MW级风力发电机组联合仿真运动分析
第３ｌ卷第１期２０１０年１月太阳能学报
ＡＣＴＡＥＮＥＲＣＬＡＥＳｏＩ．ＡＲＩＳＳＩＮＩＣＡ
ｖ０１．３１．Ｎｏ．１
Ｊａｎ。，２０１０
ＭＷ级风力发电机组联合仿真运动分析
张锁怀１，王开专１，张青雷２
（１．上海应用技术学院机械与自动化工程学院，上海２００２３５；２．上海电气集团股份有限公司中央研究院，上海２ａ：】０２３）
摘要：根据在Ａｄａｍｓ系统中建立的ＭＷ级风力发电机组的机械模型和Ａｄａｍｓ与Ｍａｔｌａｂ之间的接口，在Ｍａｔｌａｂ环境中建立了偏航运动、转子运转和变桨运动的控制方法。根据给定机组的参数，研究了机组偏航运动、转子运转和变桨运动在启动阶段的特性。研究发现：在启动过程中，由于变桨运动、偏航运动和发电机转子旋转同时存在，将产生陀螺效应和惯性力，并施加在运动副上；即使对发电机施加冲击和干扰，控制模型都能够保证风力发电机组稳定运行；由于牵连运动、相对运动和惯性力的影响，转子角速度、偏航运动和变桨运动均不可能做到匀加速或匀减速运动。
关键词：ＭＷ级风力发电机；联合仿真；运动特性；控制模型
中图分类号：ＴＨｌｌ３．１；ＴＨｌ３２．４１文献标识码：Ａ
０引言
近年来，有关风力发电机组系统建模与仿真方面的研究相对较多，但所研究的模型过于简单，或者仅对个别单元进行研究，还停留在初级探索阶段［１“］。有些研究内容专门针对变桨距执行机构开展，研究各种不同变桨机构的驱动方式、风能捕捉能力等［９。１｜，但是没有与风力发电机的运行状态相结合。
实际上，除主传动系统外，风力发电机组还包含变桨机构、偏航机构、塔架、桨叶等装置。在风机运行过程中，特别在启动、变桨和偏航过程中，由于运动机构质量和转动惯量的影响以及风力作用在桨叶上的扭矩和电网施加在发电机上的负载的变化，如何控制风力发电机组，使其稳定运行在工作状态，是一项非常复杂的工作。
本文将根据在Ａｄａｍｓ中建立的ＭＷ级风力发电机组模型，在Ａｄａｍｓ和Ｍａｔｌａｂ之间建立接口，进行联合仿真，研究风力发电机组在启动过程中主传动系统、偏航机构和变桨机构的运动规律，探索风力发电机组的控制方法。
在Ａｄａｍｓ系统中，完成三维几何建模、设置测量参数、选取输入和输出变量后，就可以输出ＭａｔＩａｂ系统可以接受的文件格式。在ＡＤＡＭＳ／ＣｏｎｔｒｏｌｓＰｌａｎｔＥｘｐｏｒｔ设置框中，选取目标软件（Ｍａｔｌａｂ）作为后续联合仿真的控制平台，选取输入和输出变量作为联合仿真的指令传输载体。
１控制方式
在Ａｄａｍｓ中建立的风机三维几何模型为实体模型，包含有相关零部件的几何特征、装配关系、相互作用力关系、材料性能、机械性能、物理性能、力学性能等信息，因此，可以进行运动学分析、静态平衡点分析和动力学分析。
在实际风机系统中，任何零部件的运动都是在某一作用力下发生的，因此，通过作用力参数控制风机中某一零部件的运动最能反映风机的实际工作过程。
如果通过运动参数控制风机的工作过程，则控制精度较高。从理论上来讲，Ａｄａｍｓ会根据运动控制参数的要求，自动在相关零部件上施加适当的作用力，以达到运动参数的要求。但是，如果运动参数设置不当，当存在瞬态速度突变时，将会导致加速度趋于无穷大，瞬态冲击，出现奇异，使仿真过程无法继续进行。
根据以上分析，在风机运动仿真时，采取作用力
收稿日期：２００８－０６－１７
通讯作者：张锁申ｆ（１９６２～），男，教授、博士，主要从事机械系统动力学、系统仿真等方面的研究。ｚｔｍｎｇｓｕｏｈｕａｉ＠２６３．ｎｅｔ
８０太阳能学报３１卷
参数控制和运动控制参数相结合的方法，风轮轮毂运动、发电机转子运动、偏航运动、变桨运动采用作用力参数控制，风速、风向运动采用运动参数控制。１．１发电机控制
根据实际风力发电机的技术参数，可以确定风速与发电机转速、功率的对应关系。因此根据不同的风速，可得到如下技术参数：
１）给定风速下的风能功率（ｋＷ）；
