动盘轴心到轮毂内壁的距离；针对活塞杆运动速度的特定要求是指所述仿真模型的活塞杆运动速度需要小于活塞杆运动速度特定值；针对能够提供的变桨扭矩的特定要求是指所述仿真模型提供的变桨扭矩需要大于所述变桨轴承扭矩。
作为示例，如果计算的油缸行程长度、活塞杆运动速度以及能够提供的变桨扭矩都能满足相应的特定要求，则在步骤S232，则将驱动元件的当前初选参数以及计算的油缸无杆腔活塞面积、油缸有杆腔活塞面积、变桨机构加载能力曲线、油缸行程长度、活塞杆运动速度以及能够提供的变桨扭矩设置为所述仿真模型的驱动元件的工作参数。
此外，如果计算的油缸形成长度、活塞杆运动速度以及能够提供的变桨扭矩中的至少一个不满足相应的特定要求，则返回执行步骤S210。
再次返回图4，在步骤S300，获取用户输入的预定参数，基于载荷数据、变桨轴承扭矩、工作参数以及预定参数确定所述仿真模型的特定液压元件的特征参数。这里，作为示例，所述特定液压元件包括：比例换向阀、蓄能器和油泵。具体说来，所述比例换向阀的特征参数包括比例换向阀的预定出口流量；所述蓄能器的特征参数包括蓄能器的体积和预充压力；所述油泵的特征参数包括：油泵排量、油泵电机转速以及油泵电机功率；用户输入的预定参数可以包括蓄能器的绝热系数、蓄能器数量、仿真模型的最低工作温度、仿真模型的最高工作温度、比例换向阀数量和油泵总功率系数。
在步骤S400，获取用户输入的所述仿真模型的刚度以及变桨转轴的惯性质量，基于驱动元件的工作参数、刚度和变桨转轴的惯性质量确定所述仿真模型的共振频率，并将所述仿真模型的响应频率设置为小于共振频率的频率。例如，可根据行业经验设置小于该共振频率的响应频率以保护液压变桨机构的使用安全。
在步骤S500，基于驱动元件的工作参数、特定液压元件的特征参数以及所述仿真模型的响应频率产生适于预定风区的液压变桨机构的仿真模型。
此外，作为附加步骤，所述方法可还包括获取仿真模型的参考数据的步骤(图3中未示出)，具体说来，在该步骤中，可基于载荷数据确定所述仿真模型的参考数据，其中，所述仿真模型的参考数据包括：未满发风速与满发风速的时间占比、桨距角的分布范围、极限载荷工况下指定变桨速度的发生频次以及变桨速度的持续时间。具体说来，参考数据后可供用户进行后续评估或指导，例如，后续控制人员可以基于上述参考数据设置相应的控制数据。
通过上述构建液压变桨机构的方法，不仅可以准确设计出符合预定风区的液压变桨机构，还有效降低了设计开发时间，简化设计流程。
根据本发明的示例性实施例还提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质。该计算机可读存储介质存储有当被处理器执行时使得处理器执行上述液压变桨机构的仿真模型的构建方法的计算机程序。该计算机可读记录介质是可存储由计算机***读出的数据的任意数据存储装置。计算机可读记录介质的示例包括：只读存储器、随机存取存储器、只读光盘、磁带、软盘、光数据存储装置和载波(诸如经有线或无线传输路径通过互联网的数据传输)。
根据本发明的示例性实施例还提供一种计算装置。该计算装置包括处理器和存储器。存储器用于存储计算机程序。所述计算机程序被处理器执行使得处理器执行如上所述的液压变桨机构的仿真模型的构建方法的计算机程序。
采用本发明示例性实施例的构建液压变桨机构的仿真模型的装置和方法，不仅可以准确设计出符合预定风区的液压变桨机构，还有效降低了设计开发时间，简化设计流程，并且，设计出的液压变桨机构模型操作简单，可视化程度高，扩展性好。
