大型風(fēng)電機(jī)組傳動鏈地面試驗(yàn)平臺簡化影響分析

宋 斌， 胡書舉

（中國科學(xué)院電工研究所， 北京 100190）

0 引言

大型風(fēng)電機(jī)組傳動鏈主要由主軸、 齒輪箱和發(fā)電機(jī)等部件構(gòu)成，是機(jī)組的核心部分[1]。 大功率風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜惡劣，運(yùn)維難度大，為確保其穩(wěn)定可靠運(yùn)行， 對傳動鏈部分的試驗(yàn)工作提出了越來越高的要求。近年來，傳動鏈地面試驗(yàn)受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注和重視，通過地面試驗(yàn)，可為傳動鏈研發(fā)設(shè)計(jì)及性能評價(jià)提供可控的試驗(yàn)環(huán)境， 可快速有效地對新技術(shù)和新產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，降低了技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，縮短了研發(fā)周期[2]。

與風(fēng)電場實(shí)際運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組相比， 傳動鏈地面試驗(yàn)平臺簡化了葉輪和塔架等部件， 通過增加拖動電機(jī)和載荷加載裝置等模擬風(fēng)載荷[3]，[4]，其物理特性與機(jī)組不同。當(dāng)進(jìn)行地面試驗(yàn)時(shí)，由于被試傳動鏈未受到葉輪和塔架等“缺失”部件的耦合影響[5]，其動態(tài)響應(yīng)特性與實(shí)際機(jī)組傳動鏈存在較大差異， 這可能導(dǎo)致地面試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)一定偏差。因此，需要探究地面試驗(yàn)平臺在簡化后對被試傳動鏈動態(tài)特性的影響機(jī)理， 從而為抑制簡化影響的相關(guān)技術(shù)與方法提供理論支撐， 確保地面試驗(yàn)結(jié)果真實(shí)可信。

近年來， 研究人員針對傳動鏈地面試驗(yàn)的研究重點(diǎn)集中在葉輪扭矩模擬技術(shù)、 五自由度非扭矩載荷模擬技術(shù)等地面試驗(yàn)工況模擬技術(shù)[6]，[7]，但所提出的模擬控制方法尚未全面考慮地面試驗(yàn)平臺的簡化影響。 本文針對目前研究的不足， 以某10 MW 級風(fēng)電機(jī)組傳動鏈地面試驗(yàn)平臺為研究對象， 建立了地面試驗(yàn)平臺動力學(xué)模型及被試風(fēng)電機(jī)組聯(lián)合仿真模型， 分別對兩種典型地面試驗(yàn)工況作用下的傳動鏈動態(tài)特性進(jìn)行仿真， 基于仿真結(jié)果對地面試驗(yàn)簡化影響機(jī)理進(jìn)行了分析。

1 傳動鏈地面試驗(yàn)平臺及風(fēng)電機(jī)組

本文研究的傳動鏈地面試驗(yàn)平臺如圖1 所示。 試驗(yàn)平臺功率等級為10 MW，采用雙永磁直驅(qū)電機(jī)進(jìn)行葉輪轉(zhuǎn)矩模擬加載， 配備液壓式非扭矩載荷加載裝置對葉輪五自由度非扭矩動靜態(tài)載荷進(jìn)行模擬加載， 拖動電機(jī)與非扭矩載荷加載裝置之間采用帶軸向位移補(bǔ)償能力的萬向聯(lián)軸器進(jìn)行連接。 試驗(yàn)平臺上被試機(jī)組為5 MW 雙饋型機(jī)組，被試機(jī)組輸出端接入電網(wǎng)。

圖1 風(fēng)電機(jī)組傳動鏈地面試驗(yàn)平臺主體結(jié)構(gòu)Fig.1 Principal structure of wind turbine drive-train ground test bench

