蘭杰，林淑，宋聚眾

（東方電氣風(fēng)電有限公司，四川德陽(yáng)，618000）

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基于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)鏈扭轉(zhuǎn)頻率的研究與應(yīng)用

蘭杰，林淑，宋聚眾

（東方電氣風(fēng)電有限公司，四川德陽(yáng)，618000）

摘要：為了準(zhǔn)確地分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)鏈扭轉(zhuǎn)頻率，考慮風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)之間傳動(dòng)軸扭轉(zhuǎn)柔性的作用，通過(guò)等效的兩質(zhì)量塊模型，建立了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)鏈數(shù)學(xué)模型，結(jié)合模態(tài)分析法，計(jì)算出了該模型的2個(gè)模態(tài)頻率，并通過(guò)實(shí)際物理意義，獲得了表征傳動(dòng)鏈扭轉(zhuǎn)頻率的計(jì)算公式。并以FD70B風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)為例，將所得計(jì)算公式應(yīng)用到實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)中，分析出實(shí)際傳動(dòng)鏈扭轉(zhuǎn)頻率，并依據(jù)傳動(dòng)鏈扭轉(zhuǎn)頻率計(jì)算公式來(lái)指導(dǎo)模型參數(shù)校正，更好地為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，傳動(dòng)鏈，扭轉(zhuǎn)頻率，參數(shù)校正

0　引言

隨著風(fēng)能利用率要求的不斷提高，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)、控制方式也提出了新的要求［1］。風(fēng)力發(fā)電其實(shí)質(zhì)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能再進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成電能的過(guò)程。由風(fēng)輪到發(fā)電機(jī)構(gòu)成了整個(gè)風(fēng)機(jī)的傳動(dòng)鏈，因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求高，所以動(dòng)態(tài)性能的好壞也將直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能和傳動(dòng)效率，研究傳動(dòng)鏈頻率問(wèn)題對(duì)將來(lái)設(shè)計(jì)更大的機(jī)型具有重要意義和工程價(jià)值。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的傳動(dòng)鏈在傳動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大振動(dòng)、噪聲和動(dòng)載荷，對(duì)整機(jī)的穩(wěn)定性、可靠性和壽命有較大影響，因而對(duì)傳動(dòng)鏈的動(dòng)態(tài)特性提出了更高的要求［2］。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪直徑不斷增大，傳動(dòng)鏈的柔性不斷增加，傳動(dòng)鏈扭轉(zhuǎn)頻率對(duì)系統(tǒng)控制的影響也越來(lái)越大，開展傳動(dòng)系統(tǒng)的分析具有重大工程實(shí)用價(jià)值［3］。然而，對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)分析發(fā)現(xiàn)，僅從發(fā)電機(jī)本體的數(shù)學(xué)模型、控制策略進(jìn)行研究的居多［4-5］，對(duì)風(fēng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的研究分析卻很少，當(dāng)前主要有2種：（1）基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)辨識(shí)建立模型的方法；（2）基于機(jī)理建模的方法。文獻(xiàn)［6］使用前者建立傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型，因風(fēng)力發(fā)電機(jī)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較難獲取及應(yīng)用范圍比較窄而很少應(yīng)用。文獻(xiàn)［7］視主軸為柔性軸，構(gòu)造了柔性軸動(dòng)力學(xué)模型。此方法可用于中小型風(fēng)力機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)兆瓦級(jí)風(fēng)力機(jī)而言，其會(huì)造成很大的誤差。即便如此，針對(duì)傳動(dòng)鏈，如何通過(guò)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)，修正理論模型，并優(yōu)化控制也亟待深入研究。鑒于此，本文采用等效集中質(zhì)量模型方法，對(duì)風(fēng)機(jī)傳動(dòng)鏈的頻率進(jìn)行了研究，建立起了傳動(dòng)鏈的數(shù)學(xué)模型，獲得了表征傳動(dòng)鏈扭轉(zhuǎn)頻率的計(jì)算公式，并以FD70B風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為例，將其應(yīng)用到實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)中，分析出實(shí)際傳動(dòng)鏈扭轉(zhuǎn)頻率，依據(jù)推導(dǎo)的傳動(dòng)鏈扭轉(zhuǎn)頻率計(jì)算公式來(lái)指導(dǎo)模型參數(shù)校正，更好地為現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)機(jī)控制器參數(shù)調(diào)整設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1　風(fēng)力機(jī)傳動(dòng)鏈模型分析

