CN112395770B - 一种风电机组传动链地面试验平台简化影响分析方法 - Google Patents

一种风电机组传动链地面试验平台简化影响分析方法 Download PDF

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Abstract

一种风电机组传动链地面试验平台简化影响分析方法，首先建立被试风电机组和地面试验平台动力学模型。进一步的，进行被试风电机组和地面试验平台模态分析，并针对机组实际运行工况和特定载荷加载工况等两种典型地面试验工况，进行被试风电机组和地面试验平台动态特性仿真分析。最后，对地面试验平台上被试传动链和被试风电机组传动链动态特性仿真结果进行对比，分析地面试验平台在简化叶轮和塔架部件，增加拖动电机和载荷加载装置后对被试传动链动态特性的影响。

Description

一种风电机组传动链地面试验平台简化影响分析方法
技术领域
本发明涉及一种风电机组传动链地面试验平台简化影响分析的方法。
背景技术
大型风电机组传动链主要由主轴、齿轮箱、发电机等部件构成，是机组的核心部分。风电机组大型化已成未来趋势。大功率风电机组运行环境复杂恶劣，运维难度大，为确保其稳定可靠运行，对传动链部分的试验工作提出了越来越高的要求。近年来，传动链地面试验受到国内外广泛重视和依赖，通过地面试验，可为传动链研发设计及性能评价提供可控的试验环境，快速有效对新技术、新产品进行试验验证，降低技术风险，缩短研发周期。
国内外对传动链地面试验的重视推动了地面试验技术的不断提高，传动链地面试验平台已由早期小功率拖动试验台发展到具备对完整六自由度风载荷及不同电网条件等全工况模拟能力的大功率试验台。与风电场实际运行的风电机组相比，传动链地面试验平台简化了叶轮和塔架等部件，通过增加拖动电机和载荷加载装置等模拟风载荷，其物理特性与机组不同。当进行地面试验时，由于被试传动链未受到叶轮和塔架等“缺失”部件的耦合影响，其动态响应特性与实际机组传动链存在较大差异，这可能导致地面试验结果出现一定偏差。因此，需要探究地面试验平台在简化叶轮和塔架等部件后对被试传动链动态响应特性的影响机理，从而为抑制简化影响的相关技术与方法提出提供理论支撑，确保地面试验结果真实可信。
近年来，国内外学者针对传动链地面试验开展了大量研究工作，例如CastellóJ,M等(CastellóJ,M.EspíJ,García-Gil R.Development details and PerformanceAssessment of a Wind Turbine Emulator[J].Renewable Energy,2016,86:848-857)研究了适用于传动链地面试验的叶轮扭矩模拟技术，殷秀兴等(殷秀兴，顾亚京，林勇刚等.复现风电机组五自由度载荷的加载控制方法[J].浙江大学学报(工学版),2015,49(8):1470-1477)提出了风电机组五自由度非扭矩载荷地面模拟控制方法。目前国内外研究重点主要集中在地面试验工况模拟技术方面，所提出的模拟控制方法尚未全面考虑地面试验平台的简化影响。
发明内容
本发明的目的是弥补现有技术的不足，提出一种风电机组传动链地面试验平台简化影响分析方法。本发明能够有效探究地面试验平台在简化叶轮和塔架等部件后对被试传动链动态特性的影响机理，从而为抑制简化影响的相关技术与方法提出提供理论支撑，确保地面试验结果真实可信。
本发明采用如下技术方案：
所述的传动链地面试验平台简化影响分析方法，首先建立被试风电机组整机动力学模型和传动链地面试验平台动力学模型；进一步的，进行被试风电机组和传动链地面试验平台模态分析，并针对机组实际运行工况和特定载荷加载工况的两种典型地面试验工况，进行被试风电机组和地面试验平台动态特性仿真分析，最后对试验平台上被试传动链和被试风电机组传动链动态特性仿真结果进行对比，分析传动链地面试验平台在简化叶轮和塔架部件，增加拖动电机和载荷加载装置后对被试传动链动态特性的影响。
所述的被试风电机组整机动力学模型由叶轮、塔架、主轴承、齿轮箱和发电机组成；被试风电机组整机动力学模型采用带拉格朗日乘子的第一类拉格朗日方程建立，动力学方程为：
式中，T为被试机组广义坐标表达的动能；qr为第r个部件的广义坐标；t为时间变量；Qr为在广义坐标qr方向的广义力，包括气动载荷、弹性力、发电机电磁转矩；φ为被试机组约束方程；λi为拉格朗日乘子；i为拉格朗日乘子序号；n为拉格朗日乘子个数。