試驗(yàn)平臺及試驗(yàn)平臺上被試機(jī)組的主要參數(shù)見表1，2。

表1 試驗(yàn)平臺主要參數(shù)Table 1 Main parameters for test bench

表2 被試風(fēng)電機(jī)組主要參數(shù)Table 2 Main parameters of wind turbine

2 仿真計(jì)算模型

2.1 動力學(xué)模型

為分析試驗(yàn)平臺上傳動鏈與真實(shí)機(jī)組傳動鏈動態(tài)特性差異， 本文采用多體動力學(xué)軟件分別建立被試風(fēng)電機(jī)組整機(jī)動力學(xué)模型和地面試驗(yàn)平臺動力學(xué)模型。 被試風(fēng)電機(jī)組整機(jī)動力學(xué)模型由葉輪、塔架、主軸承、齒輪箱和發(fā)電機(jī)等部件組成。對葉片和塔架部件采用分段式建模， 將葉片和塔架拉伸、 扭轉(zhuǎn)與彎曲剛度以各段之間結(jié)合面上的剛度矩陣進(jìn)行等效。 將傳動鏈中主軸承部件以旋轉(zhuǎn)運(yùn)動副進(jìn)行等效。分別將齒輪箱、發(fā)電機(jī)等部件以質(zhì)量塊進(jìn)行等效， 考慮傳動鏈各連接軸和行星架等柔性部件的扭轉(zhuǎn)剛度和阻尼， 以及齒輪嚙合剛度，分別以剛度-阻尼系統(tǒng)進(jìn)行等效。

傳動鏈地面試驗(yàn)平臺動力學(xué)模型主要由拖動電機(jī)、 五自由度非扭矩載荷加載裝置以及被試機(jī)組傳動鏈部件組成。 建模時(shí)分別將各部件以質(zhì)量塊進(jìn)行等效，考慮各連接軸的扭轉(zhuǎn)剛度和阻尼，以彈簧-阻尼系統(tǒng)進(jìn)行等效。 根據(jù)試驗(yàn)平臺實(shí)際裝配與約束情況， 對拖動電機(jī)部件采用旋轉(zhuǎn)運(yùn)動副約束， 拖動電機(jī)與載荷加載裝置之間采用鉸接約束與滑動副約束， 載荷加載裝置與被試傳動鏈之間采用固接約束。 被試傳動鏈各部件動力學(xué)建模方法與上述整機(jī)建模方法一致。

2.2 聯(lián)合仿真模型

將被試風(fēng)電機(jī)組動力學(xué)模型與氣動模型、電氣控制模型進(jìn)行聯(lián)立（圖2）。 采用美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的開源程序Aerodyn 基于葉素-動量理論建立被試風(fēng)電機(jī)組氣動模型；采用Matlab/simulink 軟件建立被試風(fēng)電機(jī)組電氣模型， 包括發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制模型、 變槳距控制模型及電網(wǎng)模型等。機(jī)組動力學(xué)模型、氣動模型及電氣控制模型之間通過變量交互形成聯(lián)合仿真模型。

圖2 被試風(fēng)電機(jī)組聯(lián)合仿真模型Fig.2 Wind turbine co-simulation model

3 試驗(yàn)平臺與被試機(jī)組模態(tài)對比

為分析風(fēng)電機(jī)組與地面試驗(yàn)平臺動力學(xué)特性差異機(jī)理， 首先基于風(fēng)電機(jī)組及地面試驗(yàn)平臺動力學(xué)模型進(jìn)行額定轉(zhuǎn)速下的模態(tài)分析， 分析結(jié)果如表3 所示。

表3 地面試驗(yàn)平臺和被試風(fēng)電機(jī)組模態(tài)分析結(jié)果Table 3 Modal analysis results of ground test bench and wind turbine

對比表3 中地面試驗(yàn)平臺與機(jī)組模態(tài)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，地面試驗(yàn)平臺在簡化葉輪和塔架部件、增加拖動電機(jī)和載荷加載裝置后， 其模態(tài)與機(jī)組模態(tài)差異較大。 地面試驗(yàn)平臺模態(tài)振型為扭轉(zhuǎn)振動及拖動端擺動振動， 其中拖動端擺動振動模態(tài)阻尼比較大，振幅衰減較快，因此其主要振動形式為扭轉(zhuǎn)振動。

4 機(jī)組實(shí)際運(yùn)行工況下簡化影響分析

傳動鏈地面試驗(yàn)重要試驗(yàn)內(nèi)容之一是將被試機(jī)組全部或典型運(yùn)行工況在地面試驗(yàn)平臺上進(jìn)行復(fù)現(xiàn)， 將其作為地面試驗(yàn)工況以測試傳動鏈運(yùn)行性能和承載特性等。 本文分別對機(jī)組穩(wěn)態(tài)工況和瞬態(tài)工況兩種典型運(yùn)行工況復(fù)現(xiàn)下的地面試驗(yàn)簡化影響進(jìn)行分析。

4.1 穩(wěn)態(tài)工況

首先對機(jī)組穩(wěn)態(tài)發(fā)電工況下的地面試驗(yàn)簡化影響進(jìn)行分析。 采用湍流風(fēng)速模型， 平均風(fēng)速為14 m/s，水平方向湍流強(qiáng)度為0.16。 具體分析過程如圖3 所示。

