風(fēng)電機(jī)組動態(tài)仿真平臺設(shè)計(jì)方法研究

俞黎萍

（金風(fēng)科創(chuàng)風(fēng)電設(shè)備有限公司，北京 100176）

0 引言

隨著風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量的不斷攀升及國內(nèi)外市場競爭的加劇，對風(fēng)電機(jī)組性能和質(zhì)量的要求越來越高。大型風(fēng)電機(jī)組的安全性、可靠性和穩(wěn)定性是其最為重要的性能指標(biāo)，是影響其工作性能及產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，同時(shí)與風(fēng)電機(jī)組的壽命也密切相關(guān)。風(fēng)電機(jī)組的整機(jī)性能主要取決于其軟件和硬件。風(fēng)電機(jī)組的軟件是它的神經(jīng)中樞，它控制著風(fēng)電機(jī)組的待機(jī)、啟動、并網(wǎng)發(fā)電、停機(jī)等各種狀態(tài)，它協(xié)調(diào)并保證風(fēng)電機(jī)組各個(gè)子系統(tǒng)之間正常運(yùn)行，使風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)在規(guī)定的范圍內(nèi)和方式下運(yùn)行；風(fēng)電機(jī)組的硬件即總體布局、葉輪系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、機(jī)艙等，總體設(shè)計(jì)包括功能設(shè)計(jì)、動力學(xué)設(shè)計(jì)、成本性能分析。為提高總體設(shè)計(jì)及自主創(chuàng)新能力，在設(shè)計(jì)階段聯(lián)合主控系統(tǒng)進(jìn)行性能方面的仿真、測試和驗(yàn)證，可有效獲取機(jī)組的動態(tài)特性，同時(shí)也會降低相應(yīng)部件的維護(hù)和設(shè)計(jì)成本。

針對機(jī)組設(shè)計(jì)仿真，國外有許多企業(yè)長期以來投入大量的資源用于風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)工具的開發(fā)，并取得了領(lǐng)先的地 位。 例 如：GH－ Bladed、Risoe－Flex5、NRELFast、AeroDyn－STADS等，西門子公司就使用了NI（美國國家儀器有限公司）的產(chǎn)品建立了自己的仿真平臺，很好地滿足了實(shí)時(shí)性的要求；國內(nèi)企業(yè)在風(fēng)電設(shè)計(jì)仿真研究方面也有了突破性的進(jìn)展。設(shè)計(jì)仿真能提供整機(jī)性能仿真和載荷設(shè)計(jì)、擁有動態(tài)負(fù)載模擬、負(fù)載與電能獲取分析、電網(wǎng)交互以及控制設(shè)計(jì)的線性化模型等功能。相對來說，這些仿真平臺具有如下局限性：

（1）開發(fā)和設(shè)計(jì)成本較高，對于硬件的需求也比較高；

（2）設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，測試過程繁瑣，需要投入相當(dāng)?shù)娜肆Τ杀荆?/p>

（3）現(xiàn)有的分析工具都將傳動系簡化為剛性模型，不能準(zhǔn)確模擬機(jī)艙總成各部件的柔性對整機(jī)的動態(tài)性能和負(fù)載的影響；

（4）現(xiàn)有工具內(nèi)部的某些控制參數(shù)都是基于600kW機(jī)組和1MW機(jī)組的經(jīng)驗(yàn)，而對于多兆瓦機(jī)組都沒有通過完整的測試和驗(yàn)證。

本文提出了一種仿真平臺的設(shè)計(jì)方法，它主要基于半物理軟件模擬仿真。通過對風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)的理解，將風(fēng)、風(fēng)電機(jī)組模型等用程序語言的形式實(shí)現(xiàn)，并與機(jī)組的控制軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真，形成真實(shí)的載荷工況。然后以此作為輸入變量，同時(shí)將整機(jī)動態(tài)性能仿真以可變復(fù)雜度多學(xué)科耦合建模為基礎(chǔ)，針對總體設(shè)計(jì)不同階段、不同部件和不同目標(biāo)集成工具、模型和數(shù)據(jù)，并應(yīng)用多學(xué)科仿真求解工具和優(yōu)化設(shè)計(jì)工具獲得總體性能、各部件的動態(tài)響應(yīng)以及多個(gè)設(shè)計(jì)方案的比對和目標(biāo)優(yōu)化等。

1 主要研究內(nèi)容

風(fēng)電機(jī)組整機(jī)變復(fù)雜度的總體設(shè)計(jì)，氣動、結(jié)構(gòu)、控制多學(xué)科理論建模及其耦合仿真分析、技術(shù)研究及風(fēng)電機(jī)組快速總體設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)建設(shè)。