２）计算给定风速下发电机的额定转速（ｄｍｉｎ），再根据齿轮箱传动比计算出风轮轮毂转速，根据风能功率计算出由自然风施加在桨叶上所产生的额定驱动力矩（Ｎ?ｍｒｎ）。该力矩将使轮毂由静止状态开始作加速旋转，使发电机转子开始启动；
３）将发电机的额定转速与发电机启动或运行过程中实际测量得到的转速进行比较，在达到额定转速８０％之前，发电机转子上不施加载荷，属于空载启动方式。
当发电机转速超过额定转速８０％之后，将根据额定转速与实际转速的差值、额定功率与实际功率的差值，通过比例积分（ＰＩ）控制方式，逐渐在发电机转子上施加负载。由于在达到额定转速之前，发电机转子上施加的负载低于额定载荷，因此，发电机转子将做加速运转，直至达到额定转速为止，同时，发电机上施加的负载也达到额定负载，从而达到了发电机的额定功率。
图ｌ是根据风力发电机系统的工作过程、工作原理设计的Ａｄａｍｓ系统和Ｍａｔｌａｂ系统的联合仿真控制原理图的一部分，主要用来控制风力发电机的启动过程、控制负载施加过程、控制速度变化过程，并可以测量得到风力发电机的运行转速、负载大小和功率等参数。
Ｉ１发电机扭矩，＿Ｇａｉｎ发电机ｌ马Ｊ———吨畛二Ｉ速误差Ｐ＿Ｇａｉｎ发电机叫！户发电机Ｈ饭！（Ｎ?Ⅻ）（１０＂／５２８７１）
匕』＿设定风速（ｍ／ｓ）剥零点校正１ｌ—Ｉ屯引Ｊ风速（ｍ／ｓ）ｌ／’桨腊ｉ角（ｄｅｇ）Ｉ／６圃．１、
风速（ｒｎ／ｓ）王印？７．迷ｊ！恻？？数学函
发电机转速（ｒ／ｍｉｎ）（ｕ?１０４７／，２?８，Ｉ）一
８倍负载
≥Ｈ
风速
删喊风赢ｋＷ，榴譬：高％，
风速（ｒｎ／ｓ），风功率（）—Ｘ：：：等’主轴扭矩
叫！ｌ
发电机角速度（ｄｅ自／ｓ）
主轴角速度（ｄ８９／８）
停
变桨角速度（ｄｅｇ／ｓ）
桨叶市距角
（ｄｅｇ）
图１发电机转速控制原理
Ｆｉｇ．１Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｓｐｅｅｄｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ
如图１所示，根据风速计算出发电机的对应转的动态调整值。
速和获取风能的功率，经过齿轮箱传动比和单位转在启动过程中，在发电机转子转速达到额定转换后，得到轮毂或主轴的转速，用功率除以转速，就速８０％之前，在发电机转子上不施加载荷，从而保可得到由风力施加在轮毂或主轴上的扭矩。证空载启动。在控制方法上，使用了测量转速与额由风速得到发电机的转速后，经过单位换算，与定转速的比较模块和开关控制模块。
测量得到的实际转速进行比较，将比较的差值作为１．２偏航控制
比例积分（ＰＩ）控制的依据，由此得到施加在发电机风速与偏航角没有关系，当风向发生变化时，风转子上的扭矩载荷修正值，将该值与发电机额定载力发电机应通过偏航机构驱动机架旋转，及时调整荷扭矩进行比较，得到风机启动或变速过程中扭矩迎风方向。
霎｜一
１期张锁怀等：ＭＷ级风力发电机组联合仿真运动分析
８１
偏航系统的控制方式如图２所示。当风向发生
变化时，将测量得到的实际风向与风力发电机机架的偏航方向角进行比较，将其差值作为比例微分（ＰＤ）控制的依据，并转换为偏航驱动机构的驱动力矩，驱动机架向风向方向旋转。根据控制需要，在风向比较环节中，使用了零值校对方法。
在进一步的仿真过程中，可以将随机风向引入到控制系统中，由随机函数产生随机数，经过比例环节控制后，再作为风向的变化信号。
１．３变桨控制
图１中也包含了变桨系统的控制原理，由输入端参数“风速”、“变桨力”、“油缸速度”及其相关控制方式、输出端测量参数“桨叶节距角”、“变桨角速度”及其相关控制方式等组成。根据风速计算出风机桨叶的桨距角，与实际测量得到的桨距角、零点校正值进行比较，将比较后的结果通过比例、微分、二阶微分和常数控制环节，形成驱动变桨控制油缸的驱动力，使桨叶旋转一定角度，达到、并保持在需要的桨距角位置。
２运动分析