圖3 穩(wěn)態(tài)發(fā)電工況下簡化影響分析過程圖Fig.3 Process diagram of the abstraction influence analysis under steady power production condition

基于聯(lián)合仿真模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)發(fā)電工況下整機(jī)動態(tài)仿真，仿真結(jié)束后，提取輪轂中心氣動轉(zhuǎn)矩及五自由度非扭矩載荷-時(shí)間歷程作為地面試驗(yàn)加載載荷加載到地面試驗(yàn)平臺動力學(xué)模型上進(jìn)行虛擬地面試驗(yàn)仿真， 仿真中被試傳動鏈根據(jù)機(jī)組轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩曲線實(shí)時(shí)反饋電磁轉(zhuǎn)矩。 仿真結(jié)束后，將被試傳動鏈角速度以及主軸承位置處的六自由度載荷仿真結(jié)果與整機(jī)仿真結(jié)果進(jìn)行對比（圖4）。

圖4 穩(wěn)態(tài)發(fā)電工況下仿真結(jié)果對比Fig.4 Simulation results comparison under steady power production condition

圖4（a），（b）為傳動鏈角速度與扭矩波形，與實(shí)際機(jī)組相比， 地面試驗(yàn)平臺上被試傳動鏈角速度和轉(zhuǎn)矩波形均具有較大幅值與波動值，傳動鏈出現(xiàn)超速失穩(wěn)現(xiàn)象。 圖4（c）為傳動鏈扭矩頻譜波形， 機(jī)組傳動鏈扭矩頻譜中主要頻率為2.26 Hz，該頻率為葉片和塔架耦合振動頻率。 地面試驗(yàn)平臺上傳動鏈扭矩頻譜中2.26 Hz 頻率峰值小于機(jī)組值，但其6.65 Hz 扭振頻率峰值較高。由圖4（a）～（c） 分析地面試驗(yàn)平臺上傳動鏈角速度和扭矩與實(shí)際機(jī)組不同的主要原因是： 地面試驗(yàn)平臺與被試機(jī)組葉輪轉(zhuǎn)動慣量存在差異； 試驗(yàn)平臺上扭振模態(tài)被激發(fā)，加劇了傳動鏈動態(tài)響應(yīng)波動。

圖4（d）～（f）為傳動鏈軸向力與徑向力波形，試驗(yàn)平臺上傳動鏈軸向力和徑向力波形與實(shí)際機(jī)組波形一致性較好，最大值大于機(jī)組值，最大差值約為110 kN。 出現(xiàn)差值的原因是試驗(yàn)平臺上傳動鏈除受到加載載荷作用， 還承受非扭矩載荷加載裝置的重力作用。 圖4（g），（h）為傳動鏈徑向彎矩波形， 地面試驗(yàn)平臺上傳動鏈徑向彎矩最大值大于機(jī)組值， 主要是試驗(yàn)平臺上非扭矩載荷加載裝置的重力矩作用所導(dǎo)致。 試驗(yàn)平臺上傳動鏈徑向彎矩波形與機(jī)組波形一致性較好。

4.2 瞬態(tài)工況

當(dāng)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行中發(fā)生風(fēng)速突變、電網(wǎng)掉電等瞬態(tài)情況時(shí)，傳動鏈會承受較大載荷沖擊和波動，可能導(dǎo)致傳動鏈部件出現(xiàn)損傷[8]。鑒于瞬態(tài)工況對傳動鏈的不利影響，通常在地面試驗(yàn)平臺上對該工況進(jìn)行模擬（圖5），以測試傳動鏈強(qiáng)度與可靠性。

圖5 電網(wǎng)掉電工況下仿真結(jié)果對比Fig.5 Simulation results comparison under grid loss condition

對電網(wǎng)掉電工況下地面試驗(yàn)簡化影響進(jìn)行分析。 采用湍流風(fēng)速模型，平均風(fēng)速為14 m/s，水平方向湍流強(qiáng)度為0.16。 仿真總時(shí)長為170 s，其中第140 秒時(shí)發(fā)生電網(wǎng)掉電故障， 被試機(jī)組執(zhí)行緊急停機(jī)命令。仿真結(jié)束后，提取傳動鏈主軸角速度和扭矩仿真結(jié)果。

由圖5 可知：緊急停機(jī)時(shí)，與實(shí)際機(jī)組相比，地面試驗(yàn)平臺上被試傳動鏈角速度跌落時(shí)間更短，跌落幅度更大，試驗(yàn)平臺出現(xiàn)反轉(zhuǎn)；Mx跌落幅度更大，其最大跌落差值超過15 000 kN·m，傳動鏈承受更大的正負(fù)交變載荷， 其內(nèi)部部件更容易產(chǎn)生損傷。因此，以地面試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行傳動鏈性能評估會產(chǎn)生較為保守的評估結(jié)論。