開發(fā)流程與系統(tǒng)原理介紹?；驹O(shè)計(jì)開發(fā)流程主要包括幾個(gè)部分：a. 基礎(chǔ)建模；b. 模型移植到PLC；c. 控制算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；d. 建立PLC仿真；e. PLC加變槳系統(tǒng)聯(lián)合仿真，PLC加變流器聯(lián)合仿真；f. 輸入到動力學(xué)模型。

通過物理數(shù)據(jù)無縫傳遞方法與學(xué)科耦合仿真機(jī)理，開發(fā)多學(xué)科耦合仿真數(shù)據(jù)交換接口，建立如圖1陸地風(fēng)電機(jī)組多學(xué)科耦合動態(tài)仿真示例模型為例的風(fēng)電機(jī)組總體設(shè)計(jì)所涉及氣動、結(jié)構(gòu)、電力電子、控制等諸多學(xué)科耦合動態(tài)性能仿真模型。

結(jié)果可快速構(gòu)建總體設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)建設(shè)能力。具體有:

（1）應(yīng)用計(jì)算機(jī)集成技術(shù)和通用的仿真開發(fā)平臺集成總體設(shè)計(jì)所涉及到的開發(fā)流程、仿真工具以及風(fēng)電行業(yè)數(shù)據(jù)資料以及其規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，定制開發(fā)適合我國國情的風(fēng)電總體快速設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)。

（2）綜合國內(nèi)外的風(fēng)電機(jī)組整機(jī)及核心部件的測試數(shù)據(jù)、國家電網(wǎng)對風(fēng)電的技術(shù)要求以及未來機(jī)組性能趨勢預(yù)測，研究風(fēng)電機(jī)組總體設(shè)計(jì)性能評估過程及方法，對整機(jī)及核心部件進(jìn)行性能評估。

（3）應(yīng)用多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)化、變量化驅(qū)動風(fēng)電機(jī)組總體自動化設(shè)計(jì)仿真，快速進(jìn)行多方案比對，并根據(jù)目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化迭代。

（4）研究風(fēng)電機(jī)組各子系統(tǒng)的模型表述、模型重用性及硬件在環(huán)（半實(shí)物仿真）的風(fēng)電機(jī)組性能仿真結(jié)構(gòu)，建適用于風(fēng)電機(jī)組的實(shí)時(shí)仿真框架，完成整機(jī)及核心部件動態(tài)響應(yīng)和性能評估。

2 仿真平臺的詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 葉片氣動-結(jié)構(gòu)耦合模型

氣動力的計(jì)算在NREL－AeroDyn中實(shí)現(xiàn)，通過在動力學(xué)求解器和AeroDyn之間開發(fā)接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞。從動力學(xué)模型中讀取風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)、實(shí)時(shí)運(yùn)動狀態(tài)等參數(shù)傳遞給AeroDyn，AeroDyn根據(jù)風(fēng)電機(jī)組的狀態(tài)，結(jié)合風(fēng)模型數(shù)據(jù)計(jì)算出每個(gè)葉素的氣動力，最后經(jīng)過數(shù)據(jù)接口將氣動力施加到每個(gè)葉素上，從而實(shí)現(xiàn)給風(fēng)電機(jī)組模型施加氣動力的目的。

2.1.1葉輪氣動特性

葉輪氣動特性可以用以下的公式來表示:

其中 , ρa(bǔ)ir為空氣密度 ,Cq(λ,θ)為扭矩系數(shù) (它是葉尖速比及變槳角度的非線性函數(shù)),Rb為葉輪半徑,Vw為沿葉輪來風(fēng)方向的風(fēng)速, 為機(jī)艙X方向的移動速度，Ta為葉輪的氣動扭矩，F(xiàn)a為塔架所受的推力。ω為葉輪的轉(zhuǎn)速，λ為葉尖速比。Cp為吸收風(fēng)能系數(shù)曲線。

2.1.2 傳動系動態(tài)特性、機(jī)械特性

針對直驅(qū)和帶齒輪箱機(jī)組分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。

直驅(qū)機(jī)組:發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)－電磁耦合模型。發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)動力學(xué)復(fù)雜模型，考慮定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)柔性，通過有限元計(jì)算獲取關(guān)心頻率范圍內(nèi)的模態(tài)。為便于施加電磁載荷，將定轉(zhuǎn)子軸向和周向減縮成一定等份的單元。電磁載荷包括與氣隙相關(guān)的徑向載荷、齒槽頻率相關(guān)的高頻徑向、切向電磁載荷。

