高青風， 孫振興， 滕 偉， 柳亦兵

（華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京 102206）

風電作為可再生綠色環(huán)保型清潔能源，是改善能源結(jié)構(gòu)、應(yīng)對氣候變化和能源安全問題的主要替代能源之一。我國風電產(chǎn)業(yè)已進入規(guī)?；l(fā)展的階段，但核心設(shè)計制造技術(shù)水平和自主創(chuàng)新能力還比較低下[1]，且設(shè)計周期較長、冗余工作量大。原因之一風電機組龐大而復(fù)雜，模型構(gòu)建和使用等基礎(chǔ)技術(shù)不完善，而目前關(guān)于風電機組的建模多集中在物理和功能方面[2-5]，急需有效的解決方法。

風電機組序列化明顯，即同一種結(jié)構(gòu)的機組，各零部件采用相應(yīng)的幾何尺寸可獲得一定功率范圍（如現(xiàn)在的主流功率范圍1MW～5MW）內(nèi)不同額定功率的多臺機組。如對同一序列機組中所有型號均進行建模并使用，不但會造成大量信息冗余、存儲空間浪費；而且一旦結(jié)構(gòu)改進，需修正所有模型，重復(fù)工作量大、錯誤風險率高。論文基于二次參數(shù)化技術(shù)將風電機組序列作為整體進行建模能有效解決這些問題，并研發(fā)了相應(yīng)的建模系統(tǒng)，從模型新建、修改等方面驗證了序列化建模的正確性與合理性。

1 風電機組全參數(shù)化建模

單臺風電機組全參數(shù)化模型是風電機組序列化建模的基礎(chǔ)。全參數(shù)化模型即建模對象所有相關(guān)信息均用參數(shù)表示而形成的模型，隨功能的不同而有所不同。風電機組全參數(shù)化模型主要包含各零部件的幾何信息（含約束）和運動信息，并通過層次模型和數(shù)學模型逐步得到。

1.1 風電機組層次模型

建立層次模型是對一個復(fù)雜系統(tǒng)進行分解、簡化的有效方法。風電機組作為系統(tǒng)層根據(jù)外部結(jié)構(gòu)可以分為基礎(chǔ)、塔架、機艙、風輪、其他子系統(tǒng)等5個子系統(tǒng)；風輪子系統(tǒng)依據(jù)功能不同可以分為葉片、輪轂、變槳系統(tǒng)、連接件、其他部件等5個部件；部件層可以繼續(xù)分解為組件層，直至最后的屬性層，如圖1所示，即可得結(jié)構(gòu)明了、描述方便的風電機組層次模型。

圖1 風電機組層次模型

1.2 風電機組數(shù)學模型

層次模型中的幾何屬性描述部件的形狀、位置和擺放方向，運動屬性描述其運行性質(zhì)、方向和大?。淮_定葉片、輪轂、塔架等零部件的幾何屬性與運動屬性后，將它們按一定規(guī)則組合起來就成了所要描述的系統(tǒng)，其數(shù)學模型可以由式(1)表示

式中：S——風電機組系統(tǒng)；G——幾何屬性；V——運動屬性；

i——組件序號；n——組件個數(shù)；∑——元件有機組合規(guī)則；

F——形狀屬性；D——擺放方向?qū)傩?；P——位置屬性；

K——運動類型；A——運動方向?qū)傩?；N——速度大小屬性。

將幾何屬性F、D、P繼續(xù)數(shù)字化可得幾何屬性的數(shù)學模型見式(2)

式中：f1、f2、f3——形狀尺寸；

x、y、z——沿X、Y、Z軸位置；

θ、φ、ψ——與X、Y、Z軸的夾角。

將運動屬性K、A、N繼續(xù)數(shù)字化，即將宏觀物體運動進行分解為平動、轉(zhuǎn)動，并將這兩種運動繼續(xù)分解成運動方向和大小的組合，可得到運動屬性的數(shù)學模型如式(3)所示

式中：Md——平動方向參數(shù)；Mn——平動大小參數(shù)；

Rd——轉(zhuǎn)動方向參數(shù)；Rn——轉(zhuǎn)動大小參數(shù)；

α、β、γ——沿X、Y、Z軸方向；δ、λ、ω——繞X、Y、Z軸方向；

u、v、w——平動或轉(zhuǎn)動速度大小。

將式(2)和式(3)代入式(1)可得風電機組完整數(shù)學模型如式(4)所示

1.3 風電機組全參數(shù)化模型

由層次模型和數(shù)學模型可知，明確風電機組所有零件f1、f2、f3、θ、φ、ψ、α、β、γ、δ、λ、ω等參數(shù)及其相互位置和運動關(guān)系即可得風電機組全參數(shù)化模型。

