宋 斌， 胡書舉

（中國科學院電工研究所， 北京 100190）

0 引言

大型風電機組傳動鏈主要由主軸、 齒輪箱和發(fā)電機等部件構(gòu)成，是機組的核心部分[1]。 大功率風電機組運行環(huán)境復雜惡劣，運維難度大，為確保其穩(wěn)定可靠運行， 對傳動鏈部分的試驗工作提出了越來越高的要求。近年來，傳動鏈地面試驗受到國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注和重視，通過地面試驗，可為傳動鏈研發(fā)設(shè)計及性能評價提供可控的試驗環(huán)境， 可快速有效地對新技術(shù)和新產(chǎn)品進行試驗驗證，降低了技術(shù)風險，縮短了研發(fā)周期[2]。

與風電場實際運行的風電機組相比， 傳動鏈地面試驗平臺簡化了葉輪和塔架等部件， 通過增加拖動電機和載荷加載裝置等模擬風載荷[3]，[4]，其物理特性與機組不同。當進行地面試驗時，由于被試傳動鏈未受到葉輪和塔架等“缺失”部件的耦合影響[5]，其動態(tài)響應特性與實際機組傳動鏈存在較大差異， 這可能導致地面試驗結(jié)果出現(xiàn)一定偏差。因此，需要探究地面試驗平臺在簡化后對被試傳動鏈動態(tài)特性的影響機理， 從而為抑制簡化影響的相關(guān)技術(shù)與方法提供理論支撐， 確保地面試驗結(jié)果真實可信。

近年來， 研究人員針對傳動鏈地面試驗的研究重點集中在葉輪扭矩模擬技術(shù)、 五自由度非扭矩載荷模擬技術(shù)等地面試驗工況模擬技術(shù)[6]，[7]，但所提出的模擬控制方法尚未全面考慮地面試驗平臺的簡化影響。 本文針對目前研究的不足， 以某10 MW 級風電機組傳動鏈地面試驗平臺為研究對象， 建立了地面試驗平臺動力學模型及被試風電機組聯(lián)合仿真模型， 分別對兩種典型地面試驗工況作用下的傳動鏈動態(tài)特性進行仿真， 基于仿真結(jié)果對地面試驗簡化影響機理進行了分析。

1 傳動鏈地面試驗平臺及風電機組

本文研究的傳動鏈地面試驗平臺如圖1 所示。 試驗平臺功率等級為10 MW，采用雙永磁直驅(qū)電機進行葉輪轉(zhuǎn)矩模擬加載， 配備液壓式非扭矩載荷加載裝置對葉輪五自由度非扭矩動靜態(tài)載荷進行模擬加載， 拖動電機與非扭矩載荷加載裝置之間采用帶軸向位移補償能力的萬向聯(lián)軸器進行連接。 試驗平臺上被試機組為5 MW 雙饋型機組，被試機組輸出端接入電網(wǎng)。

圖1 風電機組傳動鏈地面試驗平臺主體結(jié)構(gòu)Fig.1 Principal structure of wind turbine drive-train ground test bench

試驗平臺及試驗平臺上被試機組的主要參數(shù)見表1，2。

表1 試驗平臺主要參數(shù)Table 1 Main parameters for test bench

表2 被試風電機組主要參數(shù)Table 2 Main parameters of wind turbine

2 仿真計算模型

2.1 動力學模型

為分析試驗平臺上傳動鏈與真實機組傳動鏈動態(tài)特性差異， 本文采用多體動力學軟件分別建立被試風電機組整機動力學模型和地面試驗平臺動力學模型。 被試風電機組整機動力學模型由葉輪、塔架、主軸承、齒輪箱和發(fā)電機等部件組成。對葉片和塔架部件采用分段式建模， 將葉片和塔架拉伸、 扭轉(zhuǎn)與彎曲剛度以各段之間結(jié)合面上的剛度矩陣進行等效。 將傳動鏈中主軸承部件以旋轉(zhuǎn)運動副進行等效。分別將齒輪箱、發(fā)電機等部件以質(zhì)量塊進行等效， 考慮傳動鏈各連接軸和行星架等柔性部件的扭轉(zhuǎn)剛度和阻尼， 以及齒輪嚙合剛度，分別以剛度-阻尼系統(tǒng)進行等效。

傳動鏈地面試驗平臺動力學模型主要由拖動電機、 五自由度非扭矩載荷加載裝置以及被試機組傳動鏈部件組成。 建模時分別將各部件以質(zhì)量塊進行等效，考慮各連接軸的扭轉(zhuǎn)剛度和阻尼，以彈簧-阻尼系統(tǒng)進行等效。 根據(jù)試驗平臺實際裝配與約束情況， 對拖動電機部件采用旋轉(zhuǎn)運動副約束， 拖動電機與載荷加載裝置之間采用鉸接約束與滑動副約束， 載荷加載裝置與被試傳動鏈之間采用固接約束。 被試傳動鏈各部件動力學建模方法與上述整機建模方法一致。

