CN109356789A - 一种基于数字孪生的风机直驱变桨距系统及优化设计方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于数字孪生的风机直驱变桨距系统及优化设计方法，属于一种风力发电机系统优化设计方法。通过安装在风机直驱变桨距系统物理实体模型中的SCADA系统及传感器，完成对发电机转速、风速、功率、桨距角、变桨力矩、桨叶振动、环境温度等数据的采集，通过数字孪生映射模型将数据传送到风机直驱变桨距系统数字孪生虚拟空间，风机直驱变桨距系统数字孪生虚拟空间通过对传感器更新，历史运行数据等的分析，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真，反映相应风机直驱变桨距系统物理实体装备的生命周期过程，完成系统优化设计、生产以及更可靠的运维，可以避免传统变桨距系统必须先制造，再对方案的质量和可制造性评估的问题，有效降低了生产成本。

Description

一种基于数字孪生的风机直驱变桨距系统及优化设计方法
技术领域
本发明涉及一种风力发电机系统及其优化设计方法，特别是一种风力发电机永磁直驱变桨距系统及其优化设计方法。
背景技术
风力发电机组中的电动变桨距系统用于不同风速工况下桨叶角度的变化，从而实现最大限度的捕获风能，并保证风机在高风速区能保持安全稳定运行。
目前传统的电动变桨距系统采用三相异步交流电机配合减速器的传动方式完成变桨工作，该类机电传动线路较长、环节较多，极易出现诸多故障，并且变桨机构安装在塔架上方，一旦出现故障，设备维修难度非常大，优化成本较高。另外，对风机变桨距系统的优化完善过程为整体设计研发-实体产品加工-优化完善的一个基本过程，该优化完善过程不仅延长了时间，同时增加了成本，并且无法预测后续产品在运行过程中可能出现的问题。
数字孪生是一种集成多物理、多尺度、多学科属性，具有实时同步、忠实映射、高保真度特性，能够实现物理世界与信息世界交互与融合的技术手段。数字孪生虚拟空间模型是物理实体忠实的数字化镜像，集成与融合了几何、物理、行为及规则4层模型，可以有效对物理实体模型进行评估、优化、预测和评测。同时随着稀土永磁材料及电力电子技术和控制技术的发展，永磁同步电机以其低转速，大扭矩，体积小的优点逐步得到应用，再加上“直接驱动”理念的大势所趋，本发明提出了一种基于数字孪生的风机直驱变桨距系统优化设计方法。
发明内容
本发明的目的是要提供一种基于数字孪生的风机直驱变桨距系统及其优化设计方法，
解决传统风力发电机变桨距系统传动线路长，传动环节多，易出现诸多故障，维修难度大以及优化改善困难，优化成本较高的问题。
本发明的目的是这样实现的：本发明基于数字孪生的风机直驱变桨距系统及其优化设计方法。
所述的风机直驱变桨距系统包括：永磁电机变频器(3)、永磁同步电机(5)、变桨距小齿轮(4)、变桨距大齿圈(2)和桨叶(1)；所述永磁同步电机(5)的输出轴上连接有变桨距小齿轮(4)，作为驱动源直接驱动变桨距小齿轮(4)转动；变桨距小齿轮(4)与变桨距大齿圈(2)啮合，带动变桨距大齿圈(2)转动；桨叶(1)安装在桨距大齿圈(2)上，桨叶(1)也随桨距大齿圈(2)的转动而转动，永磁电机变频器(3)为永磁同步电机(5)提供变频电源，控制永磁同步电机(5)运转；永磁电机变频器(3)控制永磁同步电机(5)的转动速度，完成风力发电机变桨工作。
一种基于数字孪生的风机直驱变桨距系统的优化设计方法，包括如下步骤：
A.通过安装在风机直驱变桨距系统物理实体中的SCADA系统及传感器，完成对发电机转速、时间、风速、功率、桨距角、变桨力矩、桨叶振动和环境温度数据的采集，采集到的数据，上传到SCADA系统，系统完成数据的记录、保存、显示和极端状况下的报警；
B.将SCADA系统采集到的数据信息通过数字孪生映射模型传送到风机直驱变桨距系统数字孪生虚拟空间模型；
