基于載荷計(jì)算的風(fēng)電機(jī)組變槳電機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算與選型

，，，，

(1. 許昌許繼風(fēng)電科技有限公司，河南 許昌 461000；2. 許繼電源有限公司，河南 許昌 461000)

0 引言

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變槳控制系統(tǒng)是風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的主要執(zhí)行部分，對(duì)機(jī)組安全穩(wěn)定的運(yùn)行起著關(guān)鍵性作用[1]。風(fēng)電機(jī)組變槳電機(jī)選型是風(fēng)機(jī)選型中的核心問題之一，變槳電機(jī)選型的合適與否決定了變槳系統(tǒng)工作的可靠性。變槳電機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩及額定轉(zhuǎn)矩是變槳電機(jī)選型的重要參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行合理準(zhǔn)確的計(jì)算非常關(guān)鍵。

變槳電機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生高度的動(dòng)態(tài)載荷，載荷變化比較復(fù)雜[2]。因此，需要進(jìn)一步精確變槳系統(tǒng)的工作過程，在分析變槳電機(jī)的受力基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出變槳電機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式，通過軟件仿真計(jì)算，最終得到合理的選型參數(shù)。

1 變槳系統(tǒng)工作原理

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。變槳系統(tǒng)主要由3個(gè)變槳柜及3個(gè)電機(jī)組成，變槳系統(tǒng)通過滑環(huán)接收主控下發(fā)的槳距角指令，通過變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行相應(yīng)的變槳。

變槳電機(jī)與軸承轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)關(guān)系如圖2所示。變槳軸承外圈與輪轂用螺栓緊固連接，內(nèi)齒圈與變槳電機(jī)嚙合連接，機(jī)組葉片與變槳軸承內(nèi)圈固定連接[3]。變槳時(shí)，變槳電機(jī)驅(qū)動(dòng)安裝在變槳減速箱上的小齒輪與大齒輪嚙合帶動(dòng)葉片動(dòng)作，進(jìn)行變槳，使槳距角工作在要求的位置。變槳不動(dòng)作時(shí)，變槳電機(jī)剎車制動(dòng)，保持葉片靜止。另外，變槳電機(jī)設(shè)置有專門的被動(dòng)式單向制動(dòng)剎車，該剎車裝置集成在每個(gè)變槳電機(jī)內(nèi)部，當(dāng)剎車抱死時(shí)，變槳電機(jī)只能向順槳位置轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 變槳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 變槳電機(jī)與軸承傳動(dòng)示意

由變槳工作時(shí)力矩的傳動(dòng)關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行變槳電機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算的時(shí)候，變槳軸承的摩擦轉(zhuǎn)矩是不可忽視的一部分力矩。軸承的摩擦轉(zhuǎn)矩是指軸承轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間隙中產(chǎn)生的阻力矩，摩擦轉(zhuǎn)矩的計(jì)算方法因軸承的廠家及型號(hào)不同而不同。用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變槳軸承一般為雙排同徑四點(diǎn)接觸球狀滾動(dòng)軸承，通過查詢機(jī)械手冊(cè)[4]，變槳軸承摩擦轉(zhuǎn)矩Mfric為：

2.2·Fxy·DL·1.73)+Mpre

(1)

μ為摩擦系數(shù)；Mxy為傾覆力矩；Fz為軸向力；DL為軸承座圈直徑；Fxy為徑向力；Mpre為軸承滾道預(yù)緊力。

2 變槳電機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式分析

根據(jù)風(fēng)電機(jī)組變槳系統(tǒng)的工作原理，分析變槳電機(jī)與軸承傳動(dòng)過程中受到的作用力矩有：葉片根部風(fēng)載轉(zhuǎn)矩Mz；變槳軸承摩擦轉(zhuǎn)矩Mfric；變槳軸承慣性轉(zhuǎn)矩Macc；變槳電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩Mact；變槳電機(jī)剎車轉(zhuǎn)矩Mbrake。載荷計(jì)算中，變槳電機(jī)轉(zhuǎn)矩分析參考坐標(biāo)系采用GL標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的輪轂坐標(biāo)系[5]。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)不同，變槳電機(jī)所受到的作用力矩是不相同的。變槳電機(jī)在風(fēng)機(jī)不同的運(yùn)行狀態(tài)中的作用模式，如表1所示。

表1 不同的運(yùn)行模式下的變槳電機(jī)狀態(tài)

a.模式A：額定轉(zhuǎn)速以下(變槳未啟動(dòng))。

在模式A下，機(jī)組未達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，槳距角保持在最小值，機(jī)組處于正常發(fā)電狀態(tài)。變槳電機(jī)處于釋放狀態(tài)，變槳電機(jī)剎車裝置處于工作狀態(tài)。剎車力矩及摩擦力矩共同作用克服葉片根部風(fēng)載轉(zhuǎn)矩，保持葉片處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。變槳電機(jī)剎車轉(zhuǎn)矩Mbrake計(jì)算公式為：

(2)

Mfric＿min=Kmin·Mfric

(3)

