基于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動鏈扭轉(zhuǎn)頻率的研究與應(yīng)用

蘭杰，林淑，宋聚眾

（東方電氣風(fēng)電有限公司，四川德陽，618000）

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基于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動鏈扭轉(zhuǎn)頻率的研究與應(yīng)用

蘭杰，林淑，宋聚眾

（東方電氣風(fēng)電有限公司，四川德陽，618000）

摘要：為了準(zhǔn)確地分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動鏈扭轉(zhuǎn)頻率，考慮風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)之間傳動軸扭轉(zhuǎn)柔性的作用，通過等效的兩質(zhì)量塊模型，建立了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動鏈數(shù)學(xué)模型，結(jié)合模態(tài)分析法，計(jì)算出了該模型的2個(gè)模態(tài)頻率，并通過實(shí)際物理意義，獲得了表征傳動鏈扭轉(zhuǎn)頻率的計(jì)算公式。并以FD70B風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)為例，將所得計(jì)算公式應(yīng)用到實(shí)際測量數(shù)據(jù)中，分析出實(shí)際傳動鏈扭轉(zhuǎn)頻率，并依據(jù)傳動鏈扭轉(zhuǎn)頻率計(jì)算公式來指導(dǎo)模型參數(shù)校正，更好地為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，傳動鏈，扭轉(zhuǎn)頻率，參數(shù)校正

0　引言

隨著風(fēng)能利用率要求的不斷提高，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)、控制方式也提出了新的要求［1］。風(fēng)力發(fā)電其實(shí)質(zhì)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能再進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成電能的過程。由風(fēng)輪到發(fā)電機(jī)構(gòu)成了整個(gè)風(fēng)機(jī)的傳動鏈，因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求高，所以動態(tài)性能的好壞也將直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能和傳動效率，研究傳動鏈頻率問題對將來設(shè)計(jì)更大的機(jī)型具有重要意義和工程價(jià)值。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的傳動鏈在傳動過程中會產(chǎn)生較大振動、噪聲和動載荷，對整機(jī)的穩(wěn)定性、可靠性和壽命有較大影響，因而對傳動鏈的動態(tài)特性提出了更高的要求［2］。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪直徑不斷增大，傳動鏈的柔性不斷增加，傳動鏈扭轉(zhuǎn)頻率對系統(tǒng)控制的影響也越來越大，開展傳動系統(tǒng)的分析具有重大工程實(shí)用價(jià)值［3］。然而，對現(xiàn)有文獻(xiàn)分析發(fā)現(xiàn)，僅從發(fā)電機(jī)本體的數(shù)學(xué)模型、控制策略進(jìn)行研究的居多［4-5］，對風(fēng)機(jī)傳動系統(tǒng)動態(tài)特性的研究分析卻很少，當(dāng)前主要有2種：（1）基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)辨識建立模型的方法；（2）基于機(jī)理建模的方法。文獻(xiàn)［6］使用前者建立傳動系統(tǒng)的動態(tài)模型，因風(fēng)力發(fā)電機(jī)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較難獲取及應(yīng)用范圍比較窄而很少應(yīng)用。文獻(xiàn)［7］視主軸為柔性軸，構(gòu)造了柔性軸動力學(xué)模型。此方法可用于中小型風(fēng)力機(jī)傳動系統(tǒng)，對兆瓦級風(fēng)力機(jī)而言，其會造成很大的誤差。即便如此，針對傳動鏈，如何通過實(shí)際測量數(shù)據(jù)，修正理論模型，并優(yōu)化控制也亟待深入研究。鑒于此，本文采用等效集中質(zhì)量模型方法，對風(fēng)機(jī)傳動鏈的頻率進(jìn)行了研究，建立起了傳動鏈的數(shù)學(xué)模型，獲得了表征傳動鏈扭轉(zhuǎn)頻率的計(jì)算公式，并以FD70B風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為例，將其應(yīng)用到實(shí)際測量數(shù)據(jù)中，分析出實(shí)際傳動鏈扭轉(zhuǎn)頻率，依據(jù)推導(dǎo)的傳動鏈扭轉(zhuǎn)頻率計(jì)算公式來指導(dǎo)模型參數(shù)校正，更好地為現(xiàn)場風(fēng)機(jī)控制器參數(shù)調(diào)整設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1　風(fēng)力機(jī)傳動鏈模型分析