在进行Ａｄａｍｓ与Ｍａｄａｂ联合仿真时，选取了风力发电机组一种状态下的运行参数，以仿真风机由
启动、升速、到稳态运行的全过程，最后达到机组的正常运行状态。
选取的风机仿真运行状态参数为：风速１７ｍ／ｓ，
发电机功率１２５０ｋＷ，桨距角１９。，发电机转子角速度１０５６．４１ｒ／ｒａｉｎ，主轴角速度１９．９８１ｄｒａｉｎ，偏航角（风向
角）１０。。风机的初始状态为静止平衡状态，即所有可以运动的零部件的速度为零，除重力外，所有零部
件的受力大小为零。
仿真计算时间１００ｓ，计算方法采用ｏｄｅｌ５ｓ（ｓｔｉｆｆ／
ＮＤＦ），变步长，相对误差０．００１，最大阶数为５。
发电机转子的运转、偏航运动、变桨运动等通过
施加模拟风力力矩、偏航驱动器作用力矩、变桨驱动油缸作用力来实现。风机启动过程中，通过上述作
用力和作用力矩，同时使发电机转子的转速、偏航角、桨距角向设定的工作状态参数调整、运行。
．网。。Ｒ、
．田
Ｕ
。『司７纠
７Ｉ／７Ｌ一
７［二｜
风速（ｍ／ｓ）
主轴转速（ｒａｄ／ｓ）数学函数
风向
发电机转速（ｒ／ｒａｉｎ）（０．１０４７／５２．８７１）
广７ｉ］
坤ｒ＿］
。Ｒ、
。
。圃
同一心圳，臻礴
７ｌ：：／７
７Ｌ二Ｊ
主轴扭矩
风速（ｎ，／ｓ）
冈－
，
．ｎ］．Ｉ
Ｉ
ｆ
ｒＩ
风向角（ｄｅｇ）
姐芦１
Ｄ．偏航錾．
．偏航—叫＋
Ｉ
－．
墙偏自
冈
扪１．．除＼ｒ＝生￡Ｉ．．．．－Ｊ
—Ｕ
７ｌ＝＝／佣肌驱韧丑怒
零点校正
Ｐ－Ｇａｉｎ‘偏航
ＡｄａＩＩｌｓ子模块
图２偏航控制原理
Ｆｉｇ．２
Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｙａｗｐｒｉｎｃｉｐｌｅ
２．１偏航运动
图３是偏航角随时间的变化规律，图４是偏航
角速度随时间的变化规律。
根据图３，当风机运行到约３０ｓ时，就已经达到
了正常工作所需要的偏航角。当运行到４．５ｓ时，偏航角曲线略有波动，结合图４所示的角速度变化曲线可知，此时，存在速度波动，角速度由下降转变为上升，然后再逐渐下降到零。
根据风机功率曲线（文中未给出）可知，当风机运行到约４．５ｓ时，转子转速达到了设定的加载速
度，此时在转子上施加负载后，转子的角加速度发生
变化，引起主传动系统惯性力的变化，因而，对偏航
运动的速度也产生了明显的影响，转子上的负载使
偏航角速度增加。
根据图２，偏航运动采用的是比例微分（ＰＤ）控
制方法，如果希望改变偏航运动的规律，可以通过调
整比例微分（ＰＤ）控制的增益系数来达到目的。２．２转子运动
图５是风力发电机转子旋转角速度随时间的变化规律。在转子上施加负载前的４．５ｓ内，风力作用
８２太阳能学报３ｌ卷
汐
§
蜊
艘
’皆＿口≥划制世’铲
善ｊ
恻蚓避
图３偏航角变化
图４偏航角速度变化
图５转子角速度变化
Ｆｉｇ．５Ｖａ聊ｎｇＣＯＵ＿ｒ鸵ｏｆｒｏｔｏｒｓｐｅ！ｅｄ
在桨叶上产生的驱动力矩使发电机转子做匀加速运动。当转子转速达到额定转速８０％后，给转子逐渐施加负载，负载大小逐渐增加，方向与风力作用在桨叶上的力矩方向相反，因此，转子的加速度逐渐下降，最后逐渐稳定到系统没定的额定转速，并基本保持不变，也没有出现反复波动。
在启动阶段，发电机转子除绕其几何轴线相对于发电机壳体做相对旋转运动外，由于偏航运动使机架带着发电机、齿轮箱、主轴一起随机架做偏航运动，而发电机转子回转轴线与偏航运动的回转轴线不垂直、也不平行，因此，对发电机主轴来说，相对固定坐标系，存在两个不同的回转运动，一个是相对机架的回转运动，一个是随机架的偏航运动，从而导致陀螺效应的产生，使得发电机转子在垂直于其回转方向的角速度不为零。
图６是垂直于发电机转子回转轴线方向的转子角加速度随时间的变化规律，表明在启动阶段，由于陀螺效应产生的陀螺力矩的影响，转子的角加速度做周期性变化，因此，也就导致其横向角速度做周期性变化，引起附加力矩。