2.2 主軸承動力學(xué)模型

主軸承模型的準(zhǔn)確程度對傳動系及整機(jī)動態(tài)性能有重要影響。目前的建模方式主要有使用軸承整體的剛度曲線、通過經(jīng)驗(yàn)公式或ISO標(biāo)準(zhǔn)獲取軸承滾子的靜剛度曲線，以及一些軸承廠商通過非線性剛度曲線或整體剛度矩陣模擬。下圖為本文通過切片法建立每個(gè)軸承滾子的非線性彈簧阻尼單元，以模擬軸承整體的非線性特性。

2.3 雙饋機(jī)組中齒輪箱模型

為準(zhǔn)確建立半直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組傳動系動力學(xué)模型，齒輪傳動模型采用齒接觸嚙合多體模型。模型的材料、尺寸、參數(shù)根據(jù)設(shè)計(jì)輸入。箱體可為剛體模型或柔性體模型，箱體模態(tài)柔性通過FEM模態(tài)計(jì)算獲得。

2.4 塔架動態(tài)特性

對于整機(jī)動態(tài)仿真設(shè)計(jì)來說，可以使用一個(gè)簡化的軸對稱式的塔架模態(tài)。塔架頂部等效的位移（塔架前后移動方向和塔架左右移動方向）可以使用等效的“質(zhì)量－剛度－阻尼”系統(tǒng)來表示。塔頂?shù)男D(zhuǎn)模態(tài)、扭轉(zhuǎn)模態(tài)、偏航的影響以及高階的彎曲模塊可以忽略掉。

塔架的動態(tài)特性可以用如下公式來表示：

其中，F(xiàn)為作用到塔架上的等效推力。mt為塔頂?shù)牡刃з|(zhì)量，它由兩部分組成：塔頂?shù)馁|(zhì)量（含有葉輪的機(jī)艙的質(zhì)量）和等效的塔架的質(zhì)量（塔架的質(zhì)量假定集中到了塔架的頂部，一般可以表示為1/4的塔架質(zhì)量）。 、 和

分別為塔架的加速度、移動速度和位移。kt為塔架等效的阻尼；ct為塔架等效的剛度。它們與塔架的一階固有頻率和阻尼的關(guān)系如下：

2.5 變槳系統(tǒng)的動態(tài)特性

該執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動態(tài)特性可以用下式表示：

其中，θact為實(shí)際的變槳位置，θdem為需求的變槳位置，τ為對應(yīng)的時(shí)間常數(shù)（或者稱作響應(yīng)時(shí)間）。這種表示方法比較簡單，它體現(xiàn)了變槳系統(tǒng)的主要特性。但也需要認(rèn)識到，實(shí)際的不同變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)是有一定差別的。這主要與：1）比如：變槳內(nèi)部使用的工作方式。在變槳加速度給定較大時(shí)，實(shí)際執(zhí)行時(shí)會受到一定的限制。這其中也包括變槳的加速時(shí)間與減速時(shí)間；2）變槳內(nèi)部的控制方式：如位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)的內(nèi)部參數(shù)設(shè)置等。所以，該動態(tài)模型也可以根據(jù)實(shí)際的數(shù)據(jù)進(jìn)一步地優(yōu)化。

2.6 變流器的動態(tài)特性

該執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動態(tài)特性可以用下式表示：

其中，Tact為實(shí)際的執(zhí)行扭矩，Tdem為控制器需求的扭矩，τ為對應(yīng)的時(shí)間常數(shù)（或者稱作響應(yīng)時(shí)間）。這種表示方法比較簡單，它體現(xiàn)了變流器的主要特性。但也需要認(rèn)識到，實(shí)際的不同變流器是有較大差別的。

2.7 傳感器的動態(tài)特性

該執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動態(tài)特性可以用下式表示：

其中，ωout為輸出轉(zhuǎn)速，ωin為讀入轉(zhuǎn)速信號（可能是頻率信號），τ為對應(yīng)的時(shí)間常數(shù)（或者稱作響應(yīng)時(shí)間）。這種表示方法比較簡單，它體現(xiàn)了該傳感器的主要特性。實(shí)際中，控制所要求的傳感器精度較高，響應(yīng)速率較快。因此，時(shí)間常數(shù)相對較短。如果選擇的傳感器不合適，會導(dǎo)致測量轉(zhuǎn)速有偏差。

