曾杰 朱宜飛 陳衛(wèi)鵬

摘要：風(fēng)電機組的安全、穩(wěn)定運行是提高風(fēng)電場經(jīng)濟效益的基礎(chǔ)，而風(fēng)電機組的安全、穩(wěn)定運行又取決于對風(fēng)電場外部影響因素的準確分析。因此，采用ADAMS軟件模擬分析了風(fēng)電機組在單葉片槳距角系統(tǒng)故障、無槳距角系統(tǒng)調(diào)整控制和正常運行工況條件下的動態(tài)特性。結(jié)果表明：ADAMS軟件能快速高效地模擬風(fēng)電機組動態(tài)運行工況。研究成果可為準確反映風(fēng)電機組運行狀況提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機;動態(tài)特性;ADAMS;安全穩(wěn)定性

中圖法分類號：TM315文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.10.013

文章編號：1006 - 0081（2021）10 - 0070 - 05

0 引 言

風(fēng)電場的風(fēng)速、風(fēng)向具有不確定性，隨著時間變化具有動態(tài)變化特性，因此風(fēng)電機組的運行也具有動態(tài)變化性，而風(fēng)電機組的運行特性可以分為功率、推力和轉(zhuǎn)矩3類主要特性曲線，這些特性曲線隨時間變化而變化，具有不確定性。

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的進步和發(fā)展，目前陸上最大單機容量風(fēng)電機組7.XMW機型已在成功下線，風(fēng)電機組的葉輪直徑和輪轂高度也日益增大，因此，對風(fēng)電機組的控制要求也就越來越高。正因為風(fēng)速、風(fēng)向具有不確定性和動態(tài)性，會隨時間變化而變化，同時受風(fēng)電機組結(jié)構(gòu)復(fù)雜等因素影響，很難組建反映風(fēng)電機組準確運行的動態(tài)模型。因此，高效、準確地對風(fēng)電機組功率、推力特性和扭矩等參數(shù)進行動態(tài)分析至關(guān)重要，這對于風(fēng)電場的安全穩(wěn)定運行有著重要意義。

國內(nèi)外不少學(xué)者[1-3]通過仿真技術(shù)模擬了風(fēng)電機組的運轉(zhuǎn)，如風(fēng)電機組動態(tài)響應(yīng)的有限元分析法[4]，模態(tài)疊加法求解結(jié)構(gòu)動力方程[5]，大型水平軸風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)子和塔架的穩(wěn)定性分析[6]，模態(tài)法分析葉片動態(tài)響應(yīng)[7]。早期風(fēng)電機組設(shè)計主要基于準穩(wěn)態(tài)氣動計算，較少進行結(jié)構(gòu)動力學(xué)方面的分析。目前，風(fēng)電機組的動態(tài)分析的方法和模型較多，本文利用機械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems，ADAMS）對風(fēng)電機組的動態(tài)特性進行分析模擬。

1 風(fēng)電機組動態(tài)運行理論和主要動態(tài)參數(shù)

1.1 風(fēng)電機組動態(tài)運行理論

風(fēng)電機組的動態(tài)運行除受外部環(huán)境、地形等因素影響外，還取決于機組自身的結(jié)構(gòu)特性。風(fēng)電機組的葉輪和能量傳遞裝置的動態(tài)分析是風(fēng)電機組動態(tài)過程分析的主要部分，需要建立與之相匹配的動態(tài)數(shù)學(xué)模型。目前，風(fēng)電機組葉輪動態(tài)分析的方法主要有葉輪氣動力彈性模型;傳動機構(gòu)動態(tài)分析方法有定速分析模型、柔性和剛性分析模型;能量傳遞裝置部分的動態(tài)分析方法主要有柔性和剛性模型兩種。