以風電機組塔架與機艙連接面中心為坐標原點、垂直向下方向為X軸、水平指向輪轂方向為Z軸建立笛卡爾坐標系，則幾何屬性方面，各零部件位置、尺寸和方向可以確定；運動屬性方面，滾動、平動還是混合運動也可以確定。為節(jié)省篇幅，僅以風電機組重要部件變槳軸承為例，全參數(shù)化后可得如圖2所示模型，其中左邊部分為幾何屬性，右邊部分為運動屬性。

圖2 風電機組變槳軸承全參數(shù)化模型

2 二次參數(shù)化技術(shù)研究

所謂二次參數(shù)化方法就是在原有參數(shù)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)需要僅保留模型操作和修改時一定會發(fā)生變化的參數(shù)、并設(shè)置為用戶所熟悉的名稱以簡化模型的方法?？捎行Ы档湍Ｐ蛥?shù)操作數(shù)量和用戶使用難度。

2.1 二次參數(shù)化的必要性

全參數(shù)化模型中有些參數(shù)，如果齒輪的模數(shù)、軸承的內(nèi)徑等，可能隨載荷的增加而增大；而有些參數(shù)，如六角螺母兩側(cè)面夾角、某對齒輪的傳動比，還有絕大多數(shù)約束關(guān)系等，在模型操作和修改過程中均不會發(fā)生變化，故可以將其忽略而形成更簡單的參數(shù)模型。

同時，任何三維造型軟件對其中的三維模型所有參數(shù)均有一套自己的命名方法，但無論那種命名方法，均與國家標準、行業(yè)標準、日常名稱等無法聯(lián)系起來，如SolidEdge中某圓柱體直徑被命名為“V715”，與我們熟悉的“D”相差甚遠。故應(yīng)根據(jù)需要將上面簡化后的參數(shù)模型中部分或全部參數(shù)名改成日常使用、意義明確的名字，便于對模型的操作和修改。

風電機組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件數(shù)量眾多，且非標準件數(shù)量占相當比例，全參數(shù)化模型非常龐大，使用和修改困難，必須進行簡化。

2.2 二次參數(shù)化實現(xiàn)方法

由前文中全參數(shù)化模型可知，所有參數(shù)最終分為幾何參數(shù)和運動參數(shù)兩大部分，其中幾何參數(shù)，含約束關(guān)系，均由三維模型攜帶；而運動參數(shù)，一般在幾何參數(shù)上經(jīng)用戶定義，存儲在數(shù)據(jù)庫中。

2.2.1 幾何參數(shù)的二次參數(shù)化

為保證零件和裝配體信息的完整性，現(xiàn)常用三維造型軟件代替二維繪圖軟件進行幾何造型，形狀、尺寸和相互之間的約束均在造型時形成并存儲在模型信息中。其中形狀和約束在進行序列化設(shè)計時一般不會修改，尺寸參數(shù)也不是所有的都需要修改，如絕大多數(shù)角度、比例參數(shù)，故對于幾何參數(shù)的二次參數(shù)化集中在部分尺寸參數(shù)上即可。

具體方法主要借助造型軟件中的“參數(shù)列表”或“屬性列表”，通過選擇性輸出和重命名可以完成模型的二次參數(shù)化。以SolidEdge軟件中國家機械行業(yè)推薦標準（JB/T10705-2007[6]）零件“風電機組變槳軸承”為例，其參數(shù)列表及二次參數(shù)化結(jié)果如圖3所示。

圖3 變槳軸承參數(shù)列表及二次參數(shù)化示例

某尺寸參數(shù)是否成為二次參數(shù)模型的成員由“Expose”列是否被選中決定；而參數(shù)名稱可以在“Name”列直接修改，也可以直接新建參數(shù)后在“Formula”列輸入公式建立和原有參數(shù)的關(guān)系，直觀簡便。

2.2.2 運動參數(shù)二次參數(shù)化

運動信息無法在三維模型中直接體現(xiàn)，需由模型設(shè)計者指定某零件在機器中可能的運動性質(zhì)和方向，如圖2中所示的變槳軸承，相對于輪轂，其外圈沒有運動，內(nèi)圈只能繞軸線轉(zhuǎn)動，滾動體則即有可能繞軸線轉(zhuǎn)動也可能在滾道里滑動；至于速度大小則由實際運行時決定，定義相關(guān)參數(shù)即可。

這些運動參數(shù)，從模型設(shè)計者的角度，可以在構(gòu)建數(shù)據(jù)庫時主動選擇必須的參數(shù)并命名，或經(jīng)對三維造型軟件二次開發(fā)通過界面選擇并命名參數(shù)后由程序自動建立和維護相關(guān)數(shù)據(jù)庫；從模型使用者的角度，可以通過人機交互形式進行選擇和重命名，均可實現(xiàn)運動參數(shù)的二次參數(shù)化。