多
铲
鼍
瑙
型
罨
图６转子横向角加速度
Ｆ培．６Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ粕础ｒａｃｅｌｅｒａｄｏｎｏｆｔｈｅｒｏｔｏｒ以上分析表明，在偏航运动、变桨运动和转子启动过程中，尽管存在陀螺效应，并产生陀螺力矩，导致转子的速度波动，但是，转子转速、角加速度趋于稳定，并保持不变，说明系统是稳定的，采用的启动控制方法是正确的，能够保证系统稳定启动和运行。２．３变桨运动
由图１可知，变桨运动采用了比例、微分、二阶微分和常数控制方法，图７是变桨机构驱动桨叶盘旋转时桨距角随时间的变化规律。变桨运动通过控制油缸、或安全油缸驱动桨叶盘旋转以达到变桨目的，变桨调节架沿平行于主轴的导杆滑动，主轴轴线与地面存在一定的倾角，因此，在重力作用下，变桨调节架会沿着导杆向主轴方向滑动，从而带动桨叶盘旋转，也就是说，在重力作用下，如果没有施加油缸的作用力与重力平衡，会出现不希望的变桨运动。
从风机的结构来看，３个桨叶盘分别安装在轮毂的３个轴承内圈上，桨叶安装在桨叶盘上，变桨调节架安装在导杆上，导杆固定在轮毂上。当油缸推动连杆机构驱动变桨调节架、或桨叶盘相对轮毂运
１期张锁怀等：ＭＷ级风力发电机组联合仿真运动分析
动时，轮毂同时随主轴～起旋转，而主轴又随机架一起做偏航运动，因此，变桨机构的运动状态十分复杂，在运转过程中，存在陀螺效应产生的惯性力，也存在质量偏心产生的惯性力，既有相对运动，又存在牵连运动，所以，偏航运动和主轴运动的速度、加速度变化都会导致变桨机构运动状态的变化，引起变桨运动的速度和加速度发生变化。当作用在偏航机构或主轴、发电机转子上的作用力发生变化时，引起相关机构的加速度和速度变化，间接导致变桨系统的速度和加速度也发生变化。
图７桨距角变化
Ｆ喀．７Ｖａｒｙｉｎｇ涨ｏｆｂｌａｄｅａｎｇｌｅ
由图７可知，在运行启动过程的前４．５ｓ，在控制油缸作用力、重力和惯性力的作用下，桨距角快速增加。到达４．５ｓ，在发电机转子上施加载荷后，由于发电机转子的角加速度发生变化，因而作用在变桨机构中的惯性力也随之发生变化，桨距角开始减小，最终稳定在约１８．５。。
图８是变桨盘相对于轮毂、绕其回转轴线方向的旋转角速度。该图表明，在变桨过程中，在重力、油缸作用力和惯性力的作用下，先做加速运动，然后做减速运动。由于桨叶、桨叶盘、变桨机构的质量和
’
莒
≥
魁
嘲
征
图８桨叶盘角速度变化
Ｆｉｇ．８Ｖａｒｙｉｎｇｃｏｕｒｓｅｏｆｂｌａｄｅｐｌａｔｅｓ供捌转动惯量非常大，在变桨过程中，出现了反向旋转，最后变桨速度趋于零，从而保证了桨距角稳定在设定值，在干扰因素的作用下，也保持不变，说明变桨系统的稳定性可以满足实际系统的工作需要。
图９是变桨盘相对于轮毂、绕其回转轴线方向的角加速度随时间的变化规律，为了清楚地显示启动初始阶段角加速度的变化情况，这里只截取了１０ｓ时间历程。可以看出，在４．５ｓ前，桨叶盘的角加速度已经趋于零，但是，当在发电机转子上施加载荷后，又导致桨叶盘的角加速度产生振荡，最终还是趋于零，这也说明转子负载、转速对变桨机构的运动状态的影响非常大。
艺
皆
香
ｊ
越
嘲
景
摆
２
１
Ｏ
一１
－２
—～Ｌ
０５１０
时间ｔ／ｓ
图９桨叶盘角速度变化
Ｆｉｇ．９ｗｙｉ．ｇ咖啪ｏｆｂｌａｄｅ
ｐｌａｔｅ锄汕ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ图１０是桨叶或桨叶盘绕垂直于其回转轴线方向某一坐标轴的旋转速度（横向摆动角速度），虽然变桨机构处于相对坐标系中，但是，在偏航运动、主轴运动和各种惯性力的作用下，出现了周期性横向摆动现象，这是不希望出现的运动，对风力发电机的运行是有害的，在运动副之间会导致周期性附加作用力，引起振动，导致运动副之间相互作用力增加，降低了构件的强度。
暑
皆
寻
魁
鬟