2.2 聯(lián)合仿真模型

將被試風電機組動力學模型與氣動模型、電氣控制模型進行聯(lián)立（圖2）。 采用美國可再生能源實驗室開發(fā)的開源程序Aerodyn 基于葉素-動量理論建立被試風電機組氣動模型；采用Matlab/simulink 軟件建立被試風電機組電氣模型， 包括發(fā)電機轉(zhuǎn)矩控制模型、 變槳距控制模型及電網(wǎng)模型等。機組動力學模型、氣動模型及電氣控制模型之間通過變量交互形成聯(lián)合仿真模型。

圖2 被試風電機組聯(lián)合仿真模型Fig.2 Wind turbine co-simulation model

3 試驗平臺與被試機組模態(tài)對比

為分析風電機組與地面試驗平臺動力學特性差異機理， 首先基于風電機組及地面試驗平臺動力學模型進行額定轉(zhuǎn)速下的模態(tài)分析， 分析結(jié)果如表3 所示。

表3 地面試驗平臺和被試風電機組模態(tài)分析結(jié)果Table 3 Modal analysis results of ground test bench and wind turbine

對比表3 中地面試驗平臺與機組模態(tài)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，地面試驗平臺在簡化葉輪和塔架部件、增加拖動電機和載荷加載裝置后， 其模態(tài)與機組模態(tài)差異較大。 地面試驗平臺模態(tài)振型為扭轉(zhuǎn)振動及拖動端擺動振動， 其中拖動端擺動振動模態(tài)阻尼比較大，振幅衰減較快，因此其主要振動形式為扭轉(zhuǎn)振動。

4 機組實際運行工況下簡化影響分析

傳動鏈地面試驗重要試驗內(nèi)容之一是將被試機組全部或典型運行工況在地面試驗平臺上進行復現(xiàn)， 將其作為地面試驗工況以測試傳動鏈運行性能和承載特性等。 本文分別對機組穩(wěn)態(tài)工況和瞬態(tài)工況兩種典型運行工況復現(xiàn)下的地面試驗簡化影響進行分析。

4.1 穩(wěn)態(tài)工況

首先對機組穩(wěn)態(tài)發(fā)電工況下的地面試驗簡化影響進行分析。 采用湍流風速模型， 平均風速為14 m/s，水平方向湍流強度為0.16。 具體分析過程如圖3 所示。

圖3 穩(wěn)態(tài)發(fā)電工況下簡化影響分析過程圖Fig.3 Process diagram of the abstraction influence analysis under steady power production condition

基于聯(lián)合仿真模型進行穩(wěn)態(tài)發(fā)電工況下整機動態(tài)仿真，仿真結(jié)束后，提取輪轂中心氣動轉(zhuǎn)矩及五自由度非扭矩載荷-時間歷程作為地面試驗加載載荷加載到地面試驗平臺動力學模型上進行虛擬地面試驗仿真， 仿真中被試傳動鏈根據(jù)機組轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩曲線實時反饋電磁轉(zhuǎn)矩。 仿真結(jié)束后，將被試傳動鏈角速度以及主軸承位置處的六自由度載荷仿真結(jié)果與整機仿真結(jié)果進行對比（圖4）。

圖4 穩(wěn)態(tài)發(fā)電工況下仿真結(jié)果對比Fig.4 Simulation results comparison under steady power production condition

圖4（a），（b）為傳動鏈角速度與扭矩波形，與實際機組相比， 地面試驗平臺上被試傳動鏈角速度和轉(zhuǎn)矩波形均具有較大幅值與波動值，傳動鏈出現(xiàn)超速失穩(wěn)現(xiàn)象。 圖4（c）為傳動鏈扭矩頻譜波形， 機組傳動鏈扭矩頻譜中主要頻率為2.26 Hz，該頻率為葉片和塔架耦合振動頻率。 地面試驗平臺上傳動鏈扭矩頻譜中2.26 Hz 頻率峰值小于機組值，但其6.65 Hz 扭振頻率峰值較高。由圖4（a）～（c） 分析地面試驗平臺上傳動鏈角速度和扭矩與實際機組不同的主要原因是： 地面試驗平臺與被試機組葉輪轉(zhuǎn)動慣量存在差異； 試驗平臺上扭振模態(tài)被激發(fā)，加劇了傳動鏈動態(tài)響應波動。

圖4（d）～（f）為傳動鏈軸向力與徑向力波形，試驗平臺上傳動鏈軸向力和徑向力波形與實際機組波形一致性較好，最大值大于機組值，最大差值約為110 kN。 出現(xiàn)差值的原因是試驗平臺上傳動鏈除受到加載載荷作用， 還承受非扭矩載荷加載裝置的重力作用。 圖4（g），（h）為傳動鏈徑向彎矩波形， 地面試驗平臺上傳動鏈徑向彎矩最大值大于機組值， 主要是試驗平臺上非扭矩載荷加載裝置的重力矩作用所導致。 試驗平臺上傳動鏈徑向彎矩波形與機組波形一致性較好。