3 風電機組序列化建模

單臺機組的全參數(shù)模型經(jīng)過二次參數(shù)化后，需對各參數(shù)進行序列化處理得到風電機組序列化模型，該模型能代表和生成該序列風電機組所有型號的模型。

3.1 建模流程

序列化建模整體流程如圖4所示。需先對單臺機組建立層次模型，依據(jù)數(shù)學模型建立其全參數(shù)化模型；然后利用二次參數(shù)化技術(shù)建立二次參數(shù)化模型，并對該模型中所有參數(shù)根據(jù)實際需求進行序列化；最后為保證通過修改參數(shù)值生成新的三維模型時參數(shù)不至于相互矛盾，需確定相互間有關(guān)聯(lián)參數(shù)的修改順序，最終得到序列化模型。

圖4 風電機組序列化建模流程

如果不能正常生成新的模型，則需要檢查模型的正確性，如關(guān)聯(lián)參數(shù)的順序是否正確、參數(shù)序列化是否完整、二次參數(shù)化模型是否完整等，并返回相應(yīng)階段進行修改。其中關(guān)聯(lián)參數(shù)的修改順序主要和實際使用軟件有關(guān)，在此不做闡述。

3.2 模型參數(shù)序列化

序列化建模及模型管理的核心在于利用不同的參數(shù)序列構(gòu)建不同的實際模型。故經(jīng)過上述過程確定參數(shù)后，需進一步確定各參數(shù)的序列化值，由如下兩步可得：

1）以二次參數(shù)化模型中各參數(shù)名稱為列標題建立二維數(shù)據(jù)表，一般可通過人工手動或軟件自動完成；

2）確定各參數(shù)序列值，并填入數(shù)據(jù)表中。對于國家標準、行業(yè)標準和企業(yè)標準零件，系列值均已知，從標準中選擇與列標題對應(yīng)的值填入即可；對于非標準件，需根據(jù)實際需求建立序列值并輸入。

以風電機組中標準變槳軸承為例，其模型參數(shù)根據(jù)圖3所示風電軸承國家機械行業(yè)標準序列化后二維數(shù)據(jù)表如圖5所示。其中InGear表示內(nèi)齒式軸承、D表示軸承外徑、T表示軸承寬度等。

圖5 風電機組變槳軸承參數(shù)序列化數(shù)據(jù)表

4 序列化建模系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用

對風電機組某個序列來講，序列化建模一旦完成即為該序列中所有機組均建立了相應(yīng)的模型，整體建模效率非常高；但從圖4建模流程可知，該過程如完全由人工手動完成將耗費不少時間，需借助建模系統(tǒng)。課題組利用Visual C++對某三維造型軟件進行二次開發(fā)，實現(xiàn)對風電機組序列化建模原型系統(tǒng)。

4.1 系統(tǒng)構(gòu)架

系統(tǒng)的使用過程實際上是用戶輸入基本信息和需求信息，然后獲得所需要的結(jié)果信息的過程，經(jīng)歷了信息界面輸入、功能模塊信息處理、數(shù)據(jù)庫讀寫、提取所需輸出信息、結(jié)果信息界面顯示等5個步驟，具體構(gòu)架如圖6所示。

圖6 風電機組序列化建模系統(tǒng)構(gòu)架

其中“參數(shù)驅(qū)動”模塊是指在三維造型軟件中，根據(jù)參數(shù)序列化庫中相應(yīng)的數(shù)值對三維模型參數(shù)值進行更改從而實現(xiàn)模型修改或新模型生成的功能。

4.2 應(yīng)用實例

風電機組龐大且外形相近，序列化顯示效果不明顯，故在此選擇圖5所示變槳軸承為例。系統(tǒng)現(xiàn)有一個500kW風電機組上用的標準變槳單排四點接觸球軸承二次參數(shù)化模型，其三維幾何信息如圖7(a)所示；如要生成一個同序列2MW標準變槳軸承，通過簡單界面操作即可自動生成如圖7(b)所示的初步設(shè)計模型。

5 結(jié) 論

從風電機組序列化建模研究、系統(tǒng)實現(xiàn)和實例應(yīng)用可知：

1）研究提出的二次參數(shù)化技術(shù)可有效減少風電機組模型中需操作的參數(shù)量、提高模型友好性，降低了用戶使用難度，也為風電機組序列化建模奠定了基礎(chǔ)；

2）風電機組序列化建模方法可提供高效的模型管理，以該技術(shù)為核心的建模系統(tǒng)可快速完成同序列新風電機組的初步設(shè)計，設(shè)計效率高、錯誤率低、冗余工作量小，為風電機組模型建立和管理提供了一個有效的解決方案。

圖7 標準變槳軸承序列化建模應(yīng)用實例

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