图１０桨叶盘横摆角速度
Ｆｉｇ．１０Ｖａｒｙｉ，１９
ｃ叫ｒｓｅｏｆｈ衄ｓｖｅｒｓｅｓｐｅｅｄｏｆｔｈｅｂｌａｄｅｐ：‰
太阳能学报３１卷
图１１是变桨架相对于轮毂的位移随时间的变
化规律，也间接反映了桨距角的变化规律，与图７具
有相似性，也表明在变桨过程中，变桨调节架存在来
回振荡现象。
§
静
毯
图１１变桨架位移变化
Ｆｉｇ．１１Ｒｅｌａｔｉｖｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｐｉｔｃｈａｄｊｕｓｔｍｅｎｔｆｒａｍｅ
图１２是变桨架相对轮毂的速度随时间的变化
规律，与图８所示的桨叶盘的角速度变化规律相似。
同样地，由于相对运动和惯性力的影响，变桨机构在
垂直于变桨架运动方向的周期性速度变化也是非常
明显的，如图１３所示。
’
旦
鑫
甥ｉ！
图１２变桨架速度变化
图１３变桨架横向速度变化
Ｆｉｇ．１３Ｔｍｍｖｅｒｓｅｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆｔｈｅｐｉｔｃｈａｄｊｕｓｔ腿ｎｔｆｒａｍｅ
这也表明，陀螺效应、质量偏心、相对运动、牵连
运动等因素导致的周期性速度波动存在于整个变桨
机构的每一个运动副中，速度波动必然伴随着加速
度的波动，必然会在运动副中出现交变的附加作用
力，使相关零部件承受交变载荷，出现交变应力，产
生疲劳破坏问题。
图１４是变桨架沿其变桨运动方向的加速度随
时间的变化规律。为了清楚地表达在变桨调节架主
运动方向上的加速度变化情况，在图１４中，只截取
了１５ｓ的加速度时间历程。可以看出，在初始启动
过程中，加速度波动相当大，然后慢慢趋于稳定。当
４．５ｓ在转子上施加负载后，又出现加速度波动，波动
幅值小于初始状态的加速度波动。
％
薹
≥
魁
ｊＩｉｆＩ
景
图１４变桨架加速度变化
Ｆｉｇ．１４Ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐｉｔｃｈａｄｊｕｓｔｍｅｎｔｆｒａｍｅ
进一步分析可知，在垂直于变桨架运动方向上，
虽然也存在加速度波动（文中未给出），但其波动幅
值远小于变桨运动方向的波动幅值，所以，陀螺效
应、质量偏心、相对运动、牵连运动等因素导致的周
期性附加作用力对变桨机构的影响主要体现在变桨
调节架的主运动方向上，也就是变桨调节架相对轮
毂导杆的相对运动方向上，最终反映为油缸活塞相
对于油缸体的相对运动速度和加速度的波动，也就
是液压系统的压力波动，这种波动对液压系统的稳
定运行是不利的。
３结论
１）在启动过程或非稳态运行状态，由于变桨运
动、偏航运动和发电机转子运转同时存在，将在具有
复合运动的零部件上产生陀螺效应，又由于质量偏
心的影响，惯性力对各个运动副的作用力和作用力
矩有明显影响；
２）在启动过程中对发电机施加冲击和干扰，该
１期张锁怀等：ＭＷ级风力发电机组联合仿真运动分析
风力发电机的运行状态、控制过程都能够顺利地收敛到稳定状态，不会出现发散，可以满足风力发电机组的运行要求；
３）在启动过程中，由于牵连运动、相对运动和惯性力的影响，转子角速度、偏航运动和变桨运动都不可能做到匀加速或匀减速运动，因此，在风力发电机启动过程中存在一定的冲击。为了避免较大冲击，应控制风机启动的速度或加速度。
［参考文献］
［１］李晶，王伟胜，宋家骅．变速恒频风力发电机组建模与仿真［Ｊ］．电网技术，２００３，２７（９）：１４＿１７．
［２］蔺红，晁勤．并网型风力发电机的建模与仿真［盯．可再生能源，２００６，（４）：６３—６５．
［３］李晶，王伟胜，宋家骅．大型变速恒频风力发电机组建模与仿真［Ｊ］．中国电机工程学报，２００４，２４（６）：
１００—１０１５．