式(2)及式(3)中，Mfric＿min為變槳軸承最小摩擦轉(zhuǎn)矩；iteeth為變槳小齒齒數(shù)；ηteeth為變槳小齒傳動(dòng)效率；igbx為減速箱傳動(dòng)比；ηgbx為減速箱傳動(dòng)效率；Kmin為摩擦力系數(shù)，取值范圍為0.75～1。

b.模式B：額定轉(zhuǎn)速以上(變槳啟動(dòng))。

在模式B下，機(jī)組達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，槳距角在閉環(huán)控制中追隨風(fēng)速進(jìn)行變化，機(jī)組處于正常發(fā)電狀態(tài)。變槳電機(jī)驅(qū)動(dòng)使能工作，變槳電機(jī)剎車裝置處于釋放狀態(tài)。變槳電機(jī)克服葉片根部風(fēng)載轉(zhuǎn)矩、變槳軸承摩擦轉(zhuǎn)矩以及變槳軸承慣性轉(zhuǎn)矩的制動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)葉片進(jìn)行變槳。變槳電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩Mact為：

(4)

Mfric＿max=Kmax·Mfric

(5)

Macc=J·αacc

(6)

式(4)及式(5)中，Mfric＿max為變槳軸承最大摩擦轉(zhuǎn)矩；Kmax為摩擦力系數(shù)，取值范圍為1～1.25；J為變槳軸承端等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；αmax為變槳軸承加速度；其他變量同上述說明。

c.模式C：葉片順槳(94°)。

在模式C下，由于電網(wǎng)發(fā)生故障，后備電源啟動(dòng)提供動(dòng)力源，變槳系統(tǒng)進(jìn)行順槳?jiǎng)幼?。變槳電機(jī)驅(qū)動(dòng)使能工作，變槳電機(jī)剎車裝置處于釋放狀態(tài)。變槳電機(jī)受力同模式B，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式同式(4)一致。

d.模式D及模式E。

在模式D下，機(jī)組脫網(wǎng)，處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)。在模式E下，風(fēng)輪鎖投入，機(jī)組處于維護(hù)模式。這2種模式下，變槳電機(jī)驅(qū)動(dòng)及剎車裝置狀態(tài)是一樣的，變槳電機(jī)受力也一樣，受力同模式A，剎車轉(zhuǎn)矩Mbrake的計(jì)算公式同式(2)一致。

在變槳系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)葉片變槳的過程中，載荷通過傳動(dòng)結(jié)構(gòu)傳遞，傳遞時(shí)存在效率的衰減，故上述模式中計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)矩時(shí)引入了傳動(dòng)系統(tǒng)效率：變槳小齒傳動(dòng)效率ηteeth及減速機(jī)傳動(dòng)效率ηgbx。利用上述公式計(jì)算出機(jī)組變槳電機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩及剎車轉(zhuǎn)矩，為變槳電機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算選型提供依據(jù)。

3 變槳電機(jī)轉(zhuǎn)矩仿真計(jì)算選型

變槳電機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算采用風(fēng)力發(fā)電設(shè)計(jì)軟件Bladed進(jìn)行仿真。首先，根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片、傳動(dòng)鏈、發(fā)電機(jī)及塔筒等部件參數(shù)，建立仿真模型；然后，按照GL標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)置風(fēng)況，提交設(shè)置好的工程文件進(jìn)行載荷計(jì)算；再次，提取Bladed計(jì)算出的機(jī)組變槳系統(tǒng)載荷數(shù)據(jù)，依據(jù)變槳電機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式，利用Bladed后處理功能計(jì)算出變槳電機(jī)的轉(zhuǎn)矩；最后，根據(jù)計(jì)算出的轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)對(duì)變槳電機(jī)進(jìn)行選型。參考GL標(biāo)準(zhǔn)，表2為正常發(fā)電狀態(tài)下需要仿真的工況，包括DLC 1.4網(wǎng)損，DLC 1.5電網(wǎng)故障、DLC1.8結(jié)冰工況。表3為非正常發(fā)電狀態(tài)的其他所有需要仿真的工況，包括故障發(fā)生、啟機(jī)、停機(jī)、空轉(zhuǎn)、維護(hù)運(yùn)輸、低電壓穿越、溫度影響等工況。

表2 發(fā)電狀態(tài)運(yùn)行工況

表3 非發(fā)電狀態(tài)運(yùn)行工況

表2及表3中，NWP表示正常風(fēng)廓線模型；NTM表示正常湍流模型；EWM表示極端風(fēng)速模型；EDC表示極端方向變化；EOG表示極限運(yùn)行陣風(fēng)；ECG表示極限持續(xù)陣風(fēng)；ECD表示風(fēng)向變化的極限持續(xù)陣風(fēng)；EWS表示極端風(fēng)切變。Vin為切入風(fēng)速；Vhub為輪轂高度風(fēng)速；Vout為切出風(fēng)速；Vref為基準(zhǔn)風(fēng)速；Vr為額定風(fēng)速；VT為最大10 min平均維護(hù)風(fēng)速。

以某公司2 MW變速變槳雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為例，仿真計(jì)算進(jìn)行變槳電機(jī)的選型，該機(jī)組的主要參數(shù)如表4所示。