虽然已表示和描述了本发明的一些示例性实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改。
Claims (24)
1.一种构建液压变桨机构的仿真模型的装置，其特征在于，所述装置包括：
载荷数据处理模块，获取预定风区中的目标风电机组的叶片叶根处的载荷数据，基于载荷数据确定所述仿真模型执行变桨动作所需的变桨轴承扭矩；
变桨机构设计模块，获取用户输入的所述仿真模型的驱动元件的初选参数，基于载荷数据、变桨轴承扭矩以及初选参数确定所述仿真模型的驱动元件运行所需的工作参数；
液压元件选型模块，获取用户输入的预定参数，基于载荷数据、变桨轴承扭矩、工作参数以及预定参数确定所述仿真模型的特定液压元件的特征参数；
响应频率设置模块，获取用户输入的所述仿真模型的杨氏模量及变桨转轴的惯性质量，基于驱动元件的工作参数、杨氏模量和变桨转轴的惯性质量确定所述仿真模型的共振频率，并将所述仿真模型的响应频率设置为小于共振频率的频率；
变桨模型产生模块，基于驱动元件的工作参数、特定液压元件的特征参数以及所述仿真模型的响应频率产生适于预定风区的液压变桨机构的仿真模型。
2.如权利要求1所述的构建液压变桨机构的仿真模型的装置，其特征在于，所述载荷数据处理模块将载荷数据以结构体的数据形式进行存储。
3.如权利要求1所述的构建液压变桨机构的仿真模型的装置，其特征在于，所述载荷数据包括：所述仿真模型的桨距角、变桨速度和叶根承受的力与力矩分量。
4.如权利要求3所述的构建液压变桨机构的仿真模型的装置，其特征在于，所述仿真模型的初选参数包括：所述仿真模型的油缸驱动半径、油缸支撑半径、最大加载桨距角、油缸无杆腔活塞直径、活塞杆直径、活塞杆移动速度、***工作压力和驱动的油缸数量。
5.如权利要求4所述的构建液压变桨机构的仿真模型的装置，其特征在于，所述变桨机构设计模块包括：
初选参数获取模块，获取用户输入的所述仿真模型的驱动元件的初选参数；
工作参数计算模块，基于桨距角、变桨速度、变桨轴承扭矩以及初选参数计算所述仿真模型的油缸无杆腔活塞面积、油缸有杆腔活塞面积、变桨机构加载能力曲线、油缸行程长度、活塞杆运动速度以及能够提供的变桨扭矩；
工作参数确定模块，分别判断计算的油缸行程长度、活塞杆运动速度以及能够提供的变桨扭矩是否能满足相应的特定要求，根据判断结果来确定所述仿真模型的驱动元件运行所需的工作参数。
6.如权利要求5所述的构建液压变桨机构的仿真模型的装置，其特征在于，所述工作参数确定模块执行以下操作：
如果计算的油缸行程长度、活塞杆运动速度以及能够提供的变桨扭矩都能满足相应的特定要求，则将驱动元件的当前初选参数以及计算的油缸无杆腔活塞面积、油缸有杆腔活塞面积、变桨机构加载能力曲线、油缸行程长度、活塞杆运动速度以及能够提供的变桨扭矩设置为所述仿真模型的驱动元件的工作参数；
如果计算的油缸行程长度、活塞杆运动速度以及能够提供的变桨扭矩中的至少一个不满足相应的特定要求，则通过重新获取驱动元件的初选参数来重复初选参数获取模块、工作参数计算模块和工作参数确定模块的操作。
7.如权利要求5所述的构建液压变桨机构的仿真模型的装置，其特征在于，所述工作参数计算模块执行以下操作：
利用油缸驱动半径、最大加载桨距角和油缸支撑半径计算油缸行程长度；
利用油缸行程长度、最大加载桨距角、油缸支撑半径和油缸驱动半径计算变桨驱动力臂，并利用所述变桨驱动力臂和变桨速度确定活塞杆运动速度；