［４］侯书红，蔺红，晁勤，等．风力发电机的建模与仿真［Ｊ］．新疆工业学院学报，２０００，２１（３）：２０８—２１２．［５］汤宏，吴俊玲，周双喜．包含风电场电力系统的小干扰稳定性分析建模和仿真［Ｊ］．电网技术，２００４，２８（１）：３８—－４１．
［６］樊艳芳，晁勤．风力异步发电机的建模与仿真［Ｊ］．计算机仿真，２００２，１９（５）：５６—５８．
［７］樊艳芳，晁勤，王一波．基于Ｍａｔｌａｂ的布尔津风电系统静态稳定分析［Ｊ］．新疆大学学报（自然科学版），
２００３，２０（３）：３０１－－３０４．
［８］王纯琦，吐尔逊?依布拉音，晁勤．基于Ｍａｔｌａｂ的含风电电网建模与仿真［Ｊ］．可再生能源，２００６，（５）：
６ｌ叫．
［９］林勇刚，李伟，叶杭冶，等．变速恒频风力机变桨距控制系统［Ｊ］．农业机械学报，２００４，３５（４）：１１卜１１４．［１０］刘光德，邢作霞，李科，等．风力发电机组电动变桨距系统的研究［Ｊ］．电机与控制应用，２００６，３３（１０）：
３１—３４．
［１１］李强，姚兴佳，陈雷．兆瓦级风电机组变桨距机构分析［Ｊ］．沈阳工业大学学报，２００４，２６（２）：１４６—１４８．
ＴＨＥＫ眦ＴＩＣＡＮＡＩ。ＹＳＩＳｏＦＭＷＧＲＡＤＥⅥ咖ＴＵＲＢＩＮＥ
ＢＹⅣⅡ－州ＳｏＦＵＮＩＯＮＳＤ小Ⅱ，ＡＴＩＯＮ
ＺｈａｎｇＳｕｏｈｕａｉｌ，ＷａｎｇＫａｉｚｈｕａｎｌ，ＺｈａｎｇＱｉｎｇｌｅｉ２
（１．Ｓｃｈｏｏｌ旷ＭｅｄｕｍｉａｒｌａＭＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＥｎｇｉ毗，ＳｈａｎｇｈａｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆ死幽蝴，Ｓｈａｎｇｈａ／２００２３５，Ｏｒ／ｈａ；
２．ＣｅｎｔｒａｌＡｃａｄｅｍｅ，ＳｈａｎｇｈａｉＥｌｅｃｔｒｉｃ蛳Ｃｏ．，ｌａｄ，硒鲫跏面２０００２３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｍｏｄｅｌｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｉｎＡｄａｍｓｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｎｄｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｂｅｔｗｅｅｎＡｄａｍｓａｎｄＭａｔ—ｌａｂ，ｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓｏｆｙａｗｉｎｇｍｏｔｉｏｎ，ｒｏｔｏｒｍｏｔｉｏｎａｎｄｂｌａｄｅｍｏｔｉｏｎａｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄｉｎＭａｔｌａｂｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ａｃ－ｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
ｏｆａＭＷｇｒａｄｅｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ，ｔｈｅｋｉｎｅｔｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｙａｗｉｎｇｍｏｔｉｏｎ，ｒｏｔｏｒｍｏｔｉｏｎａｎｄｂｌａｄｅｍｏｔｉｏｎａｒｅｒｅｓｅａｒｃｈｅｄｗｈｅｎｔｈｅｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｂｅｇｉｎｓｔｏｗｏｒｋ．