在建立動態(tài)分析模型過程中，需考慮外部因素和機組本身結(jié)構(gòu)特性影響。為便于分析，將風(fēng)電機組本身系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性參數(shù)定義成離散參數(shù)系統(tǒng)，從而建立風(fēng)電機組離散型模型。將風(fēng)電機組分為有限數(shù)量的慣性元件、彈性元件和阻尼元件?？紤]風(fēng)速、風(fēng)向等外觀影響因素，并結(jié)合風(fēng)電機組自身系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)特性，建立相對準確的風(fēng)電機組動態(tài)過程分析模型。

1.2 風(fēng)電機組主要特征性能參數(shù)

風(fēng)電機組的葉輪扭矩Qa為

[Qa=12πρU2∞R3CTλ]? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：U∞為風(fēng)速;[CTλ]為當(dāng)葉尖速度比為λ情況下的扭矩力系數(shù);ρ為空氣密度;R為風(fēng)電機組葉輪半徑。因此風(fēng)電機組功率P為

P=Qa·[ωt]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中：[ωt]為風(fēng)電機組葉輪角速度。

風(fēng)能利用系數(shù)Cp值用于衡量風(fēng)電機組捕獲風(fēng)能大小的參數(shù)。若Cp值越大，說明風(fēng)電機組可以捕獲更多的風(fēng)能能量。但風(fēng)能利用系數(shù)Cp值有最大值，根據(jù)貝茲定律（Betz' Law），風(fēng)電機組可以接受通過葉輪流體的所有動能，且流體在無阻力，具備連續(xù)和不可壓縮性的狀況下，風(fēng)電機組可將通過葉輪的風(fēng)速減少至原來的1/3，即風(fēng)能能夠轉(zhuǎn)換成動能的極限比值為16/27，約59%。

風(fēng)電機組推力系數(shù)CT計算公式為

[CT=p12πρR2U2∞]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中：葉輪實度p是指風(fēng)電機組葉片（風(fēng)向投影）總面積與風(fēng)所通過葉輪面積（掃風(fēng)面積）的比值，是風(fēng)電機組的重要參考特征系數(shù)。

2 研究方法與模型構(gòu)建

2.1ADAMS

機械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems，ADAMS）是一款虛擬仿真分析軟件。ADAMS軟件使用交互圖形環(huán)境和零件庫、力庫和約束庫，可創(chuàng)建參數(shù)化的機型系統(tǒng)模型，再通過求解器建立系統(tǒng)動力學(xué)關(guān)系，可實現(xiàn)機械系統(tǒng)模型與動力學(xué)模型的仿真。利用ADAMS軟件能對風(fēng)電機組（兩葉片、三葉片水平軸式）的極限疲勞載荷進行模擬和分析。ADAMS軟件可模擬目前主流風(fēng)電機組動態(tài)響應(yīng)特征，實現(xiàn)風(fēng)電機組的機械結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的模擬和分析。在進行風(fēng)電機組模型構(gòu)建過程中，軟件將葉片和機組塔筒定義為柔性體。此柔性體是沿翼展方向特定分布的剛性和質(zhì)量特性，并采用等效多項式方法來建立的模型。風(fēng)電機組的機艙、葉片和輪轂采用的是慣量和質(zhì)量組成的剛體結(jié)構(gòu);風(fēng)電機組傳動系統(tǒng)彈性體采用的是等效阻尼和彈簧模型方式[8]。

2.2 風(fēng)電機組ADAMS模型構(gòu)建

收集風(fēng)電機組的基本特性參數(shù)、功率曲線、推力曲線和相關(guān)的空氣動力等參數(shù)。將收集到的相關(guān)參數(shù)組成風(fēng)電機組的動力結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。這些參數(shù)數(shù)據(jù)是ADAMS建立風(fēng)電機組機械模型所需的相關(guān)結(jié)構(gòu)動力文件。同時，風(fēng)電機組的葉輪、塔筒和空氣動力參數(shù)等數(shù)據(jù)資料需要參照ADAMS要求，形成風(fēng)電機組機械模型所需的輸入文件。利用ADAMS軟件構(gòu)建風(fēng)電機組機械模型的流程如圖1所示。

