基于虚拟仿真的风电机组传动链地面试验工况建立方法技术

一种基于虚拟仿真的风电机组传动链地面试验工况建立方法，该方法首先进行被试风电机组载荷计算，并对传动链上六自由度载荷进行提取和转换。进一步的，建立传动链地面试验平台刚柔耦合动力学模型，将提取和转换后的传动链六自由度载荷作为传动链地面试验平台动力学模型的外部载荷输入。最后，进行传动链虚拟地面试验仿真，基于仿真结果，分析不同外部载荷对传动链系统及其关键部件动力学特性的影响机理，并以此建立地面试验工况。

【技术实现步骤摘要】
基于虚拟仿真的风电机组传动链地面试验工况建立方法
本专利技术涉及一种风电机组传动链地面试验工况建立方法。
技术介绍
风电机组传动链主要由主轴、齿轮箱、发电机等组成，是机组的核心部分。近年来，大功率机组快速发展，大功率风电机组运行环境复杂恶劣，为确保其稳定可靠的运行，对机组尤其是传动链部分的试验工作提出了越来越高的要求。近年来，传动链地面试验受到国内外广泛重视和依赖，通过开展地面试验，可以为风电机组研发设计及性能评价提供可控的试验环境，及早发现设计问题及安全隐患，降低技术风险，缩短研发周期，提高传动链质量与可靠性。开展传动链地面试验之前，需要针对试验内容和试验对象建立合理有效的地面试验工况，以实现高效、安全的试验工况模拟与加载，并获得预期的试验结果。由于传动链运行工况复杂，需要探明不同运行工况对传动链及其关键部件动力学特性的影响机理，以对地面试验工况建立提供有效的理论支撑与指导。近年来，国内在风电机组地面试验工况建立方法方面已开展了相关研究。如李国云(李国云，秦大同.风力发电齿轮箱加速疲劳试验技术分析[J].重庆大学学报.2009本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于虚拟仿真的风电机组传动链地面试验工况建立方法，其特征在于：所述的地面试验工况建立方法首先计算被试风电机组载荷，并对传动链上六自由度载荷进行提取和转换；进一步，建立传动链地面试验平台刚柔耦合动力学模型，将提取和转换后的传动链六自由度载荷作为传动链地面试验平台动力学模型的外部载荷输入；最后，进行传动链虚拟地面试验仿真，基于仿真结果，分析不同外部载荷对传动链系统及其关键部件动力学特性的影响机理，并以此建立地面试验工况。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于虚拟仿真的风电机组传动链地面试验工况建立方法，其特征在于：所述的地面试验工况建立方法首先计算被试风电机组载荷，并对传动链上六自由度载荷进行提取和转换；进一步，建立传动链地面试验平台刚柔耦合动力学模型，将提取和转换后的传动链六自由度载荷作为传动链地面试验平台动力学模型的外部载荷输入；最后，进行传动链虚拟地面试验仿真，基于仿真结果，分析不同外部载荷对传动链系统及其关键部件动力学特性的影响机理，并以此建立地面试验工况。


2.按照权利要求1所述的风电机组传动链地面试验工况建立方法，其特征在于：所述的风电机组载荷计算与载荷提取转换首先建立风电机组整机仿真模型，仿真模型由气动模型、机组动力学模型、以及电气与控制模型组成；其中，气动模型用于计算被试机组气动载荷，作为机组动力学模型的前端输入；机组动力学模型由叶轮、塔架、传动链等部件组成，用于传动链运动特性与载荷特性仿真，并将传动链高速端角速度ωg输出至电气与控制模型中；电气与控制模型通过反馈桨距角β和电磁转矩Te对机组进行变桨控制与发电机转矩控制。