C.风机直驱变桨距系统数字孪生虚拟空间模型通过对传感器信息的更新，历史运行数据的分析，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真；
D.通过仿真，反映相对应风机直驱变桨距系统物理实体装备的生命周期过程，完成风机直驱变桨距系统的优化设计，优化生产以及更可靠的运维。
进一步，所述风机直驱变桨距系统，使用具有速度在30r/min～35r/min，转矩在550N·m～600N·m的低速大扭矩永磁同步电机作为驱动源，省去了传统传动链中的减速器。
进一步，所述的SCADA系统在风电机组正常运行发电时，从SCADA系统采集的可用数据信号超过150个，并将数据信号经过数字孪生映射模型传递到风机直驱变桨距系统数字孪生虚拟空间模型。
进一步，所述的风机永磁直驱变桨距系统数字孪生虚拟空间模型通过安装在风机直驱变桨距系统物理实体中传感器实时采集到的数据信息，以及历史运行数据，完全模拟风机直驱变桨距系统物理实体设备的实际运行工况，完成虚拟运行环境下风机直驱变桨距系统的优化设计。
进一步，所述风机永磁直驱变桨距系统数字孪生虚拟空间模型通过对物理实体信息的实时反映，对风机永磁直驱变桨距系统运行状态的在线评估和预测，当系统处于异常状态时，提前发出预警。
有益效果，由于采用了上述方案，通过安装在风力发电机永磁直驱变桨距系统物理实体模型中的SCADA系统及传感器，完成对发电机转速、时间、风速、功率、桨距角、变桨力矩、桨叶振动、环境温度等数据的采集，并通过数字孪生映射模型将数据传送到风力发电机永磁直驱变桨距系统数字孪生虚拟空间模型，永磁直驱变桨距系统数字孪生虚拟空间模型通过对传感器更新，历史运行数据等的分析，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真，从而反映相对应永磁直驱变桨距系统物理实体装备的生命周期过程，完成系统的优化设计，优化生产以及更可靠的运行、维护，可以避免传统风力发电机永磁直驱变桨距系统完成设计后必须先制造出实体零部件，才能对设计方案的质量和可制造性进行评估，避免在不切实际上浪费时间，降低实体设计的研发成本，有效降低了生产成本，同时根据实时数据，实现了永磁直驱变桨距系统运行状态的在线评估和预测，当系统处于异常状态时，可提前发出预警，避免了故障带来的经济和安全隐患，达到了早期预警作用，为工程师提供了更好的运行维护决策。
本发明提供的一种基于数字孪生技术的风力发电机永磁直驱变桨距系统优化设计方法，根据实时数据，实现了风力发电机永磁直驱变桨距系统运行状态的在线评估和预测，当系统处于异常状态时，提前发出预警，避免了故障带来的经济和安全隐患，达到了早期预警作用，为工程师提供了更好的运行维护决策；所设计的风力发电机永磁直驱变桨距系统缩短了传动链，有效降低了系统故障率，提高了有效运行时间。避免了传统永磁直驱变桨距系统完成设计后必须先制造出实体零部件，才能对设计方案的质量和可制造性进行评估的问题，有效降低了生产成本。
解决了传统风力发电机变桨距系统传动线路长，传动环节多，易出现诸多故障，维修难度大以及优化改善困难，优化成本较高的问题，达到了本发明的目的。
优点：基于数字孪生的优化设计方法缩短了设计周期，降低了设计成本，提高了产品的质量，为后期预警和运维提供了便利，所设计的永磁直驱变桨距系统采用永磁同步电机作为驱动源，可以节约能源，同时省去了中间减速器，因此系统的可靠性高，经济性优。
附图说明：
图1是本发明的数字孪生产品参考系统架构。
图2是本发明的风机变桨距系统优化设计过程图。
图中，1、桨叶；2、变桨距大齿圈；3、永磁电机变频器；4、变桨距小齿轮；5、永磁同步电机。
具体实施方式