所述的传动链地面试验平台动力学模型主要由拖动电机、五自由度非扭矩载荷加载装置和被试机组传动链组成；传动链地面试验平台动力学模型采用带拉格朗日乘子的第一类拉格朗日方程建立，动力学方程为：
式中，T为地面试验平台广义坐标表达的动能；qr为第r个部件的广义坐标；t为时间变量；Qr为在广义坐标qr方向的广义力，包括加载载荷、弹性力、发电机电磁转矩；φ为试验平台约束方程；λi为拉格朗日乘子；i为拉格朗日乘子序号；n为拉格朗日乘子个数。
所述的被试风电机组和地面试验平台模态分析分别是基于各自动力学模型进行的。分别在风电机组额定转速状态下进行模态计算，计算结束后，从计算结果中提取被试风电机组和地面试验平台20Hz以下固有频率与振型。
所述的机组实际运行工况下试验平台和被试机组动态特性仿真分析方法为：基于风电机组动力学模型进行实际运行工况下整机动态仿真。仿真结束后，从仿真结果中提取轮毂中心气动转矩及五自由度非扭矩载荷-时间历程；将轮毂中心气动转矩及五自由度非扭矩载荷-时间历程作为地面试验加载载荷，施加到地面试验平台动力学模型上进行虚拟地面试验仿真，仿真中被试机组根据转速-转矩曲线实时反馈电磁转矩；所述的机组实际运行工况包括机组正常发电工况，以及机组启动、停机、变桨故障、偏航故障和电网故障等暂态工况。
所述的特定载荷加载工况下被试机组和地面试验平台动态特性仿真分析方法为：根据额定风速下被试风电机组传动链轮毂中心载荷幅值及频率值确定特定加载载荷参数，将特定加载载荷分别施加到被试风电机组动力学模型以及地面试验平台动力学模型相关部件上，完成被试风电机组动态特性仿真与地面试验平台动态特性仿真，仿真中被试机组根据转速-转矩曲线实时反馈电磁转矩；所述的特定载荷加载工况包括阶跃载荷加载工况、正弦载荷加载工况或其他自定义载荷加载工况等。
所述的地面试验平台上被试传动链和被试风电机组传动链动态特性仿真结果对比方法是：全部仿真结束后，分别提取地面试验平台上被试传动链和被试风电机组传动链主轴角速度仿真波形，以及主轴承、齿轮箱等传动链部件六自由度载荷仿真波形，包括时域波形和频域波形；通过时域波形对比，分析地面试验平台上被试传动链与被试风电机组传动链承载特性以及稳态、暂态响应特性差异；通过频域波形对比，分析地面试验平台上被试传动链频谱所含频率成分与被试风电机组传动链频率成分差异；基于时域波形和频率波形差异分析，同时结合模态计算结果，分析被试机组叶片、塔架等部件以及试验平台上拖动电机、载荷加载装置等部件对传动链承载特性及振动特性耦合影响。
附图说明
图1为实施例中风电机组传动链地面试验平台主体结构图；
图2为风电机组传动链地面试验平台简化影响分析方法流程图；
图3为实施例中某被试风电机组和地面试验平台固有频率与振型计算结果；
图4为机组实际运行工况下传动链地面试验平台简化影响分析过程图；
图5为特定载荷加载工况下传动链地面试验平台简化影响分析过程图；
图6a、图6b、图6c为实施例中正常发电工况下地面试验平台上被试传动链和被试风电机组传动链仿真波形对比。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为一个实施例中风电机组传动链地面试验平台主体结构图，试验平台功率等级为10MW，由拖动电机、非扭矩载荷加载装置和被试风电机组等组成。其中被试风电机组为5MW双馈型机组。
图2为风电机组传动链地面试验平台简化影响分析方法流程图。分析方法主要分为三部分，首先，建立被试风电机组和地面试验平台动力学模型。进一步的，进行被试风电机组和地面试验平台模态分析，并针对机组实际运行工况和特定载加载工况等两种典型地面试验工况，进行被试风电机组和地面试验平台动态特性仿真分析。最后，对地面试验平台上被试传动链和被试风电机组传动链动态特性仿真结果进行对比，分析地面试验平台在简化叶轮和塔架部件，增加拖动电机和载荷加载装置后对被试传动链动态特性的影响机理。
本发明各步骤具体如下：
(1)首先，建立被试风电机组和地面试验平台动力学模型。被试风电机组整机动力学模型由叶轮、塔架、主轴承、齿轮箱、发电机等部件组成。对叶片和塔架部件采用分段式建模，将叶片和塔架部件的拉伸、扭转与弯曲刚度以各段之间结合面上的刚度矩阵进行等效。将传动链中主轴承部件等效成旋转运动副，将齿轮箱、发电机等部件等效成刚性体，考虑传动链主轴与高速轴扭转刚度和阻尼，以弹簧-阻尼系统等效。被试风电机组动力学模型采用带拉格朗日乘子的第一类拉格朗日方程建立，动力学方程为：