利用油缸无杆腔活塞直径计算油缸无杆腔活塞面积；
利用活塞杆直径计算油缸活塞杆面积；
利用油缸无杆腔活塞面积和油缸活塞杆面积计算油缸有杆腔活塞面积；
利用所述***工作压力、油缸无杆腔活塞面积、油缸有杆腔活塞面积和变桨驱动力臂计算所述仿真模型能够提供的变桨扭矩。
8.如权利要求5所述的构建液压变桨机构的仿真模型的装置，其特征在于，针对油缸行程长度的特定要求是指所述仿真模型的油缸行程长度需要小于变桨驱动盘轴心到轮毂内壁的距离；
针对活塞杆运动速度的特定要求是指所述仿真模型的活塞杆运动速度需要小于活塞杆运动速度特定值；
针对能够提供的变桨扭矩的特定要求是指所述仿真模型提供的变桨扭矩需要大于所述变桨轴承扭矩。
9.如权利要求1所述的构建液压变桨机构的仿真模型的装置，其特征在于，所述特定液压元件包括：比例换向阀、蓄能器和油泵。
10.如权利要求9所述的构建液压变桨机构的仿真模型的装置，其特征在于，所述比例换向阀的特征参数包括比例换向阀的预定出口流量，
所述蓄能器的特征参数包括蓄能器的体积和预充压力，
所述油泵的特征参数包括：油泵排量、油泵电机转速以及油泵电机功率。
11.如权利要求1所述的构建液压变桨机构的仿真模型的装置，其特征在于，所述装置还包括：
工况辨识模块，基于载荷数据确定所述仿真模型的参考数据以供用户进行后续评估或指导，
其中，所述仿真模型的参考数据包括：未满发风速与满发风速的时间占比、桨距角的分布范围、极限载荷工况下指定变桨速度的发生频次以及变桨速度的持续时间。
12.一种构建液压变桨机构的仿真模型的方法，其特征在于，所述方法包括：
(A)获取预定风区中的目标风电机组的叶片叶根处的载荷数据，基于载荷数据确定所述仿真模型执行变桨动作所需的变桨轴承扭矩；
(B)获取用户输入的所述仿真模型的驱动元件的初选参数，基于载荷数据、变桨轴承扭矩以及初选参数确定所述仿真模型的驱动元件运行所需的工作参数；
(C)获取用户输入的预定参数，基于载荷数据、变桨轴承扭矩、工作参数以及预定参数确定所述仿真模型的特定液压元件的特征参数；
(D)获取用户输入的所述仿真模型的杨氏模量以及变桨转轴的惯性质量，基于驱动元件的工作参数、杨氏模量和变桨转轴的惯性质量确定所述仿真模型的共振频率，并将所述仿真模型的响应频率设置为小于共振频率的频率；
(E)基于驱动元件的工作参数、特定液压元件的特征参数以及所述仿真模型的响应频率产生适于预定风区的液压变桨机构的仿真模型。
13.如权利要求12所述的构建液压变桨机构的仿真模型的方法，其特征在于，步骤(A)还包括：将载荷数据以结构体的数据形式进行存储。
14.如权利要求12所述的构建液压变桨机构的仿真模型的方法，其特征在于，所述载荷数据包括：所述仿真模型的桨距角、变桨速度和叶根承受的力与力矩分量。
15.如权利要求14所述的构建液压变桨机构的仿真模型的方法，其特征在于，所述仿真模型的初选参数包括：所述仿真模型的油缸驱动半径、油缸支撑半径、最大加载桨距角、油缸无杆腔活塞直径、活塞杆直径、活塞杆移动速度、***工作压力和驱动的油缸数量。
16.如权利要求15所述的构建液压变桨机构的仿真模型的方法，其特征在于，步骤(B)包括：
(B1)获取用户输入的所述仿真模型的驱动元件的初选参数；
(B2)基于桨距角、变桨速度、变桨轴承扭矩以及初选参数确定所述仿真模型的油缸无杆腔活塞面积、油缸有杆腔活塞面积、变桨机构加载能力曲线、油缸行程长度、活塞杆运动速度以及能够提供的变桨扭矩；