3.按照权利要求2所述的风电机组传动链地面试验工况建立方法，其特征在于：所述的风电机组气动模型基于叶素-动量理论建立，第i个叶片上的气动力与气动力矩为：












式中，Fxi，Fyi为第i个叶片上沿叶片旋转坐标系X，Y轴的气动力，叶片旋转坐标系X轴沿风轮旋转轴方向，Z轴沿叶片桨距轴方向指向翼尖，Y轴由右手法则确定；Mxi，Myi分别为第i个叶片上沿叶片旋转坐标系X，Y轴的气动力矩；r为叶根半径，R为叶轮半径；ρ为空气密度；W为合成风速；Cl和Cd分别为叶片的升力系数和阻力系数，Cl和Cd数值大小与桨距角变量β有关；为叶片升力角；l为翼型弦长，r1为积分变量。


4.按照权利要求2所述的风电机组传动链地面试验工况建立方法，其特征在于：所述的机组动力学模型基于凯恩(kane)方法建立，包括：叶轮、塔架、传动链，采用假设模态法进行叶片和塔架等柔性部件自由度缩减和弹性形变计算；机组整机自由度设定为15，定义15个广义坐标q1，q2，…，q15及广义速率u1，u2…，u15描述机组运动，广义速率为广义坐标导数的线性组合；建立整机动力学方程如下：
Fa+Fa*＝0，a＝1，2，...，15
式中，Fa和Fa*是各广义速率对应的广义主动力和广义惯性力，a为广义主动力和广义惯性力序号；
广义主动力Fa和广义惯性力Fa的具体表达式为：






式中，p为机组的部件数量；i为部件序号；Fi和Ti分别为作用在第i个部件上的主动力与力矩，包括：重力、气动力、弹性力、扭矩；va(q，t)i和ωa(q，t)i分别是部件在参考坐标系中的第i个偏速度和偏角速度，由广义速率ur求得；F*i和T*i分别为作用在第i个部件上的惯性力和惯性力矩；
求解系统动力学方程能够获得机组载荷与运动响应，其中包括传动链主轴扭矩载荷T，传动链轴向推力载荷Fx，传动链径向力载荷Fy和Fz，传动链弯矩载荷My和Mz，以及发电机角速度ωg。


5.按照权利要求2所述的风电机组传动链地面试验工况建立方法，其特征在于：所述的被试机组电气与控制模型包括发电机转矩控制模型和变桨控制模型；其中，发电机转矩控制根据转速-转矩曲线进行电磁转矩给定，当发电机转速未达到额定转速时，发电机电磁转矩给定值Te为：



式中，ρ为空气密度；R为叶轮半径；G为齿轮箱传动比；CPmax为最大功率因数；λopt为最优叶尖速比；ωg为发电机转速；
当发电机转速达到额定转速时，通过调节桨距角，保持转矩与转速恒定，此时，发电机电磁转矩给定值Te为：
Te＝Trate
式中，Trate为被试机组发电机额定转矩。


6.按照权利要求2所述的风电机组传动链地面试验工况建立方法，其特征在于：机组变桨距控制采用PI控制策略，PI控制输出的桨距角指令发送至变桨距系统，以执行变桨距动作，变桨距系统动态特性采用带延时的一阶系统表示：



式中，β*为桨距角给定；β为桨距角实际值；τβ为变桨机构时间常数；TD为总延时时间；e为自然对数的底数；s为复变量。


7.按照权利要求1所述的风电机组传动链地面试验工况建立方法，其特征在于：所述的风电机组载荷计算与载荷提取基于风电机组整机仿真模型进行；载荷计算工况根据TheInternationalElectrotechnicalCommission61400-1标准(Edition4.02019-02)定义，同时参考被试机组运行场地实测风速，以对风切变、湍流强度等风速参数进行修正；全部工况下的载荷计算结束后，提取传动链上六自由度极限载荷与疲劳载荷谱，以及机组启动、停机、电网掉电、电网故障等关键运行状态下传动链六自由度载荷谱；将六自由度疲劳载荷谱进行雨流计数获得载荷-频次统...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋斌，胡书举，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11