表4 機(jī)組的主要參數(shù)

在Bladed中建立如表4中描述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型，根據(jù)表2及表3中所述工況進(jìn)行仿真，然后利用 Bladed后處理通道合并功能，計(jì)算出變槳電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩及剎車轉(zhuǎn)矩。

3.1 變槳電機(jī)最大驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算

變槳系統(tǒng)在正常發(fā)電、啟機(jī)、停機(jī)、故障、維護(hù)運(yùn)輸?shù)人泄r都處于工作狀態(tài)，因此，在進(jìn)行變槳電機(jī)最大驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算時(shí)，在驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩激活的模式B及模式C中，需要考慮表3及表4中的所有工況。通過式(4)及式(5)，對(duì)每個(gè)模式下的工況進(jìn)行仿真計(jì)算，從而得到變槳電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，再通過Bladed軟件統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算，最終得到變槳電機(jī)最大驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。某一工況下變槳電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩Mact的仿真曲線，如圖3所示。通過對(duì)所有計(jì)算工況統(tǒng)計(jì)分析，得出變槳電機(jī)最大驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩為143.13 N·m，將該值作為變槳電機(jī)最大驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的參數(shù)選型依據(jù)。

圖3 變槳電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩仿真曲線(DLC1.1工況)

3.2 變槳電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩計(jì)算

電機(jī)選型中，額定轉(zhuǎn)矩過大或者過小對(duì)電機(jī)的正常工作都極端不利，如過小造成電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重，縮短其壽命；過大導(dǎo)致電機(jī)效率偏低，增加機(jī)組的設(shè)計(jì)成本[6]。一般情況下，電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩是采用動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩的均方根值進(jìn)行計(jì)算的，在此，采用變槳電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的均方根值作為電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩值[7]。變槳電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩計(jì)算如式(7)所示，其中RMS表征均方根。

Mact＿rate=RMS[Mact]

(7)

電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩主要是考慮滿載時(shí)的載荷變化情況，因此計(jì)算變槳電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩時(shí)，在模式B中，只需要考慮表2中DLC1.1正常發(fā)電工況即可。通過仿真計(jì)算及均方根處理，得到變槳電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩為44.39 N·m，將該值作為變槳電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的參數(shù)選型依據(jù)。

3.3 變槳電機(jī)剎車轉(zhuǎn)矩計(jì)算

在模式A、模式D及模式E中，變槳電機(jī)剎車轉(zhuǎn)矩處于激活狀態(tài)，而變槳系統(tǒng)在所有工況中都處于工作狀態(tài)，因此，計(jì)算變槳電機(jī)剎車轉(zhuǎn)矩需要考慮表2及表3中的所有工況。通過Bladed軟件仿真計(jì)算，得到每個(gè)工況下的變槳電機(jī)剎車轉(zhuǎn)矩，再通過Bladed軟件后處理分析，最終得到變槳電機(jī)的最大剎車轉(zhuǎn)矩。圖4所示為某一工況下變槳電機(jī)剎車轉(zhuǎn)矩Mbrake的仿真曲線。通過Bladed軟件通道合并及統(tǒng)計(jì)分析，得出變槳電機(jī)最大剎車轉(zhuǎn)矩為62.5 N·m，將該值作為變槳電機(jī)最大剎車轉(zhuǎn)矩的參數(shù)選型依據(jù)。

圖4 變槳電機(jī)剎車轉(zhuǎn)矩仿真曲線(DLC6.2工況)

4 結(jié)束語

依據(jù)風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)的受力情況，推導(dǎo)出變槳電機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式，基于GL標(biāo)準(zhǔn)要求的載荷計(jì)算工況，利用Bladed軟件仿真計(jì)算出變槳電機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)矩以及剎車轉(zhuǎn)矩，將其作為變槳電機(jī)選型的重要依據(jù)。本文的變槳電機(jī)扭矩的確定方法原理簡單，充分考慮了軸承間摩擦力的不確定性，計(jì)算結(jié)果更加精確，為選擇合理的變槳電機(jī)提供切合實(shí)際意義的參考。

[1] 葉杭冶.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[2] 秦大同，周志剛，楊軍，等.隨機(jī)風(fēng)載作用下風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)可靠性分析[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2012，48(3)：1-8.

[3] 姚興佳，宋俊.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組原理與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工程出版社，2009.

[4] Thyssenkrupp Rothe Erde GmbH.Rothe Erde Slewing Bear[Z].Dortmund，Germany，2007.

[5] Germanischer Lloyd WindEnergie GmbH.Germanischer lloyd rules and guidelines industrial services,IV-Part 1:Guideline for the certification of wind turbines[S].Germany:Germanischer Llyd,Hamburg,2010.

[6] 肖瀟，楊金堂，全芳成，等.伺服電機(jī)的選型原則與計(jì)算[J].機(jī)床與液壓，2014，42(22):44-46.

[7] 盧仁寶，王朝東，袁金庫.MW級(jí)風(fēng)電機(jī)組偏航電機(jī)轉(zhuǎn)矩參數(shù)計(jì)算選型[J].機(jī)械與電子，2017,35(1)：42-45.