(B3)分别判断计算的油缸行程长度、活塞杆运动速度以及能够提供的变桨扭矩是否能满足相应的特定要求，根据判断结果来确定所述仿真模型的驱动元件运行所需的工作参数。
17.如权利要求16所述的构建液压变桨机构的仿真模型的方法，其特征在于，步骤(B3)包括：
如果计算的油缸行程长度、活塞杆运动速度以及能够提供的变桨扭矩都能满足相应的特定要求，则将驱动元件的当前初选参数以及计算的油缸无杆腔活塞面积、油缸有杆腔活塞面积、变桨机构加载能力曲线、油缸行程长度、活塞杆运动速度以及能够提供的变桨扭矩设置为所述仿真模型的驱动元件的工作参数；
如果计算的油缸行程长度、活塞杆运动速度以及能够提供的变桨扭矩中的至少一个不满足相应的特定要求，则通过重新获取驱动元件的初选参数来重复执行步骤(B1)、步骤(B2)和步骤(B3)。
18.如权利要求16所述的构建液压变桨机构的仿真模型的方法，其特征在于，步骤(B2)包括：
利用油缸驱动半径、最大加载桨距角和油缸支撑半径计算油缸行程长度；
利用油缸行程长度、最大加载桨距角、油缸支撑半径和油缸驱动半径计算变桨驱动力臂，并利用所述变桨驱动力臂和变桨速度确定活塞杆运动速度；
利用油缸无杆腔活塞直径计算油缸无杆腔活塞面积；
利用活塞杆直径计算油缸活塞杆面积；
利用油缸无杆腔活塞面积和油缸活塞杆面积计算油缸有杆腔活塞面积；
利用所述***工作压力、油缸无杆腔活塞面积、油缸有杆腔活塞面积和变桨驱动力臂计算所述仿真模型能够提供的变桨扭矩。
19.如权利要求16所述的构建液压变桨机构的仿真模型的方法，其特征在于，针对油缸行程长度的特定要求是指所述仿真模型的油缸行程长度需要小于变桨驱动盘轴心到轮毂内壁的距离；
针对活塞杆运动速度的特定要求是指所述仿真模型的活塞杆运动速度需要小于活塞杆运动速度特定值；
针对能够提供的变桨扭矩的特定要求是指所述仿真模型提供的变桨扭矩需要大于所述变桨轴承扭矩。
20.如权利要求12所述的构建液压变桨机构的仿真模型的方法，其特征在于，所述特定液压元件包括：比例换向阀、蓄能器和油泵。
21.如权利要求20所述的构建液压变桨机构的仿真模型的方法，其特征在于，所述比例换向阀的特征参数包括比例换向阀的预定出口流量，
所述蓄能器的特征参数包括蓄能器的体积和预充压力，
所述油泵的特征参数包括：油泵排量、油泵电机转速以及油泵电机功率。
22.如权利要求12所述的构建液压变桨机构的仿真模型的方法，其特征在于，所述方法还包括：
(F)基于载荷数据确定所述仿真模型的参考数据以供用户进行后续评估或指导，
其中，所述仿真模型的参考数据包括：未满发风速与满发风速的时间占比、桨距角的分布范围、极限载荷工况下指定变桨速度的发生频次以及变桨速度的持续时间。
23.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，当所述计算机程序在被处理器执行时实现权利要求12至22中的任意一项所述的方法。
24.一种计算装置，其特征在于，所述计算装置包括：
处理器；
存储器，存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现权利要求12至22中的任意一项所述的方法。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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