本发明的一种基于数字孪生风机直驱变桨距系统及其优化设计方法，风机直驱变桨距系统包括：永磁电机变频器3、永磁同步电机5、变桨距小齿轮4、变桨距大齿圈2和桨叶1；所述永磁同步电机5的输出轴上连接有变桨距小齿轮4，作为驱动源直接驱动变桨距小齿轮4转动；变桨距小齿轮4与变桨距大齿圈2啮合，带动变桨距大齿圈2转动；桨叶1安装在桨距大齿圈2上，桨叶1也随桨距大齿圈2的转动而转动，永磁电机变频器3为永磁同步电机5提供变频电源，控制永磁同步电机5运转；永磁电机变频器3控制永磁同步电机5的转动速度，完成风力发电机变桨工作。
所述设计方法包括如下步骤：
A.通过安装在风机直驱变桨距系统物理实体中的SCADA系统及传感器，完成对发电机转速、时间、风速、功率、桨距角、变桨力矩、桨叶振动和环境温度数据的采集，采集到的数据，上传到SCADA系统，系统完成数据的记录、保存、显示和极端状况下的报警；
B.将SCADA系统采集到的数据信息通过数字孪生映射模型传送到风机直驱变桨距系统数字孪生虚拟空间模型；
C.风机直驱变桨距系统数字孪生虚拟空间模型通过对传感器信息的更新，历史运行数据的分析，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真；
D.通过仿真，反映相对应风机直驱变桨距系统物理实体装备的生命周期过程，完成风机直驱变桨距系统的优化设计，优化生产以及更可靠的运维。
进一步，所述风机直驱变桨距系统，使用具有速度在30r/min～35r/min，转矩在550N·m～600N·m的低速大扭矩永磁同步电机作为驱动源，省去了传统传动链中的减速器。
进一步，所述的SCADA系统在风电机组正常运行发电时，从SCADA系统采集的可用数据信号超过150个，并将数据信号经过数字孪生映射模型传递到风机直驱变桨距系统数字孪生虚拟空间模型。
进一步，所述的风机永磁直驱变桨距系统数字孪生虚拟空间模型通过安装在风机直驱变桨距系统物理实体中传感器实时采集到的数据信息，以及历史运行数据，完全模拟风机直驱变桨距系统物理实体设备的实际运行工况，完成虚拟运行环境下风机直驱变桨距系统的优化设计；避免在不切实际上浪费时间，降低实体设计的研发成本。
进一步，所述风机永磁直驱变桨距系统数字孪生虚拟空间模型通过对物理实体信息的实时反映，对风机永磁直驱变桨距系统运行状态的在线评估和预测，当系统处于异常状态时，提前发出预警，避免出现不必要的损失。
下面结合附图对本发明作进一步说明：
实施例1：图1所示为数字孪生产品参考系统架构，所述风机直驱变桨距系统包括：所述风机直驱变桨距系统主要包括永磁电机变频器3、永磁同步电机5、变桨距小齿轮4、变桨距大齿圈2、桨叶1，所述永磁同步电机作为驱动源直接驱动变桨小齿轮转动，变桨距小齿轮带动变桨距大齿圈转动，桨叶也随之转动，永磁电机变频器控制永磁同步电机运转，在永磁电机变频器控制下完成风力发电机变桨工作。
风力发电机变桨，具体步骤如下：
A.通过安装在风机直驱变桨距系统物理实体中的SCADA系统及传感器，完成对发电机转速、时间、风速、功率、桨距角、变桨力矩、桨叶振动和环境温度数据的采集，采集到的数据，上传到SCADA系统，系统完成数据的记录、保存、显示和极端状况下的报警；
B.将SCADA系统采集到的数据信息通过数字孪生映射模型传送到风机直驱变桨距系统数字孪生虚拟空间模型；
C.风机直驱变桨距系统数字孪生虚拟空间模型通过对传感器信息的更新，历史运行数据的分析，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真；
D.通过仿真，反映相对应风机直驱变桨距系统物理实体装备的生命周期过程，完成风机直驱变桨距系统的优化设计，优化生产以及更可靠的运维。
进一步，所述风机直驱变桨距系统，使用具有速度在30r/min～35r/min，转矩在550N·m～600N·m的低速大扭矩永磁同步电机作为驱动源，省去了传统传动链中的减速器。
进一步，所述的SCADA系统在风电机组正常运行发电时，从SCADA系统采集的可用数据信号超过150个，并将数据信号经过数字孪生映射模型传递到风机直驱变桨距系统数字孪生虚拟空间模型。
