大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳控制及載荷仿真探究

張廣興

作為一種低成本、可再生、無(wú)污染的能源，風(fēng)能在短時(shí)間內(nèi)世界范圍中獲得了飛速的發(fā)展和進(jìn)步。風(fēng)能的發(fā)展?jié)摿薮?，且隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的進(jìn)步，其發(fā)電機(jī)組的運(yùn)用范圍也在不斷擴(kuò)展。目前，該技術(shù)廣泛運(yùn)用于大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中。本文分析了大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的國(guó)內(nèi)運(yùn)行現(xiàn)狀，分析大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳控制系統(tǒng)特點(diǎn)，以仿真荷載角度進(jìn)行研究分析，希望能夠?yàn)閮?yōu)化機(jī)械系統(tǒng)建設(shè)有所參考借鑒。

1 大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

作為當(dāng)代常見(jiàn)的能源轉(zhuǎn)換裝置，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的重要裝置。目前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要由發(fā)電機(jī)組、變槳系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)、風(fēng)輪等幾個(gè)部分構(gòu)成。其中變槳系統(tǒng)是風(fēng)力機(jī)組控制變槳距離，保證其能源轉(zhuǎn)換的重要裝置。其主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)。首先，當(dāng)風(fēng)速但低于額定風(fēng)速時(shí)候，發(fā)電機(jī)組處于在穩(wěn)定的功率環(huán)境中，且風(fēng)速若隨之增加，高于額定風(fēng)速時(shí)候，整個(gè)發(fā)電機(jī)機(jī)組的輸出功率也會(huì)增加。若輸出功率超過(guò)了額定功率，整個(gè)機(jī)組的電氣轉(zhuǎn)速和輸出功率都會(huì)發(fā)生變化；可見(jiàn)，隨著風(fēng)速的變化，變槳系統(tǒng)的裝置內(nèi)部能源吸收和轉(zhuǎn)換效率都會(huì)發(fā)生明顯的改變。對(duì)應(yīng)的技術(shù)人員可通過(guò)觀察變槳系統(tǒng)風(fēng)速的變化，不斷提升和優(yōu)化機(jī)組的運(yùn)行效率，以此來(lái)調(diào)整，優(yōu)化其發(fā)電量。

2 在S lo lid Wo rk s 仿真模擬變槳系統(tǒng)

輪轂是安裝變槳系統(tǒng)的關(guān)鍵位置，通過(guò)固定變槳的位置，可以調(diào)節(jié)整個(gè)控制油缸；執(zhí)行下，槳葉和變槳軸承都有較大變化，且這些零件依次連接后，通過(guò)法蘭與主軸連接進(jìn)而進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變槳機(jī)構(gòu)仿真研究。在SolidWorks 建模中，應(yīng)當(dāng)將模型簡(jiǎn)易化，且保留具有運(yùn)動(dòng)特征零件。且按照對(duì)應(yīng)的裝配關(guān)系，將這些零件進(jìn)行依次連接，裝配后，主要零件之間需要重新固定，通過(guò)加強(qiáng)副連接狀態(tài)控制，進(jìn)而保證仿真控制的真實(shí)性和有效性。針對(duì)變槳轉(zhuǎn)盤組件、輪轂組件等零部件，可以簡(jiǎn)化一些微小，非重要的零部件模型。盡量保存零部件、齒輪等結(jié)構(gòu)。

為了保證變槳調(diào)節(jié)動(dòng)作順利完成，模型設(shè)計(jì)單位需要針對(duì)實(shí)際的安裝生產(chǎn)需求連接各個(gè)零部件，保證零部件的導(dǎo)向桿和調(diào)節(jié)架都能滿足變槳調(diào)節(jié)的位置需求，且槳葉轉(zhuǎn)盤的中間連接軸和回轉(zhuǎn)孔的軸線也應(yīng)當(dāng)沿著槳葉盤旋轉(zhuǎn)。此外，模型要保證調(diào)節(jié)架、輪轂、連桿機(jī)構(gòu)與變槳轉(zhuǎn)盤等連接緊密，且其他兩組的配合關(guān)系應(yīng)當(dāng)要穩(wěn)定，相位上保持120°的距離。分析大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳系統(tǒng)Adams 中建模完成SolidWorks 變槳機(jī)構(gòu)三維模型建模后，需要將模型及時(shí)導(dǎo)入的到Adams，進(jìn)而設(shè)置其約束、驅(qū)動(dòng)值。零部件之間實(shí)現(xiàn)約束控制后，可以根據(jù)實(shí)際的工作狀態(tài)，及時(shí)轉(zhuǎn)換實(shí)際工作的關(guān)系，并觀察槳葉轉(zhuǎn)盤的幾何中心、其他參考點(diǎn)來(lái)設(shè)置模型變量，且模型設(shè)計(jì)中要時(shí)刻關(guān)注變槳調(diào)節(jié)架、遙桿螺旋副鏈接的穩(wěn)定性。