5 特定載荷加載工況下簡化影響分析

地面試驗(yàn)另一重要內(nèi)容是對被試傳動鏈?zhǔn)┘与A躍載荷、正弦載荷等特定靜態(tài)或動態(tài)載荷，以驗(yàn)證傳動鏈部件承載機(jī)理， 評估傳動鏈部件強(qiáng)度或疲勞壽命等。 以六自由度正弦載荷加載工況為例，對該試驗(yàn)工況下地面試驗(yàn)簡化影響進(jìn)行分析（圖6）。

圖6 正弦載荷加載工況下簡化影響分析過程圖Fig.6 Process diagram of the abstraction influence analysis under sinusoidal loading condition

式中：Fxload為軸向力加載載荷；Fyload為Y 向徑向力加載載荷；Fzload為Z 向徑向力加載載荷；Grot為機(jī)組葉輪重力；Gtestbench為試驗(yàn)平臺上載荷加載裝置重力；Mxload為扭矩加載載荷；Myload為Y 向彎矩加載載荷；Mzload為Z 向彎矩加載載荷。

將六自由度正弦加載載荷分別施加到被試機(jī)組動力學(xué)模型和地面試驗(yàn)平臺動力學(xué)模型相關(guān)部件上，并分別進(jìn)行機(jī)組動力學(xué)仿真與試驗(yàn)平臺虛擬試驗(yàn)仿真。 仿真結(jié)束后，提取兩個(gè)模型中傳動鏈主軸承位置處的六自由度載荷仿真結(jié)果（圖7）。

由圖7 可知：Fx，F(xiàn)y，Mx及My幅值均大于實(shí)際機(jī)組值， 最大幅值差值約為400 kN；Mz幅值小于實(shí)際機(jī)組值； 正弦加載載荷激發(fā)了試驗(yàn)平臺和機(jī)組振動模態(tài)，使傳動鏈載荷頻譜在除1 Hz 加載頻率外的其他頻率點(diǎn)出現(xiàn)一定差異。實(shí)際機(jī)組Mx頻譜中出現(xiàn)的1.70 Hz 和3.02 Hz 頻率峰值，分別對應(yīng)機(jī)組一階和二階葉片對稱Fx，F(xiàn)y，Mx及My頻譜中均出現(xiàn)的0.25 Hz 塔架模態(tài)頻率峰值。 地面試驗(yàn)平臺上Mx頻譜中出現(xiàn)了6.65 Hz 扭振模態(tài)頻率峰值。 因此，為準(zhǔn)確評估傳動鏈性能，需對試驗(yàn)平臺上加載載荷進(jìn)行幅值和頻率修正， 使被試傳動鏈承載特性與實(shí)際機(jī)組傳動鏈相同， 同時(shí)對被試傳動鏈扭矩信號進(jìn)行扭振頻率濾除， 或基于優(yōu)化控制算法進(jìn)行試驗(yàn)平臺扭振抑制。

圖7 正弦載荷加載工況下仿真結(jié)果對比Fig.7 Simulation results comparison under sinusoidal loading condition

6 結(jié)論

本文以某10 MW 級風(fēng)電機(jī)組傳動鏈地面試驗(yàn)平臺為研究對象， 采用虛擬仿真方法開展了地面試驗(yàn)平臺簡化影響分析，得出以下結(jié)論。

①對兩種典型試驗(yàn)工況下傳動鏈動態(tài)特性進(jìn)行仿真分析后發(fā)現(xiàn)， 由于地面試驗(yàn)平臺與實(shí)際機(jī)組存在轉(zhuǎn)動慣量差異、 關(guān)鍵部件重力差異及模態(tài)差異等， 導(dǎo)致被試傳動鏈與機(jī)組傳動鏈呈現(xiàn)出不完全一致的動態(tài)特性。

②為使地面試驗(yàn)?zāi)軌蛘鎸?shí)反映實(shí)際機(jī)組情況，需要對試驗(yàn)平臺上加載載荷進(jìn)行修正或優(yōu)化，包括轉(zhuǎn)動慣量補(bǔ)償、 重力補(bǔ)償、 幅值與頻率修正等， 同時(shí)對傳動鏈扭矩響應(yīng)信號進(jìn)行扭振頻率濾除，或基于優(yōu)化控制算法進(jìn)行試驗(yàn)平臺扭振抑制。