基于在线式联合仿真的风电机组传动链虚拟地面试验方法技术

一种基于在线式联合仿真的风电机组传动链虚拟地面试验方法，该方法首先建立风电机组传动链地面试验系统虚拟仿真模型，进一步建立包含风速模型、机组状态及电网条件的单一或组合虚拟地面试验工况，并在传动链地面试验系统虚拟模型相应位置进行工况输入，最后进行传动链虚拟地面试验仿真分析，基于仿真结果对传动链载荷特性与动态响应特性、以及试验平台模拟控制特性等进行分析评估。

【技术实现步骤摘要】
基于在线式联合仿真的风电机组传动链虚拟地面试验方法
本专利技术涉及一种风电机组传动链虚拟地面试验方法。
技术介绍
风电机组传动链主要由主轴、齿轮箱、发电机、变流器等组成，是机组的核心部分。随着风电技术的快速发展，风电机组大型化已成未来趋势。大功率风电机组运行环境复杂恶劣，运维难度大，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，快速有效地对新技术、新产品进行试验验证，及早发现设计问题及安全隐患，降低技术风险，减少产品开发费用，缩短研发周期，提高传动链质量与可靠性。传动链虚拟地面试验是支撑和辅助传动链地面试验的有效手段，通过建立准确的传动链地面试验系统数字仿真模型，开展不同试验工况下的虚拟仿真分析，获得被试传动链的全动态特性，为实际开展的地面试验结果提供有效的仿真对照和验证，同时也可为地面试验系统模拟控制策略和试验方法的研究提供了较好的前期验证，指导相关控制策略和试验方法的优化改进，确保地面本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于在线式联合仿真的风电机组传动链虚拟地面试验方法，其特征在于：所述的虚拟地面试验方法首先建立风电机组传动链地面试验系统虚拟仿真模型，进一步建立包含风速模型、机组状态及电网条件的组合虚拟地面试验工况，并在传动链地面试验系统虚拟模型相应位置进行工况输入，最后进行传动链虚拟地面试验仿真分析，基于仿真结果对传动链载荷特性与动态响应特性、以及试验平台模拟控制特性等进行分析评估。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于在线式联合仿真的风电机组传动链虚拟地面试验方法，其特征在于：所述的虚拟地面试验方法首先建立风电机组传动链地面试验系统虚拟仿真模型，进一步建立包含风速模型、机组状态及电网条件的组合虚拟地面试验工况，并在传动链地面试验系统虚拟模型相应位置进行工况输入，最后进行传动链虚拟地面试验仿真分析，基于仿真结果对传动链载荷特性与动态响应特性、以及试验平台模拟控制特性等进行分析评估。


2.按照权利要求1所述的风电机组传动链虚拟地面试验方法，其特征在于：所述的风电机组传动链地面试验系统虚拟仿真模型由传动链地面试验系统动力学模型和传动链地面试验系统模拟控制模型两部分组成；其中，传动链地面试验系统动力学模型用于分析被试传动链在不同试验工况下的动态特性；传动链地面试验系统模拟控制模型主要用于模拟地面试验工况，以及对被试传动链进行控制；动力学模型与模拟控制模型之间通过变量进行交互，交互的变量包括：试验平台加载扭矩T*或加载转速n、试验平台五自由度非扭矩加载载荷分量FAp、被试机组传动链中发电机电磁转矩Te与角速度ωg。


3.按照权利要求2所述的风电机组传动链虚拟地面试验方法，其特征在于：所述的传动链地面试验系统动力学模型采用带拉格朗日乘子的第一类拉格朗日方程建立；动力学模型的主要部件包括：拖动电机，五自由度非扭矩加载装置，主轴、齿轮箱、发电机这类被试传动链部件，以及各连接部件；动力学方程为：



式中，qr为各部件的广义坐标，选各部件质心笛卡尔坐标系和反映部件方位的欧拉角作为广义坐标，即xr,yr,zr为部件质心笛卡尔坐标，ψr,θr,为反映部件方位的欧拉角，T为矩阵转置符号；L为系统广义坐标表达的动能；t为时间变量；Qr为在广义坐标qr方向的广义力，包含加载扭矩T*、加载载荷分量FAp、齿轮啮合力、弹性力、发电机电磁转矩Te；动力学方程的最后一项是约束函数和拉格朗日乘子λs在广义坐标qr方向的约束反力，其中s为拉格朗日乘子序号，k为拉格朗日乘子个数；求解系统动力学方程能够获得被试传动链动态响应，其中包括发电机角速度ωg。


4.按照权利要求2所述的风电机组传动链虚拟地面试验方法，其特征在于：所述的传动链地面试验系统模拟控制模型包括：被试风电机组载荷计算模型与电气控制模型，以及试验平台风力机模拟控制模型、五自由度非扭矩模拟控制模型和电网模拟控制模型；其中，被试风电机组载荷计算模型主要用于计算被试机组传动链扭矩载荷T以及五自由度非扭矩载荷Fx,Fy,Fz,My,Mz；电气控制模型主要通过交互电磁转矩变量Te的形式为传动链地面试验系统动力学模型提供转矩控制，以及通过交互桨距角变量β的形式为载荷计算模型提供变桨控制；试验平台风力机模拟控制模型和五自由度模拟控制模型分别用于将被试机组传动链扭矩载荷T以及五自由度非扭矩载荷Fx,Fy,Fz,My,Mz模拟成试验平台加载扭矩T*或加载转速n，以及加载载荷分量FAp；电网模拟器控制模型用以模拟试验平台接入的各种电网状态，包括正常电网状态和故障电网状态。


5.按照权利要求4所述的风电机组传动链虚拟地面试验方法，其特征在于：被试机组载荷计算模型基于叶素-动量理论和凯恩(Kane)方法建立；其中，被试机组第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；Nxi，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；
根据机组运动响应，将3个叶片上的气动力和气动力矩向轮毂坐标系进行转换与合成，同时考虑轮毂重力载荷、叶轮离心力载荷作用，最终获得传动链主轴六自由度载荷T,Fx,Fy,Fz,My,Mz，T为传动链扭矩载荷，Fx为传动链轴向推力载荷，Fy和Fz为传动链径向力载荷，My和Mz为传动链弯矩载荷。


6.按照权利要求4所述的风电机组传动链虚拟地面试验方法，其特征在于：所述的被试机组电气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：
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【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