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的傳動(dòng)鏈主要由風(fēng)輪、低速軸、齒輪箱、高速軸、發(fā)電機(jī)等構(gòu)成［8］，如圖1所示。

圖1　風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)示意圖

考慮到風(fēng)機(jī)輪轂和發(fā)電機(jī)之間低速軸傳動(dòng)鏈的柔性，將風(fēng)力機(jī)葉片和輪轂等效成1個(gè)質(zhì)量塊，齒輪箱和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子等效成1個(gè)質(zhì)量塊，等效為2個(gè)質(zhì)量塊的風(fēng)力機(jī)傳動(dòng)鏈模型如圖2所示。

圖2風(fēng)力機(jī)傳動(dòng)鏈等效模型示意圖

圖2中：HW為風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；DW為風(fēng)輪阻尼系數(shù)；Hg為折算到低速軸側(cè)發(fā)電機(jī)+齒輪箱的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Dg為折算到低速軸側(cè)發(fā)電機(jī)+齒輪箱的阻尼系數(shù)；Ks為傳動(dòng)軸的剛度系數(shù)；Ds為傳動(dòng)軸的阻尼系數(shù)。

由此可列出風(fēng)力機(jī)傳動(dòng)鏈等效2個(gè)質(zhì)量塊的數(shù)學(xué)模型如下：

式中：TA為風(fēng)輪上氣動(dòng)力矩；Tg為折算到低速軸側(cè)電機(jī)電磁力矩；Ts為低速軸扭矩；θW為風(fēng)輪轉(zhuǎn)角；θg為風(fēng)力機(jī)相對(duì)于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的角位移。

將式（3）帶入式（1）、（2）中，并改寫成矩陣形式如下：

令T=0，并且不考慮阻尼矩陣，就得到了無(wú)阻尼自由振動(dòng)方程，如式（5）所示。

根據(jù)式（5）推導(dǎo)可以得到2個(gè)質(zhì)量塊模型的2個(gè)模態(tài)頻率分別為：

式（6）中有1個(gè)模態(tài)頻率為0，表明存在1個(gè)做剛體自由轉(zhuǎn)動(dòng)的模態(tài)，另1個(gè)模態(tài)頻率即為傳動(dòng)鏈頻率。

2　應(yīng)用

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)控制器算法過(guò)程中，通過(guò)上述分析，可知傳動(dòng)鏈存在阻尼較低的扭振固有頻率，如果不加以抑制，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的齒輪箱在傳動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大振動(dòng)、噪聲和動(dòng)載荷，會(huì)對(duì)齒輪箱造成很大的疲勞損傷，因此需要對(duì)傳動(dòng)鏈設(shè)計(jì)專門阻尼控制器，增加傳動(dòng)鏈阻尼，從而降低齒輪箱疲勞載荷，阻尼控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　傳動(dòng)鏈阻尼控制器結(jié)構(gòu)框圖

若實(shí)際傳動(dòng)鏈頻率與理論有較大偏差，設(shè)計(jì)的阻尼控制器就達(dá)不到預(yù)期的效果。

如果與設(shè)計(jì)模型傳動(dòng)鏈頻率相差較大，就需要調(diào)整模型參數(shù)，使模型與實(shí)際測(cè)量值相匹配。通過(guò)式（6）很容易知道，可以調(diào)整的參數(shù)有3個(gè)，分別是：風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量HW，折算到低速軸側(cè)發(fā)電機(jī)+齒輪箱的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Hg，傳動(dòng)軸的剛度系數(shù)Ks。

將式（6）進(jìn)行整理變形，得到式（7）。

并定義等效總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量見(jiàn)式（8）。

而一般情況下風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量HW和折算后高速軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Hg比較精確，因此當(dāng)模型扭轉(zhuǎn)頻率與實(shí)測(cè)扭轉(zhuǎn)頻率存在較大誤差時(shí)，可通過(guò)調(diào)整Ks來(lái)校正設(shè)計(jì)模型。