式中，T为被试机组广义坐标表达的动能；qr为第r个部件的广义坐标；t为时间变量；Qr为在广义坐标qr方向的广义力，包括气动载荷、弹性力、发电机电磁转矩；φ为被试机组约束方程；λi为拉格朗日乘子；i为拉格朗日乘子序号；n为拉格朗日乘子个数。
地面试验平台动力学模型主要由拖动电机、五自由度非扭矩载荷加载装置以及被试机组传动链部件组成。建模时分别将各部件等效成刚性体，考虑各连接轴扭转刚度和阻尼，以弹簧-阻尼系统等效。根据试验平台实际装配与约束情况，对拖动电机部件采用旋转运动副约束，拖动电机与载荷加载装置之间采用铰接约束与滑动副约束，载荷加载装置与被试传动链之间采用固接约束。传动链地面试验平台动力学模型采用带拉格朗日乘子的第一类拉格朗日方程建立，动力学方程为：
式中，T为地面试验平台广义坐标表达的动能；qr为第r个部件的广义坐标；t为时间变量；Qr为在广义坐标qr方向的广义力，包括加载载荷、弹性力、发电机电磁转矩；φ为试验平台约束方程；λi为拉格朗日乘子；i为拉格朗日乘子序号；n为拉格朗日乘子个数。
(2)分别基于被试风电机组动力学模型及地面试验平台动力学模型，将被试风电机组额定转速下主轴扭矩和高速轴电磁转矩作为输入载荷，分别加载到被试风电机组和地面试验平台动力学模型上，进行额定状态下模态分析。计算结束后，分析提取被试风电机组和地面试验平台20Hz以下固有频率与振型。图2为实施例中某被试风电机组和地面试验平台固有频率与振型计算结果。
(3)进行机组实际运行工况下被试风电机组和地面试验平台动态特性仿真分析，机组实际运行工况主要包括：正常发电工况，以及机组启动、停机、变桨故障、偏航故障和电网故障等暂态工况。具体分析流程如图3所示：首先基于风电机组动力学模型进行实际运行工况下整机动态仿真。仿真结束后，从仿真结果中提取出轮毂中心气动转矩及五自由度非扭矩载荷-时间历程。将轮毂中心气动转矩及五自由度非扭矩载荷-时间历程作为地面试验加载载荷，施加到地面试验平台动力学模型上进行虚拟地面试验仿真，仿真中被试机组根据转速-转矩曲线实时反馈电磁转矩。
(4)进行特定载荷加载工况下被试风电机组和地面试验平台动态特性仿真分析，特定载荷加载工况包括阶跃载荷加载工况、正弦载荷加载工况或其他自定义载荷加载工况等。具体分析流程如图4所示：根据额定风速下被试风电机组传动链轮毂中心载荷幅值及频率值确定特定加载载荷参数，将特定加载载荷分别施加到被试风电机组动力学模型以及地面试验平台动力学模型相关部件上，并完成被试风电机组动态特性仿真与地面试验平台动态特性仿真，仿真中被试机组根据转速-转矩曲线实时反馈电磁转矩。
(5)全部仿真结束后，分别提取地面试验平台上被试传动链和被试风电机组传动链主轴角速度仿真波形，以及主轴承、齿轮箱等传动链部件六自由度载荷仿真波形，包括时域波形和频域波形。通过时域波形对比，分析地面试验平台上被试传动链与被试风电机组传动链承载特性以及稳态、暂态响应特性差异。通过频域波形对比，分析地面试验平台上被试传动链频谱所含频率成分与被试风电机组传动链频率成分差异。基于时域波形和频率波形差异分析，同时结合模态计算结果，分析被试机组叶片、塔架等部件以及试验平台上拖动电机、载荷加载装置等部件对传动链承载特性及振动特性耦合影响。图6a、图6b、图6c为实施例中正常发电工况下地面试验平台上被试传动链和被试风电机组传动链仿真波形对比，其中，图6a为地面试验平台上被试传动链和被试风电机组传动链角速度时域波形对比，与实际机组相比，地面试验平台上传动链角速度具有较大幅值与波动值，传动链出现超速失稳现象；图6b和图6c为地面试验平台上被试传动链和被试风电机组传动链主轴承扭矩时域波形和频域波形对比，与实际机组相比，地面试验平台上传动链扭矩具有较大幅值与波动值，机组传动链扭矩频谱中主要频率为2.26Hz频率，该频率为叶片和塔架耦合振动频率。地面试验平台上传动链扭矩频谱中2.26Hz频率峰值小于机组值，但6.65Hz扭振频率峰值较高。由图6a、图6b、图6c分析地面试验平台上传动链角速度和扭矩与实际机组不同的主要原因在于：1)地面试验平台与被试机组叶轮转动惯量存在差异，需要进行转动惯量补偿；2)试验平台上扭振模态被激发，加剧传动链动态响应波动，需要抑制试验平台扭振模态影响。