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的傳動鏈主要由風(fēng)輪、低速軸、齒輪箱、高速軸、發(fā)電機(jī)等構(gòu)成［8］，如圖1所示。

圖1　風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動鏈結(jié)構(gòu)示意圖

考慮到風(fēng)機(jī)輪轂和發(fā)電機(jī)之間低速軸傳動鏈的柔性，將風(fēng)力機(jī)葉片和輪轂等效成1個(gè)質(zhì)量塊，齒輪箱和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子等效成1個(gè)質(zhì)量塊，等效為2個(gè)質(zhì)量塊的風(fēng)力機(jī)傳動鏈模型如圖2所示。

圖2風(fēng)力機(jī)傳動鏈等效模型示意圖

圖2中：HW為風(fēng)輪轉(zhuǎn)動慣量；DW為風(fēng)輪阻尼系數(shù)；Hg為折算到低速軸側(cè)發(fā)電機(jī)+齒輪箱的轉(zhuǎn)動慣量；Dg為折算到低速軸側(cè)發(fā)電機(jī)+齒輪箱的阻尼系數(shù)；Ks為傳動軸的剛度系數(shù)；Ds為傳動軸的阻尼系數(shù)。

由此可列出風(fēng)力機(jī)傳動鏈等效2個(gè)質(zhì)量塊的數(shù)學(xué)模型如下：

式中：TA為風(fēng)輪上氣動力矩；Tg為折算到低速軸側(cè)電機(jī)電磁力矩；Ts為低速軸扭矩；θW為風(fēng)輪轉(zhuǎn)角；θg為風(fēng)力機(jī)相對于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的角位移。

將式（3）帶入式（1）、（2）中，并改寫成矩陣形式如下：

令T=0，并且不考慮阻尼矩陣，就得到了無阻尼自由振動方程，如式（5）所示。

根據(jù)式（5）推導(dǎo)可以得到2個(gè)質(zhì)量塊模型的2個(gè)模態(tài)頻率分別為：

式（6）中有1個(gè)模態(tài)頻率為0，表明存在1個(gè)做剛體自由轉(zhuǎn)動的模態(tài)，另1個(gè)模態(tài)頻率即為傳動鏈頻率。

2　應(yīng)用

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)控制器算法過程中，通過上述分析，可知傳動鏈存在阻尼較低的扭振固有頻率，如果不加以抑制，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的齒輪箱在傳動過程中會產(chǎn)生較大振動、噪聲和動載荷，會對齒輪箱造成很大的疲勞損傷，因此需要對傳動鏈設(shè)計(jì)專門阻尼控制器，增加傳動鏈阻尼，從而降低齒輪箱疲勞載荷，阻尼控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　傳動鏈阻尼控制器結(jié)構(gòu)框圖

若實(shí)際傳動鏈頻率與理論有較大偏差，設(shè)計(jì)的阻尼控制器就達(dá)不到預(yù)期的效果。

如果與設(shè)計(jì)模型傳動鏈頻率相差較大，就需要調(diào)整模型參數(shù)，使模型與實(shí)際測量值相匹配。通過式（6）很容易知道，可以調(diào)整的參數(shù)有3個(gè)，分別是：風(fēng)輪轉(zhuǎn)動慣量HW，折算到低速軸側(cè)發(fā)電機(jī)+齒輪箱的轉(zhuǎn)動慣量Hg，傳動軸的剛度系數(shù)Ks。