以FD70B機(jī)型為例，初步理論設(shè)計(jì)模型傳動(dòng)鏈頻率為2.372 7 Hz，而通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行功率譜分析，如圖4所示。

圖4　實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速信號(hào)功率譜

從圖4得知，傳動(dòng)鏈扭振頻率為2.002 Hz，與初步設(shè)計(jì)模型有一定偏差，通過(guò)修改低速軸剛度參數(shù)，得到新的系統(tǒng)模型，并重新設(shè)計(jì)阻尼控制器。修正系統(tǒng)模型后進(jìn)行仿真計(jì)算對(duì)比。

圖5　齒輪箱扭矩對(duì)比

圖6　齒輪箱扭矩功率譜對(duì)比

圖7　發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)比

圖8　發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速功率譜對(duì)比

從圖5～圖8可得，若繼續(xù)采用原控制器進(jìn)行控制，將增大齒輪箱疲勞載荷，降低使用壽命，重新調(diào)整阻尼控制器參數(shù)，通過(guò)選取風(fēng)況近似的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，如圖9所示。

圖9　實(shí)測(cè)運(yùn)行風(fēng)速對(duì)比

圖10　實(shí)際運(yùn)行發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)比

圖11　實(shí)際運(yùn)行發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速功率譜對(duì)比

從圖10可知，修改模型參數(shù)后重新調(diào)整控制器，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)降低，進(jìn)一步分析發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速頻譜。從圖11可知，修改模型參數(shù)后重新調(diào)整控制器，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量信號(hào)在傳動(dòng)鏈頻率附近，只有1.855 Hz的風(fēng)輪6P頻率，而沒(méi)有明顯的傳動(dòng)鏈扭振頻率信號(hào)，可降低齒輪箱振動(dòng)，延長(zhǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的壽命。

3　結(jié)語(yǔ)

風(fēng)機(jī)傳動(dòng)鏈因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求高，故其動(dòng)態(tài)性能的好壞直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能和傳動(dòng)效率。本文通過(guò)分析，獲得了表征傳動(dòng)鏈扭轉(zhuǎn)頻率的計(jì)算公式，通過(guò)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)，分析出實(shí)際傳動(dòng)鏈扭轉(zhuǎn)頻率，依據(jù)推導(dǎo)的傳動(dòng)鏈扭轉(zhuǎn)頻率計(jì)算公式來(lái)指導(dǎo)模型參數(shù)校正，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行來(lái)驗(yàn)證了該方法的有效性，為風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

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基金編號(hào)：四川省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目資助項(xiàng)目（2014 G20084）。

Study and Application on Drive Train Torsional Frequency Based on Wind Turbine

Lan Jie，Lin Shu，Song Juzhong
（Dongfang Electric Wind Power Co.，Ltd.，Deyang Sichuan，618000）

Abstract:In order to accurately analyze wind turbine drive train torsional frequency，considering the factor of the drive train shaft ten?sional flexibility between a wind turbine and a generator，a wind turbine drive train mathematical model was established by using two equivalent lump mass models in this paper.Then combining with the modal analysis method to calculate two modal frequencies of the model，the calculation formula of drive train torsional frequency was received by the actual physical meaning.Taking FD70B wind tur?bine as an example，it was easy to apply the formula to the actual measurement data and analyze the actual drive train torsional fre?quency，then guide the model parameter calibration based on the drive train torsional frequency calculation formula.It was better to provide theoretical basis and technical support for the design and application of wind turbine.

Key words:wind turbine，drive train，torsional frequency，parameter calibration

中圖分類號(hào)：TK 263

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-9987（2016）02-0059-05

DOI:10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.02.014

作者簡(jiǎn)介：蘭杰（1985-），男，工學(xué)碩士，工程師，2011年畢業(yè)于四川大學(xué)控制理論與控制工程專業(yè)，現(xiàn)從事風(fēng)電控制設(shè)計(jì)工作。