構(gòu)建風(fēng)電機組ADAMS機型模型中，作為輸入文件的風(fēng)電機組空氣動力特性數(shù)據(jù)和機組結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)如下所示。

2.2.1 風(fēng)電機組空氣動力參數(shù)

不同風(fēng)電機組都有其特定的空氣動力特性，風(fēng)電機組空氣動力特性數(shù)據(jù)是ADAMS軟件中所需的機型模型結(jié)構(gòu)空氣動力數(shù)據(jù)。風(fēng)電機組空氣動力特性數(shù)據(jù)有兩類數(shù)據(jù)文件，一種是有風(fēng)電場風(fēng)切變參數(shù)和輪轂高度處的風(fēng)資源數(shù)據(jù);另一種是風(fēng)電場測風(fēng)數(shù)據(jù)文件，采用的是二進制形式，可以用SNLWIND-3D SNwind或者TurbSim等程序來生成。

2.2.2 風(fēng)電機組葉輪參數(shù)

風(fēng)電機組葉輪參數(shù)用于定義風(fēng)電機組ADASM模型中機械和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)特性，主要包括葉片長度、掃風(fēng)面積、葉輪尺寸等數(shù)據(jù)。若定義葉片為均質(zhì)特性，只需要設(shè)定單個位置相關(guān)參數(shù);若定義葉片為非均質(zhì)特性，需要設(shè)定不少于兩個位置的相關(guān)參數(shù)。

2.2.3 風(fēng)電機組塔筒參數(shù)

風(fēng)電機組塔筒作為獨立且主要的結(jié)構(gòu)部分，在風(fēng)電機組ADAMS模型中需進行單獨定義。類似葉輪參數(shù)文件，塔筒數(shù)據(jù)文件也需定義模型的機械和結(jié)構(gòu)特性。同樣，若定義塔筒為均質(zhì)特性，只需要設(shè)定單個位置相關(guān)參數(shù);若定義塔筒為非均質(zhì)特性，需要設(shè)定不少于兩個位置的相關(guān)參數(shù)。

2.2.4 其他ADAMS軟件輸入?yún)?shù)

其他ADAMS軟件輸入?yún)?shù)主要用于實現(xiàn)軟件模擬和計算。

3 風(fēng)電機組ADAMS模型動態(tài)實例分析

采用三葉片、上風(fēng)向水平軸、單機容量2 000 kW風(fēng)電機組進行實例分析。風(fēng)電機組的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

結(jié)合上述風(fēng)電機組參數(shù)，利用ADAMS構(gòu)建單機容量為2 000 kW機型的模型。在此結(jié)構(gòu)模型中，單葉片長度為56.5 m，對葉片進行20等分處理。風(fēng)電機組ADAMS模型模擬平均風(fēng)速為10 m/s，葉片槳距角為6°，風(fēng)電機組初始轉(zhuǎn)速10 r/min條件下，采用簡單變速調(diào)整，通過調(diào)整槳距角大小來實現(xiàn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的控制。通過風(fēng)電機組ADAMS模型來分析風(fēng)電機組在單葉片槳距角系統(tǒng)故障、無槳距角系統(tǒng)調(diào)整控制和正常運行工況等不同條件下的風(fēng)電機組運行特性。

3.1 單葉片槳距角系統(tǒng)故障情況

在風(fēng)電機組運行過程中，由于機械故障或外部環(huán)境影響，可能會出現(xiàn)葉片槳距角控制系統(tǒng)故障。設(shè)定葉片槳距角初始為6°情況下，第5 s時啟動機組葉片槳距角系統(tǒng)，假定在第10 s時，某葉片槳距角控制系統(tǒng)故障，導(dǎo)致槳距角迅速增大至50°。在這種情況下，采用ADAMS軟件對此風(fēng)電機組模型進行時長為40 s的動態(tài)仿真模擬。

