泵与风机的仿真研究.doc

泵与风机的仿真研究风机的仿真研究1 引言 随着国际、国内社会对环境关注程度的不断提高，风力 发电越来越受到各国的重视。近年来，风力发电技术得到迅 猛发展，兆瓦级变速恒频风力发电机组已成为当今国际社会 风力发电机组的主流产品，变桨距控制也已广泛应用于大型 风力机。电动变桨系统响应快，不存在液压变桨漏油问题， 受到各风电厂商的青睐。 采用电动变桨系统需要调试驱动器和变桨控制器的控 制参数，传统的变桨系统控制参数调试是在风场完成。风机 现场调试控制参数受风场环境、安全因素等诸多影响，而且 不利于风机的安全。利用仿真技术完成变浆系统的控制参数设计，不受风场环境限制，并可提高变桨系统的稳定性，延 长风机使用寿命。国外对风机变桨技术研究早，已有一定研 究成果［1］［2］，国内在这方面的研究还比较少。本文在对文献 ［ 1］中惯性负载、升力扰动详细分析基础上，结合国内风机叶 型现状分析重力负载影响，并完善文献［ 1］中气动负载扰动 分析，实现变桨系统扰动负载的数值仿真。基于变桨系统数 学建模、扰动分析和直流电动变桨系统控制结构完成变桨系 统的计算机建模并搭建变桨系统仿真平台，通过对变桨系统 进行仿真得出满意的控制参数范围，仿真结果可指导实际风 机变桨系统控制参数调试。 2 风机变桨系统仿真平台 风机变桨系统仿真平台由变桨系统和工况模拟系统组 成。如图 1 所示，变桨系统包括变桨控制器、变桨驱动器和变桨电机，通过编码器反馈实现对变桨电机的速度和位置控 制; 工况模拟系统包括工况模拟控制器( PLC) 、交流带载电 机、驱动器、变流器。为使工况模拟系统接近实际变桨系统 工况，选取与计算出的变桨系统折算至变桨电机轴侧惯量接 近的交流伺服电机，将交流电机设置为力矩控制模式，通过 PLC 控制其力矩大小。仿真时交流带载电机通过联轴器与 变桨电机联接并被变桨电机拖动进入发电状态，所发电量通 过变流器回馈电网。变桨系统和工况模拟系统通过 Profibus 进行通信，利用 IEC61131 －3 编程语言完成变桨控制软件和 工况模拟软件。由风机变桨系统的数学模型、扰动力矩分析 和计算机模型指导变桨系统仿真平台的搭建。 3 风机变桨系统数学模型 典型的风力机电动变桨系统由变桨控制器、变桨电机、 传动系统、风机桨叶构成。根据变桨电机、传动系统和风机 桨叶的力矩平衡关系，得到变桨系统数学模型: J dω dt + bω + Td = TM ( 1) 其中: J = JB + JM + JT Td = Ta + Tg + Ti + T{ f 式( 1) 中 J 表示折算到电机轴的变桨系统转动惯量，包 括变桨电机的转动惯量 JM，折算后传动系统的转动惯量 JT， 折算后风机桨叶的转动惯量 JB; ω 表示变桨电机转速; b 表示 与变桨转速有关的阻尼系数; Td 表示折算至电机轴的变桨系 统的扰动力矩，包括折算后的气动负载Ta、重力负载Tg、惯性 负载 Ti、摩擦负载 Tf 扰动力矩; TM 表示变桨电机的输出力 矩。 4 变桨系统扰动负载分析 根据风力机变桨系统的空气动力学和运动学分析，将变 桨系统的扰动力矩分为 4 类: 气动负载、重力负载、惯性负 载、摩擦负载。文献［ 1］对变桨系统造成扰动的离心力、升 力、空气阻尼进行了分析，将其分别归类为惯性负载和气动 负载。 4． 1 气动负载 风力机是一种从风中吸取能量的装置，现代风力机全都 采用风力机叶片的升力来带动叶轮转动［3］，风力机的风能转 换系统，变桨系统都与空气动力有紧密的关系。 如图2 所示， V0 为原始风速， a 为反映风速轴向变化的轴 向诱导因子， a＇为反映风速切向变化的切向诱导因子， Ω 为风 轮转速， Vrel 为入流风速， α 为攻角， β 为桨矩角， φ 为入流角， L 为升力， D 为阻力。阻力与弦的夹角为 α，升力与阻力垂直。升 力在弦的法向分力 LN大小为 Lcos( α) ，阻力在弦的法向分力 DN大小为 Dsin( α) 。升力、阻力在弦的法向上的分力将会对 变桨产生影响。 Mlift = ∫ R R0 ρ 2 Vrel 2cClcos( α) addx = ∑ ρ 2 Vrel 2cClcos( α) adΔr ( 2) Mdrag = ∫ R R0 ρ 2 Vrel 2cCdsin( α) addx = ∑ ρ 2 Vrel 2cCdsin( α) adΔr ( 3) 上式表示升力、阻力对变桨系统产生的扰动力矩，其中 ρ 表示空气密度， c 表示弦长， Cl 表示攻角对应的升力系数， Cd 表示攻角对应的阻力系数， ad 表示升力作用点沿弦长到变桨 轴的距离， R0 表示叶根距风轮旋转中心的距离， R 表示叶尖 距风轮旋转中心的距离。 气动负载扰动力矩可表示为: Ma =