將式（6）進(jìn)行整理變形，得到式（7）。

并定義等效總轉(zhuǎn)動慣量見式（8）。

而一般情況下風(fēng)輪轉(zhuǎn)動慣量HW和折算后高速軸轉(zhuǎn)動慣量Hg比較精確，因此當(dāng)模型扭轉(zhuǎn)頻率與實(shí)測扭轉(zhuǎn)頻率存在較大誤差時(shí)，可通過調(diào)整Ks來校正設(shè)計(jì)模型。

以FD70B機(jī)型為例，初步理論設(shè)計(jì)模型傳動鏈頻率為2.372 7 Hz，而通過現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，并進(jìn)行功率譜分析，如圖4所示。

圖4　實(shí)測轉(zhuǎn)速信號功率譜

從圖4得知，傳動鏈扭振頻率為2.002 Hz，與初步設(shè)計(jì)模型有一定偏差，通過修改低速軸剛度參數(shù)，得到新的系統(tǒng)模型，并重新設(shè)計(jì)阻尼控制器。修正系統(tǒng)模型后進(jìn)行仿真計(jì)算對比。

圖5　齒輪箱扭矩對比

圖6　齒輪箱扭矩功率譜對比

圖7　發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速對比

圖8　發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速功率譜對比

從圖5～圖8可得，若繼續(xù)采用原控制器進(jìn)行控制，將增大齒輪箱疲勞載荷，降低使用壽命，重新調(diào)整阻尼控制器參數(shù)，通過選取風(fēng)況近似的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對比，如圖9所示。

圖9　實(shí)測運(yùn)行風(fēng)速對比

圖10　實(shí)際運(yùn)行發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速對比

圖11　實(shí)際運(yùn)行發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速功率譜對比

從圖10可知，修改模型參數(shù)后重新調(diào)整控制器，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速波動降低，進(jìn)一步分析發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速頻譜。從圖11可知，修改模型參數(shù)后重新調(diào)整控制器，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速測量信號在傳動鏈頻率附近，只有1.855 Hz的風(fēng)輪6P頻率，而沒有明顯的傳動鏈扭振頻率信號，可降低齒輪箱振動，延長風(fēng)力發(fā)電機(jī)的壽命。

3　結(jié)語

風(fēng)機(jī)傳動鏈因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求高，故其動態(tài)性能的好壞直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能和傳動效率。本文通過分析，獲得了表征傳動鏈扭轉(zhuǎn)頻率的計(jì)算公式，通過實(shí)際測量數(shù)據(jù)，分析出實(shí)際傳動鏈扭轉(zhuǎn)頻率，依據(jù)推導(dǎo)的傳動鏈扭轉(zhuǎn)頻率計(jì)算公式來指導(dǎo)模型參數(shù)校正，并通過現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行來驗(yàn)證了該方法的有效性，為風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

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Study and Application on Drive Train Torsional Frequency Based on Wind Turbine

Lan Jie，Lin Shu，Song Juzhong
（Dongfang Electric Wind Power Co.，Ltd.，Deyang Sichuan，618000）

Abstract:In order to accurately analyze wind turbine drive train torsional frequency，considering the factor of the drive train shaft ten?sional flexibility between a wind turbine and a generator，a wind turbine drive train mathematical model was established by using two equivalent lump mass models in this paper.Then combining with the modal analysis method to calculate two modal frequencies of the model，the calculation formula of drive train torsional frequency was received by the actual physical meaning.Taking FD70B wind tur?bine as an example，it was easy to apply the formula to the actual measurement data and analyze the actual drive train torsional fre?quency，then guide the model parameter calibration based on the drive train torsional frequency calculation formula.It was better to provide theoretical basis and technical support for the design and application of wind turbine.

Key words:wind turbine，drive train，torsional frequency，parameter calibration

中圖分類號：TK 263

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-9987（2016）02-0059-05

DOI:10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.02.014

作者簡介：蘭杰（1985-），男，工學(xué)碩士，工程師，2011年畢業(yè)于四川大學(xué)控制理論與控制工程專業(yè)，現(xiàn)從事風(fēng)電控制設(shè)計(jì)工作。