遙桿也要和安全油缸、變槳調(diào)節(jié)架以及控制油缸桿之間的連接穩(wěn)定，可采用球鉸副連接，設(shè)置約束時(shí)候要選用合適的約束方向。針對(duì)以上三個(gè)方法研究，變槳機(jī)構(gòu)約束設(shè)置完成后，最終完成變槳系統(tǒng)零部件的穩(wěn)固連接，其主要的處理方式如下文所述。

2.1 風(fēng)力荷載條件研究

仿真分析現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)力荷載數(shù)據(jù)，計(jì)算在差異性的風(fēng)力荷載影響下，風(fēng)力作用對(duì)槳葉的驅(qū)動(dòng)作用?？杉僭O(shè)槳葉為剛體，風(fēng)力作用產(chǎn)生的扭矩可直接作用到輪轂上，且當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和動(dòng)力學(xué)仿真運(yùn)動(dòng)時(shí)候。仿真大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳控制過(guò)程。

2.2 變槳力荷載分析

變槳運(yùn)動(dòng)和控制油缸有關(guān)，在特殊的運(yùn)行環(huán)境下，安全油缸驅(qū)動(dòng)、變槳機(jī)之間的關(guān)聯(lián)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，控制變槳的速度、風(fēng)速以及功率之間的關(guān)聯(lián)性。如其中變槳力并不恒定，需要在Matlab 系統(tǒng)中予以控制。在Adams 仿真模型中，僅僅能控制系統(tǒng)方向和距離。

2.3 變槳控制研究

在實(shí)際的風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中，所有的作用力和參數(shù)都需要在某一作用力下運(yùn)行控制。通過(guò)作用力參數(shù)控制和風(fēng)機(jī)研究可有效反映風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行控制作用。在Adams 中建立對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)三維幾何模型為實(shí)體模型，經(jīng)過(guò)物力、化學(xué)、生物性能等模擬研究分析后得出了可控的數(shù)據(jù)值，只要保證其在參數(shù)范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)變槳綜合運(yùn)動(dòng)，有效控制風(fēng)速、風(fēng)向以及其他特征。

計(jì)算研究可知，經(jīng)過(guò)Matlab/Simulink 變槳系統(tǒng)控制研究分析后，讓槳葉旋轉(zhuǎn)到一定角度，可以控制槳距角位置。

2.4 聯(lián)合仿真控制

在Adams 與Matlab 聯(lián)合仿真控制時(shí)候，可優(yōu)先選用風(fēng)機(jī)運(yùn)行控制的特征，借助仿真變槳機(jī)構(gòu)以及特定的狀態(tài)參數(shù)風(fēng)速基于風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、提速到穩(wěn)定運(yùn)行全過(guò)程，所選用的風(fēng)機(jī)仿真運(yùn)行參數(shù)為17 m/s，發(fā)電機(jī)功率1 250 kW，槳距角20°，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速1 056.41 r/min，主軸轉(zhuǎn)速19.981 r/min，偏航角(風(fēng)向角)10°。風(fēng)機(jī)的初始狀態(tài)為靜止平衡狀態(tài)，即所有可運(yùn)動(dòng)的零部件的速度為0，除重力外，所有零部件的受力大小為0。仿真計(jì)算時(shí)間100s，計(jì)算方法采用ode 15 s(stiff/NDF)，變步長(zhǎng)，相對(duì)誤差0.001，最大階數(shù)為5。

3 大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)比例控制以及微分、常數(shù)控制，二階微分方式以此來(lái)帶動(dòng)油缸內(nèi)部安全油缸的全油缸驅(qū)動(dòng)以及變槳葉處理方式實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，并通過(guò)調(diào)整變槳調(diào)節(jié)架沿著平行導(dǎo)桿滑動(dòng)，讓主軸和地面形成傾角。受到重力的影響，整個(gè)變槳可出現(xiàn)不平衡問(wèn)題（如圖1，圖2 所示），表示變槳隨著Y 方面的波動(dòng)值約在±50mm·s- 2。對(duì)應(yīng)的單位可根據(jù)此仿真數(shù)據(jù)，進(jìn)一步探討大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳運(yùn)動(dòng)特征，因地制宜設(shè)計(jì)出滿足人們生活、生產(chǎn)需求的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。

圖1 變槳架在Y 方向速度隨著時(shí)間變化

圖2 變槳架在X 方向速度隨著時(shí)間變化