4.2 瞬態(tài)工況

當風電機組運行中發(fā)生風速突變、電網(wǎng)掉電等瞬態(tài)情況時，傳動鏈會承受較大載荷沖擊和波動，可能導致傳動鏈部件出現(xiàn)損傷[8]。鑒于瞬態(tài)工況對傳動鏈的不利影響，通常在地面試驗平臺上對該工況進行模擬（圖5），以測試傳動鏈強度與可靠性。

圖5 電網(wǎng)掉電工況下仿真結(jié)果對比Fig.5 Simulation results comparison under grid loss condition

對電網(wǎng)掉電工況下地面試驗簡化影響進行分析。 采用湍流風速模型，平均風速為14 m/s，水平方向湍流強度為0.16。 仿真總時長為170 s，其中第140 秒時發(fā)生電網(wǎng)掉電故障， 被試機組執(zhí)行緊急停機命令。仿真結(jié)束后，提取傳動鏈主軸角速度和扭矩仿真結(jié)果。

由圖5 可知：緊急停機時，與實際機組相比，地面試驗平臺上被試傳動鏈角速度跌落時間更短，跌落幅度更大，試驗平臺出現(xiàn)反轉(zhuǎn)；Mx跌落幅度更大，其最大跌落差值超過15 000 kN·m，傳動鏈承受更大的正負交變載荷， 其內(nèi)部部件更容易產(chǎn)生損傷。因此，以地面試驗結(jié)果進行傳動鏈性能評估會產(chǎn)生較為保守的評估結(jié)論。

5 特定載荷加載工況下簡化影響分析

地面試驗另一重要內(nèi)容是對被試傳動鏈施加階躍載荷、正弦載荷等特定靜態(tài)或動態(tài)載荷，以驗證傳動鏈部件承載機理， 評估傳動鏈部件強度或疲勞壽命等。 以六自由度正弦載荷加載工況為例，對該試驗工況下地面試驗簡化影響進行分析（圖6）。

圖6 正弦載荷加載工況下簡化影響分析過程圖Fig.6 Process diagram of the abstraction influence analysis under sinusoidal loading condition

式中：Fxload為軸向力加載載荷；Fyload為Y 向徑向力加載載荷；Fzload為Z 向徑向力加載載荷；Grot為機組葉輪重力；Gtestbench為試驗平臺上載荷加載裝置重力；Mxload為扭矩加載載荷；Myload為Y 向彎矩加載載荷；Mzload為Z 向彎矩加載載荷。

將六自由度正弦加載載荷分別施加到被試機組動力學模型和地面試驗平臺動力學模型相關(guān)部件上，并分別進行機組動力學仿真與試驗平臺虛擬試驗仿真。 仿真結(jié)束后，提取兩個模型中傳動鏈主軸承位置處的六自由度載荷仿真結(jié)果（圖7）。

由圖7 可知：Fx，F(xiàn)y，Mx及My幅值均大于實際機組值， 最大幅值差值約為400 kN；Mz幅值小于實際機組值； 正弦加載載荷激發(fā)了試驗平臺和機組振動模態(tài)，使傳動鏈載荷頻譜在除1 Hz 加載頻率外的其他頻率點出現(xiàn)一定差異。實際機組Mx頻譜中出現(xiàn)的1.70 Hz 和3.02 Hz 頻率峰值，分別對應機組一階和二階葉片對稱Fx，F(xiàn)y，Mx及My頻譜中均出現(xiàn)的0.25 Hz 塔架模態(tài)頻率峰值。 地面試驗平臺上Mx頻譜中出現(xiàn)了6.65 Hz 扭振模態(tài)頻率峰值。 因此，為準確評估傳動鏈性能，需對試驗平臺上加載載荷進行幅值和頻率修正， 使被試傳動鏈承載特性與實際機組傳動鏈相同， 同時對被試傳動鏈扭矩信號進行扭振頻率濾除， 或基于優(yōu)化控制算法進行試驗平臺扭振抑制。

圖7 正弦載荷加載工況下仿真結(jié)果對比Fig.7 Simulation results comparison under sinusoidal loading condition

6 結(jié)論

本文以某10 MW 級風電機組傳動鏈地面試驗平臺為研究對象， 采用虛擬仿真方法開展了地面試驗平臺簡化影響分析，得出以下結(jié)論。

①對兩種典型試驗工況下傳動鏈動態(tài)特性進行仿真分析后發(fā)現(xiàn)， 由于地面試驗平臺與實際機組存在轉(zhuǎn)動慣量差異、 關(guān)鍵部件重力差異及模態(tài)差異等， 導致被試傳動鏈與機組傳動鏈呈現(xiàn)出不完全一致的動態(tài)特性。

②為使地面試驗能夠真實反映實際機組情況，需要對試驗平臺上加載載荷進行修正或優(yōu)化，包括轉(zhuǎn)動慣量補償、 重力補償、 幅值與頻率修正等， 同時對傳動鏈扭矩響應信號進行扭振頻率濾除，或基于優(yōu)化控制算法進行試驗平臺扭振抑制。