王義進(jìn)*，張水龍，徐斌，李洪斌

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MW級(jí)風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪不平衡載荷特性分析

王義進(jìn)*，張水龍，徐斌，李洪斌

（欣達(dá)重工股份有限公司，浙江寧波，315113）

基于風(fēng)電機(jī)組BLADED參數(shù)化模型，介紹了造成風(fēng)輪不平衡的原因以及對(duì)風(fēng)電機(jī)組的影響，對(duì)兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪不平衡時(shí)各部件的載荷特性進(jìn)行了理論分析計(jì)算。利用風(fēng)電專用軟件GH BLADED對(duì)風(fēng)輪不平衡時(shí)風(fēng)電機(jī)組各部件載荷特性進(jìn)行了相關(guān)的仿真分析。仿真結(jié)果表明，理論計(jì)算與仿真結(jié)果一致，葉片氣動(dòng)不平衡會(huì)造成機(jī)組的振動(dòng)沖擊，而且在1倍轉(zhuǎn)頻處振動(dòng)沖擊最大，通過對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪不平衡載荷特性的分析，有利于機(jī)組載荷控制技術(shù)的研究，對(duì)進(jìn)一步提高大型機(jī)組的可靠性具有重要意義。

風(fēng)電機(jī)組；載荷；風(fēng)輪；不平衡；分析

引言

風(fēng)輪是風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵部件之一，是風(fēng)電機(jī)組能量捕獲器，它將空氣的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為風(fēng)輪的機(jī)械能[1]，同時(shí)也是風(fēng)電機(jī)組各部件的載荷源頭，因此，其性能的優(yōu)越與否很大程度上決定了風(fēng)電機(jī)組的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組葉輪不平衡時(shí)，風(fēng)電機(jī)組捕獲風(fēng)能的能力隨之下降，嚴(yán)重影響風(fēng)電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)傾覆和偏航力矩上會(huì)產(chǎn)生不平衡周期載荷分量，加劇風(fēng)電機(jī)組的振動(dòng)，該不平衡周期載荷分量會(huì)隨葉輪直徑的增加而被顯著放大，這也對(duì)機(jī)組長期安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了巨大風(fēng)險(xiǎn)。劉雄[2]等介紹了葉片在實(shí)際制造和吊裝過程中，葉片初始安裝角偏差造成的葉輪不平衡問題；葉片本身質(zhì)量分布不均等因素造成的葉輪不平衡問題，在當(dāng)前的大型風(fēng)電機(jī)組制造和安裝工藝水平下不可避免。另外由于運(yùn)行時(shí)間較長，內(nèi)部配重塊脫落，葉片開裂，雷擊導(dǎo)致的損傷以及隨著變槳系統(tǒng)的磨損，誤差累積，3個(gè)葉片出現(xiàn)槳距角差異過大等，都是造成風(fēng)輪不平衡的主要原因。

1 風(fēng)輪不平衡風(fēng)電機(jī)組的載荷特性分析

葉輪在旋轉(zhuǎn)，為了計(jì)算葉根揮舞力矩在輪轂固定結(jié)構(gòu)部分上的載荷，需要利用坐標(biāo)變換方法將葉片旋轉(zhuǎn)載荷變換至輪轂固定坐標(biāo)系[4]，見圖1b)。經(jīng)過坐標(biāo)變換，葉根旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的揮舞力矩將投影到輪轂固定坐標(biāo)系的y軸和z軸，兩者之間的坐標(biāo)變換關(guān)系見圖二。投影到輪轂固定坐標(biāo)系y軸的載荷通常稱之為傾覆力矩(tilt moments)，投影到輪轂固定坐標(biāo)系z(mì)軸的載荷通常稱之為偏航力矩(yaw moments)。由圖2可知，固定坐標(biāo)系下的傾覆和偏航力矩可以表示為：

圖1 風(fēng)電機(jī)組載荷坐標(biāo)系

上式中，和分別為輪轂的傾覆力矩和偏航力矩，為傳動(dòng)鏈的仰角。對(duì)于上風(fēng)向風(fēng)電機(jī)組，傳動(dòng)鏈的仰角較小，則

周期性葉根揮舞彎矩可以分解為直流分量，基頻分量和高次諧波分量，如下式所示

由上式可知，在葉輪平衡條件下，傾覆力矩和偏航力矩包含了0p、3p載荷分量，且其分別由葉根揮舞彎矩的1p、2p和4p分量引起，葉根彎矩的0p和3p分量不作用于傾覆和偏航力矩，即在輪轂靜止坐標(biāo)系下其值為0。

2 風(fēng)輪不平衡風(fēng)電機(jī)組載荷特性分析的仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證文中對(duì)風(fēng)輪不平衡所做載荷特性理論分析的有效性，分別仿真比較了階躍風(fēng)速下葉輪平衡和不平衡風(fēng)電機(jī)組的載荷特性，及恒定風(fēng)速下不同葉輪不平衡度的風(fēng)電機(jī)組載荷特性。其中風(fēng)輪的空氣動(dòng)力學(xué)不平衡可通過設(shè)置不同的葉片初始安裝角來模擬。該仿真采用統(tǒng)一變槳控制策略[4]。

在圖3所示的階躍風(fēng)速情況下，風(fēng)輪的不平衡時(shí)三個(gè)葉片初始安裝角分別設(shè)置為-1°，0°和1°，風(fēng)輪平衡時(shí)三個(gè)葉片的初始安裝角設(shè)置為0°，通過仿真計(jì)算，該風(fēng)速下風(fēng)輪轉(zhuǎn)速如圖四所示。