Ｉｎｔｈｅｓｔａｒｔｉｎｇｐｅｒｉｏｄｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ，ｂｅｃａｕｓｅｔｈｅｂｌａｄｅｍｏｔｉｏｎ，ｙａｗｉｎｇｍｏｔｉｏｎａｎｄｒｏｔｏｒｍｏｔｉｏｎｃｏｅｘｉｓｔ，ｇｙｒｏｉｄａｌｅｆｆｅｃｔｉｓｐｒｏｄｕｃｅｄａｎｄｉｎｅｒｔｉａｆｏｒｃｅｏｒｔｏｒｑｕｅｉｓａｐｐｌｉｅｄｏｎｔｈｅｋｉｎｅｔｉｃＤａｉ璐．Ｅｖｅｎｔｈｏｕｇｈｔｈｅｌｏａｄｓｉｍｐｕｌｓｉｏｎａｎｄｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅａｒｅａｐｐｌｉｅｄｏｎｔｈｅｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ，ｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｍｅｔｈ－ｏｄｓＣａｎｍａｋｅｔｈｅｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｔｏｓｔａｂｌｅｓｔａｔｅ．Ｉｎｔｈｅｓｔａｒｔｉｎｇｐｅｒｉｏｄｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ，ｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｉｍｐｌｉｃａ－ｔｉｒｅｍｏｔｉｏｎ，ｒｃｌｍｉｖｅｍｏｔｉｏｎａｎｄｉｎｅｒｔｉａｆｏｒｃｅｏｒｔｏｒｑｕｅｏｎｔｈｅｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ，ｔｈｅｒｏｔｏｒａｎｇｕｌａｒｓｐｅ捌，ｙａｗｉｎｇａｎｇｕｌａｒｓｐｅｅｄａｎｄｂｌａｄｅｍｏｔｉｏｎＣａｎｎｏｔｂｅｃｈａｎｇｅｄｕｎｉｆｏｒｍｌｙ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＭＷ簿ａｄｅｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ；ｕｎｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｍｏｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ；ｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄ
MW级风力发电机组联合仿真运动分析
作者：张锁怀， 王开专， 张青雷， Zhang Suohuai， Wang Kaizhuan， Zhang Qinglei
作者单位：张锁怀,王开专,Zhang Suohuai,Wang Kaizhuan(上海应用技术学院机械与自动化工程学院,上海,200235)， 张青雷,Zhang Qinglei(上海电气集团股份有限公司中央研究院,上海
,200023)
刊名：
太阳能学报
英文刊名：ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICA
年，卷(期)：2010，31(1)
被引用次数：0次
参考文献(11条)
1.李晶.王伟胜.宋家骅变速恒频风力发电机组建模与仿真[期刊论文]-电网技术 2003(9)
2.蔺红.晁勤并网型风力发电机的建模与仿真[期刊论文]-可再生能源 2006(4)
3.李晶.宋家骅.王伟胜大型变速恒频风力发电机组建模与仿真[期刊论文]-中国电机工程学报 2004(6)
4.侯书红.蔺红.晁勤风力发电机的建模与仿真 2000(3)
5.汤宏.吴俊玲.周双喜包含风电场电力系统的小干扰稳定分析建模和仿真[期刊论文]-电网技术 2004(1)
6.樊艳芳.晁勤风力异步发电机的建模与仿真[期刊论文]-计算机仿真 2002(5)
7.樊艳芳.晁勤.王一波基于MATLAB的布尔津风电系统静态稳定分析[期刊论文]-新疆大学学报(自然科学版)