Claims (4)

1.一种风电机组传动链地面试验平台简化影响分析方法，其特征在于：所述的传动链地面试验平台简化影响分析方法，首先建立被试风电机组整机动力学模型和和传动链地面试验平台动力学模型；进一步的，进行被试风电机组和传动链地面试验平台模态分析，并针对机组实际运行工况和特定载荷加载工况的两种典型地面试验工况，进行被试风电机组和传动链地面试验平台动态特性仿真分析，最后对地面试验平台上被试传动链和被试风电机组传动链动态特性仿真结果进行对比，分析传动链地面试验平台在简化叶轮和塔架部件，增加拖动电机和载荷加载装置后对被试传动链动态特性的影响；
进行机组实际运行工况下被试风电机组和地面试验平台动态特性仿真分析的方法为：基于风电机组动力学模型进行实际运行工况下整机动态仿真，仿真结束后，从仿真结果中提取轮毂中心气动转矩及五自由度非扭矩载荷-时间历程；将轮毂中心气动转矩及五自由度非扭矩载荷-时间历程作为地面试验加载载荷，施加到地面试验平台动力学模型上进行虚拟地面试验仿真，仿真中被试机组根据转速-转矩曲线实时反馈电磁转矩；所述的机组实际运行工况包括机组正常发电工况，以及机组启动、停机、变桨故障、偏航故障和电网故障暂态工况；
进行特定载荷加载工况下被试风电机组和地面试验平台动态特性仿真分析方法为：根据额定风速下被试风电机组传动链轮毂中心载荷幅值及频率值确定特定加载载荷参数，将特定加载载荷分别施加到被试风电机组动力学模型以及地面试验平台动力学模型相关部件上，完成被试风电机组动态特性仿真与地面试验平台动态特性仿真，仿真中被试机组根据转速-转矩曲线实时反馈电磁转矩；所述的特定载荷加载工况包括阶跃载荷加载工况、正弦载荷加载工况或其他自定义载荷加载工况；
全部仿真结束后，对地面试验平台上被试传动链和被试风电机组传动链动态特性仿真结果进行对比，分别提取地面试验平台上被试传动链和被试风电机组传动链主轴角速度仿真波形，以及主轴承、齿轮箱传动链部件六自由度载荷仿真波形，包括时域波形和频域波形；通过时域波形对比，分析地面试验平台上被试传动链与被试风电机组传动链承载特性以及稳态、暂态响应特性差异；通过频域波形对比，分析地面试验平台上被试传动链频谱所含频率成分与被试风电机组传动链频率成分差异；基于时域波形和频率波形差异分析，同时结合模态计算结果，分析被试机组叶片、塔架部件以及试验平台上拖动电机、载荷加载装置部件对传动链承载特性及振动特性耦合影响。
2.按照权利要求1所述的风电机组传动链地面试验平台简化影响分析方法，其特征在于：所述的被试风电机组整机动力学模型由叶轮、塔架、主轴承、齿轮箱和发电机组成；被试风电机组动力学模型采用带拉格朗日乘子的第一类拉格朗日方程建立，动力学方程为：
式中，T为被试机组广义坐标表达的动能；qr为第r个部件的广义坐标；t为时间变量；Qr为在广义坐标qr方向的广义力，包括气动载荷、弹性力、发电机电磁转矩；φ为被试机组约束方程；λi为拉格朗日乘子；i为拉格朗日乘子序号；n为拉格朗日乘子个数。
3.按照权利要求1所述的风电机组传动链地面试验平台简化影响分析方法，其特征在于：所述的传动链地面试验平台动力学模型主要由拖动电机、五自由度非扭矩载荷加载装置和被试机组传动链组成；传动链地面试验平台动力学模型采用带拉格朗日乘子的第一类拉格朗日方程建立，动力学方程为：
式中，T为地面试验平台广义坐标表达的动能；qr为第r个部件的广义坐标；t为时间变量；Qr为在广义坐标qr方向的广义力，包括加载载荷、弹性力、发电机电磁转矩；φ为试验平台约束方程；λi为拉格朗日乘子；i为拉格朗日乘子序号；n为拉格朗日乘子个数。
4.按照权利要求1所述的风电机组传动链地面试验平台简化影响分析方法，其特征在于：分别基于被试风电机组及地面试验平台动力学模型，在风电机组额定转速状态下进行模态计算，计算结束后，分别从被试风电机组和地面试验平台计算结果中提取20Hz以下固有频率与振型。
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