2.8 整機(jī)多學(xué)科耦合求解

多學(xué)科耦合求解可分為順序耦合和同步強(qiáng)耦合?？紤]到隨著各種創(chuàng)新概念的出現(xiàn)及風(fēng)電機(jī)組領(lǐng)域各種學(xué)科不斷擴(kuò)展的需求，直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組整機(jī)動態(tài)性能仿真采用如圖7葉輪系統(tǒng)多學(xué)科耦合求解為例的順序耦合的求解路線，為平臺的擴(kuò)展提供更大的靈活性。

3 實(shí)例介紹

在仿真過程中，經(jīng)常用到的幾種典型的風(fēng)模型有以下幾種： a 階躍風(fēng)；b 斜坡風(fēng)；c 湍流風(fēng)；d IEC陣風(fēng)；e 定速風(fēng)。這幾種典型的風(fēng)模型都可以由BLADED導(dǎo)出為EXCEL形式，便于軟件的讀取和使用。實(shí)際中的風(fēng)均是湍流風(fēng)，在風(fēng)況惡劣的環(huán)境下會出現(xiàn)較強(qiáng)的陣風(fēng)。

在仿真平臺下所使用的風(fēng)模型可以由BLADED軟件計(jì)算獲得。或者根據(jù)分析現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)，如：將1個(gè)小時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到其湍流風(fēng)強(qiáng)度、平均風(fēng)速、運(yùn)行時(shí)間，并根據(jù)這些參數(shù)使用BLADED生成同樣的湍流強(qiáng)度、平均風(fēng)速、運(yùn)行時(shí)間的風(fēng)。將該風(fēng)速進(jìn)行初步仿真后，可以將數(shù)據(jù)導(dǎo)出。使用這種方式獲得的風(fēng)模型是完全可靠的，也是驗(yàn)證設(shè)計(jì)的較好、簡單方式。

4 實(shí)現(xiàn)

有了以上風(fēng)模型、風(fēng)電機(jī)組模型以及控制程序，就可以將風(fēng)電機(jī)組模型進(jìn)行離散化設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)。以2.5MW直驅(qū)樣機(jī)為例進(jìn)行非線性仿真，并對設(shè)計(jì)進(jìn)行行驗(yàn)證，見圖10。

基于控制系統(tǒng)的仿真平臺如下圖，這里主要使用了兩臺PC機(jī)、一臺PLC、一套2.5MW變槳柜、變槳驅(qū)動電機(jī)、變槳負(fù)載電機(jī)、變槳負(fù)載電機(jī)的變頻器控制柜。

很好地模擬了實(shí)際風(fēng)電機(jī)組中的各種工況，驗(yàn)證了控制軟件、變槳系統(tǒng)響應(yīng)及跟蹤特性、變槳電機(jī)的溫升變化情況等，如圖11所示。

5 結(jié)論

本文介紹了一種新型整機(jī)仿真平臺的設(shè)計(jì)方法，是一種可以方便驗(yàn)證風(fēng)電機(jī)組概念階段整機(jī)設(shè)計(jì)階段的實(shí)用方法，同時(shí)具備實(shí)時(shí)仿真的特點(diǎn)。為降低開發(fā)和維護(hù)成本提供了一種思路。風(fēng)電機(jī)組整機(jī)動態(tài)性能仿真建立了總體框架參數(shù)化模型，以多學(xué)科耦合仿真為基礎(chǔ)，定義不同復(fù)雜度的動力學(xué)模型庫，并開發(fā)了性能仿真平臺，形成以下功能：

（1）它將風(fēng)況模型、葉輪系統(tǒng)模型、發(fā)電機(jī)系統(tǒng)模型、機(jī)艙系統(tǒng)模型、塔架和基礎(chǔ)模型等設(shè)計(jì)為一個(gè)軟件包的形式，可以方便在程序中實(shí)現(xiàn)導(dǎo)入、導(dǎo)出功能。簡單、實(shí)用，對于硬件配置要求不高。

（2）根據(jù)機(jī)組的控制策略和結(jié)構(gòu)總體布置特點(diǎn)，在程序中對現(xiàn)有的控制軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真，建立整機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖及整機(jī)框架參數(shù)化模型。自動生成不同配置的整機(jī)仿真模型?；诮y(tǒng)一數(shù)據(jù)接口，不同復(fù)雜度、不同型號的模型可替換。

（3）它基于風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行聯(lián)合仿真，這對于執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制性能的驗(yàn)證提供了一種新的思路。

（4）它為產(chǎn)品上機(jī)之前增加了可靠的驗(yàn)證環(huán)節(jié)，保證質(zhì)量最好的產(chǎn)品出廠運(yùn)行。

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