2003(3)
8.王纯琦.吐尔逊·依布拉音.晁勤基于Matlab的含风电电网建模与仿真[期刊论文]-可再生能源 2006(5)
9.林勇刚.李伟.叶杭冶.邱敏秀.金波.刘湘琪变速恒频风力机组变桨距控制系统[期刊论文]-农业机械学报
2004(4)
10.刘光德.邢作霞.李科.姚兴佳风力发电机组电动变桨距系统的研究[期刊论文]-电机与控制应用 2006(10)
11.李强.姚兴佳.陈雷兆瓦级风电机组变桨距机构分析[期刊论文]-沈阳工业大学学报 2004(2)
相似文献(2条)
1.期刊论文张锁怀.陈杨.张青雷.ZHANG Suo-huai.CHEN Yang.ZHANG Qing-lei MW级风力发电机组的三维建模-机
械设计与制造2009,""(4)
为了实现MW级风力发电机组的机电联合仿真,根据风电机组的结构特征和传动关系,在对机架、发电机、齿轮箱、轮毂、变桨调节架和塔架等进行简化后,建立了MW级风力发电机组的三维几何模型.在该模型中,风力发电机的传动链、装配关系、几何特征和质量特性保持不变.与原始机纽相比,该模型明显简化,因此,可以方便地用于风力发电机的工作过程仿真.
2.学位论文张文礼MW级风力发电机锥简型塔架的研究2009
本论文建立了风力机塔架的有限元模型，利用该模型对塔架底面的应力分布规律进行了研究；在ADAMS和ANSYS中建立了整个风力发电机的动力学模型，利用该模型研究了风力发电机塔架的振动响应和动特性；同时，在ADAMS和MATLAB中建立了风力发电机的联合仿真模型，利用该模型研究了风剪切对风力机塔架振动的影响。最后，对ANSYS进行了二次开发，开发了一套MW级风力发电机锥筒型塔架的强度分析软件。
首先，本文在考虑了风速变化和变桨引起的风力机塔架上方各部件重心变化的基础上，利用ANSYS二次开发技术，建立适合多种功率的风力发电机塔架模型结构，研究了塔架在不同风速模型、不同重心位置和在暴风速工况下，塔架结构底面上的应力分布规律。研究发现，塔架结构的最大应力点位置变化较小，塔架上方各部件重心的变化对塔架最大应力值影响较小。最后，利用ANSYS研究了塔架的固有频率和振型，并提出一些隔振措施。
然后，在SolidWorks软件中按照风力发电机各部件的实际尺寸大小和实际装配位置完成了风力发电机的装配。需要指出的是，在这个装配体模型中，只有一个叶片不是按照实际位置安装，存在误差，将其导入到ADAMS中，为每个构件添加材料特性，并按照实际工况添加约束，最后把塔架模态中性文件导入到ADAMS中，将刚性塔架替换为柔性塔架，从而建立了整个风力发电机的动力学模型，通过这个模型研究了塔架的不平衡质量响应以及动特性。
按照上述建模方法建立了风力发电机的动力学模型，在这个模型中，三叶片对称安装，且每个叶片被分为四段。采用片条理论建立了风力机的气动性能计算模型，利用MATLAB/Simulink的S函数模块去计算风力机的气动性能，然后将MATLAB/Simulink得到的空气动力学数据参数传递给ADAMS模型中的气动载荷，而ADAMS结构动力学模型又把叶片质心的瞬时高度和风轮的瞬时转速输入到Simulink模型中。通过ADAMS和MATLAB/Simulink的联合仿真模型，研究了风剪切对风力机塔架振动的影响。
文章的最后，根据实际使用需要，利用ANSYS内部提供的二次开发工具APDL和UIDL，开发出了研究塔架强度的分析软件，该软件具有菜单式操作界面、参数化数据输入方式以及人机对话功能。塔架结构参数通过菜单输入后，由软件自动生成塔架总体结构；网格划分不需要选择单元类型，直接确认就可以完成，因此，有效地提高了塔架设计的效率和质量，充分体现了专业化、用户化和便捷化的特点。
授权使用：燕山大学(ysdx)，授权号：050b3d67-428f-4314-a9b9-9e4c00bbd101
下载时间：2010年12月14日