图2所示为风机变桨距系统优化设计过程图，以产品设计和制造过程为例，建立如图2所示的融合了数字孪生体和数字纽带的应用示例。
风机直驱变桨距系统仿真分析模型的参数可以传递到风机直驱变桨距系统定义的全三维模型，再传递到数字化生产线加工/装配成真实的物理实体产品，通过在线的数字化检验/测量系统反映到风机直驱变桨距系统定义模型中，再反馈到风机直驱变桨距系统仿真分析模型中。通过数字纽带实现了产品生命周期阶段间的模型和关键数据双向交互，使得产品生命周期各阶段的模型保持一致，最终实现了闭环的产品全生命周期数据管理和模型管理。

Claims (6)

1.一种基于数字孪生的风机直驱变桨距系统，其特征是：风机直驱变桨距系统包括：永磁电机变频器(3)、永磁同步电机(5)、变桨距小齿轮(4)、变桨距大齿圈(2)和桨叶(1)；所述永磁同步电机(5)的输出轴上连接有变桨距小齿轮(4)，作为驱动源直接驱动变桨距小齿轮(4)转动；变桨距小齿轮(4)与变桨距大齿圈(2)啮合，带动变桨距大齿圈(2)转动；桨叶(1)安装在桨距大齿圈(2)上，桨叶(1)也随桨距大齿圈(2)的转动而转动，永磁电机变频器(3)为永磁同步电机(5)提供变频电源，控制永磁同步电机(5)运转；永磁电机变频器(3)控制永磁同步电机(5)的转动速度，完成风力发电机变桨工作。
2.采用基于数字孪生的风机直驱变桨距系统的优化设计方法，其特征是：包括如下步骤：
A.通过安装在风机直驱变桨距系统物理实体中的SCADA系统及传感器，完成对发电机转速、时间、风速、功率、桨距角、变桨力矩、桨叶振动和环境温度数据的采集，采集到的数据，上传到SCADA系统，系统完成数据的记录、保存、显示和极端状况下的报警；
B.将SCADA系统采集到的数据信息通过数字孪生映射模型传送到风机直驱变桨距系统数字孪生虚拟空间模型；
C.风机直驱变桨距系统数字孪生虚拟空间模型通过对传感器信息的更新，历史运行数据的分析，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真；
D.通过仿真，反映相对应风机直驱变桨距系统物理实体装备的生命周期过程，完成风机直驱变桨距系统的优化设计，优化生产以及更可靠的运维。
3.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的风机直驱变桨距系统优化设计方法，其特征是：所述风机直驱变桨距系统，使用具有速度在30r/min～35r/min，转矩在550N·m～600N·m的低速大扭矩永磁同步电机作为驱动源，省去了传统传动链中的减速器。
4.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的风机直驱变桨距系统优化设计方法，其特征是：所述的SCADA系统在风电机组正常运行发电时，从SCADA系统采集的可用数据信号超过150个，并将数据信号经过数字孪生映射模型传递到风机直驱变桨距系统数字孪生虚拟空间模型。
5.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的风机直驱变桨距系统优化设计方法，其特征是：所述的风机永磁直驱变桨距系统数字孪生虚拟空间模型通过安装在风机直驱变桨距系统物理实体中传感器实时采集到的数据信息，以及历史运行数据，完全模拟风机直驱变桨距系统物理实体设备的实际运行工况，完成虚拟运行环境下风机直驱变桨距系统的优化设计。
6.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的风机直驱变桨距系统优化设计方法，其特征是：所述风机永磁直驱变桨距系统数字孪生虚拟空间模型通过对物理实体信息的实时反映，对风机永磁直驱变桨距系统运行状态的在线评估和预测，当系统处于异常状态时，提前发出预警。
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