由于葉片槳距角控制系統(tǒng)故障，風(fēng)電機組的轉(zhuǎn)速開始迅速變化，首先風(fēng)電機組轉(zhuǎn)速逐漸減小，導(dǎo)致風(fēng)電機組的轉(zhuǎn)矩減少，使得機組功率逐漸減小。風(fēng)電機組轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩變化情況如圖2，3所示。發(fā)電機轉(zhuǎn)矩變化情況如圖4所示。風(fēng)電機組功率變化情況如圖5所示。

3.2 無槳距角系統(tǒng)調(diào)整控制情況

利用ADAMS構(gòu)建單機容量為2 000 kW機型的模型。利用風(fēng)電機組ADAMS模型模擬葉片槳距角為6°，風(fēng)電機組初始轉(zhuǎn)速10 r/min條件下，風(fēng)電機組在50 s周期中的動態(tài)運行狀況。風(fēng)電機組轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和與發(fā)電機轉(zhuǎn)矩、風(fēng)電機功率大小隨時間變化關(guān)系分別如圖6～9所示。由于沒有槳距角系統(tǒng)控制，風(fēng)電機組轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率都隨著風(fēng)速增加而增大。

3.3 正常運行工況

風(fēng)電機組在正常運行工況條件下運行，設(shè)定葉片槳距角為6°，風(fēng)電機組初始轉(zhuǎn)速10 r/min條件下，在運行5 s后開始葉片槳距角控制，通過建立的風(fēng)電機組ADAMS模型模擬風(fēng)電機組在50 s運行周期中的機組動態(tài)特性。隨著風(fēng)速的變化，風(fēng)電機組轉(zhuǎn)速不斷變化，在槳距角控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)下，風(fēng)電機組轉(zhuǎn)速由不時波動而逐漸趨于額定轉(zhuǎn)速運行。風(fēng)電機組的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩隨時間變化情況如圖10～11所示發(fā)電機轉(zhuǎn)矩與風(fēng)電機組功率變化情況如圖12～13所示。由于開始沒有槳距角系統(tǒng)控制，風(fēng)電機組轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率都隨著風(fēng)速增加而增大，而有了槳距角系統(tǒng)的控制調(diào)節(jié)后，風(fēng)電機組的轉(zhuǎn)速等參數(shù)也趨于穩(wěn)定運行狀況。

4 結(jié) 語

風(fēng)電機組技術(shù)日益進步和發(fā)展為國家的碳達峰、碳中和提供了技術(shù)手段。在風(fēng)電場實際運行過程中，風(fēng)電機組的安全穩(wěn)定運行至關(guān)重要。風(fēng)隨時間變化而變化，具有不確定性，這將影響風(fēng)電機組的安全。目前對于風(fēng)電機組的動態(tài)穩(wěn)定分析手段相對較少，如何高效準確地對風(fēng)電機組進行動態(tài)分析成為關(guān)鍵。

本文采用ADAMS軟件對風(fēng)電機組在單葉片槳距角系統(tǒng)故障、無槳距角系統(tǒng)調(diào)整控制和正常運行工況等不同條件下的運行特性進行了動態(tài)模擬分析，具有較大的實用性和有效性。但是，考慮到風(fēng)電機組受外部環(huán)境和自身結(jié)構(gòu)影響，后續(xù)還需建立更完善的模型體系進行更為準確的模擬。

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（編輯：江 文）

Analysis on dynamic characteristics of wind turbine

ZENG Jie，ZHU Yifei，CHEN Weipeng

（Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.， Wuhan 430010，China）

Abstract： The safe and stable operation of wind turbine is the basis of improving the economic benefit of wind power plants， and the safe and stable operation of wind turbine depends on the accurate analysis of the external influencing factors of wind power plants. Therefore， ADAMS software was used to simulate and analyze the dynamic characteristics of the wind turbine under the conditions of failure of single blade pitch angle system， without pitch angle control system and normal operation of the system . The results showed that ADAMS software could simulate the dynamic operating conditions of wind turbine quickly and efficiently and the analysis results can provide technical support for accurately reflecting the operating condition of wind turbine.

Key words： wind turbine; dynamic characteristics;ADAMS;safety and stability