圖3 階躍風(fēng)速

圖4 平衡和不平衡時(shí)的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速

圖5 平衡和不平衡時(shí)的傾覆力矩

圖6 平衡和不平衡時(shí)的偏航力矩

圖7 平衡和不平衡時(shí)偏航力矩的功率譜密度

圖8 平衡和不平衡時(shí)傾覆力矩的功率譜密度

圖9 不同平衡度傾覆力矩的功率譜密度

3 仿真結(jié)果分析

通過以上的計(jì)算與仿真分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）圖4結(jié)果表明，風(fēng)輪在平衡和不平衡兩種狀態(tài)下，相同風(fēng)速下，其轉(zhuǎn)速基本一致，在6、8、10 m/s風(fēng)速下風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速分別為11.60、15.68、18.00 rpm。

（2）如圖5和圖6所示，風(fēng)輪不平衡時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的傾覆力矩和偏航力矩均出現(xiàn)了較大的波動(dòng)，該載荷周期分量的頻率等于風(fēng)輪轉(zhuǎn)頻點(diǎn)。從圖7和圖8功率譜密度圖中可以進(jìn)一步看出，不同風(fēng)速段下，該波動(dòng)主要位于0.19、0.26、 0.30Hz，三個(gè)頻率點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為11.59、15.68、18.00rpm，剛好是對(duì)應(yīng)風(fēng)速下葉輪的轉(zhuǎn)頻點(diǎn)。

（3）從圖9可知，風(fēng)輪不平衡程度越大，即葉片初始安裝角偏差越大，風(fēng)電機(jī)組的傾覆力矩和偏航力矩越大，它的1P不平衡周期載荷分量也越大。

在恒定風(fēng)速下，不同風(fēng)輪不平衡度下的偏航力矩和傾覆力矩的功率譜密度。在恒定風(fēng)10m/s 風(fēng)速下風(fēng)輪轉(zhuǎn)速為18.00rpm，對(duì)應(yīng)的1p不平衡載荷的為0.3Hz,如圖中所示，葉輪不平衡度大的（Unbalance 1.0）風(fēng)電機(jī)組的偏航力矩和傾覆力矩的功率譜密度較大。

4 結(jié)束語

通過以上理論計(jì)算和仿真分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）風(fēng)輪在平衡和不平衡兩種狀態(tài)下，相同風(fēng)速下，其轉(zhuǎn)速基本一致

（2）風(fēng)輪不平衡會(huì)在偏航力矩和傾覆力矩上引起1P不平衡周期載荷分量，該載荷周期分量的頻率等于風(fēng)輪轉(zhuǎn)頻點(diǎn)。

（3）風(fēng)輪不平衡程度越大，風(fēng)電機(jī)組的傾覆力矩和偏航力矩越大，它的1P不平衡周期載荷分量也越大。

（4）理論計(jì)算和仿真分析結(jié)果基本一致。通過對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪不平衡載荷特性的分析，有利于機(jī)組載荷控制技術(shù)的研究，對(duì)進(jìn)一步提高大型風(fēng)電機(jī)組的可靠性具有重要意義，具有較大的工程價(jià)值。

[1] 杭俊, 張建忠, 程明, 等. 直驅(qū)永磁同步風(fēng)電機(jī)組葉輪不平衡和繞組不對(duì)稱的故障診斷[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2014, 34(9): 1384-1391.

[2] 劉雄, 李鋼強(qiáng), 陳嚴(yán), 等. 水平軸風(fēng)力機(jī)葉片動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2010, 46(12): 128-134+141.

[3] 閆卓, 宋戰(zhàn)鋒, 張超, 等. 不對(duì)稱電網(wǎng)故障下風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機(jī)械載荷分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2014, 29(06): 219-228.

[4] 李晶, 宋家驊, 王偉勝. 大型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組建模與仿真[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2004, 24(6): 100-105.

Load Analysis of Imbalance Rotor of MW Wind Turbine

WANG Yijin*, ZHANG Shuilong, XU Bin, LI Hongbin

（Xinda Heavy Industry CO., Ltd, Zhejiang NingBo, 315113, China）

Based on the BLADED parameterization model of wind turbine, the cause of the imbalance of the wind turbine and the influence on the wind turbine are introduced.The load characteristics of the components of the MW wind turbine of unbalanced rotor are analyzed. The simulation analysis is carried out by use of GH BLADED software.The simulation results show that the aerodynamic unbalance of the blade will cause the vibration of wind turbine, and the maximum vibration is at the 1 times of the rotation frequency.Through the analysis of the unbalanced load characteristics of the wind turbine, it is conducive to the research of the load control technology of wind turbine, and is of great significance for further improving the reliability of large wind turbine.

wind turbine; load; rotor; unbalance; analysis

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2018.01.058

TK83

A

1672-9129(2018)01-0143-03

王義進(jìn), 張水龍, 徐斌, 等. MW級(jí)風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪不平衡載荷特性分析[J]. 數(shù)碼設(shè)計(jì), 2018, 7(1): 143-145.

WANG Yijin, ZHANG Shuilong, XU Bin, et al. Load Analysis of Imbalance Rotor of MW Wind Turbine[J]. Peak Data Science, 2018, 7(1): 143-145.

2017-10-18；

2017-12-25。

國家國際科技合作（2014DFA60360）。

王義進(jìn) (1984-)，男，學(xué)士，工程師，主要從事風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)與研發(fā)工作。E-mail: wangyj@n.com