風電機組傳動鏈機械暫態(tài)特性的建模與仿真方法
【專利摘要】一種風電機組傳動鏈機械暫態(tài)特性的建模與仿真方法，該方法包括：（1）建立風電機組傳動鏈三維模型。（2）將傳動鏈三維模型導入到ANSYS和ADAMS中，建立傳動鏈有限元模型和剛柔耦合模型。剛柔耦合模型考慮主軸、行星架、傳動軸和輸出軸的柔性。（3）建立風電機組模型并計算電網瞬時故障時傳動鏈載荷，通過電壓跌落發(fā)生器進行模擬電網故障。計算結束后提取傳動鏈扭矩—時間歷程。（4）將傳動鏈扭矩—時間歷程加載到ADAMS模型中，作為傳動鏈機械暫態(tài)特性仿真的載荷邊界條件，在ADAMS中實施電網瞬時故障時傳動鏈扭轉振動響應、應力等機械暫態(tài)特性的仿真分析，并進行傳動鏈機械暫態(tài)特性的校核與評估。（5）選取傳動鏈關鍵載荷點，在ANSYS中實施靜態(tài)強度校核分析。
【專利說明】風電機組傳動鏈機械暫態(tài)特性的建模與仿真方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種風電機組傳動鏈在電網故障時機械暫態(tài)運行特性的建模與仿真方法。
【背景技術】
[0002]電網發(fā)生瞬時故障時，包括電壓跌落、相位跳變等，并網風電機組暫態(tài)運行特性會對機組甚至風電場的安全穩(wěn)定性產生嚴重影響。開展電網瞬時故障下并網風電機組的暫態(tài)特性的研究具有非常重要的意義。
[0003]對于雙饋式變速恒頻風電機組，雙饋感應發(fā)電機定子直接與電網連接，電網電壓瞬時跌落等故障會造成電機定子磁鏈的振蕩，在電機定子端感應出過電壓、過電流，造成電磁轉矩突變與振蕩。由于雙饋式風電機組葉片輪轂與電機轉子之間通過傳動鏈進行連接，兩者之間轉動慣量相差較大；同時由于傳動鏈剛度相對較低，齒輪箱中多組齒輪的嚙合進一步加大了傳動鏈的柔性。這使得來自風速的波動和電網故障的擾動一方面會導致傳動鏈承受較大的不平衡扭矩，產生機械轉矩的波動與振蕩，激起傳動鏈的共振。另一方面會導致傳動鏈部件承受較大的扭切力沖擊，并產生應變。從而加大傳動鏈及其零部件的疲勞載荷，影響其長期使用壽命。在嚴重的情況下，巨大的扭矩可能導致傳動軸出現裂紋，甚至出現斷裂等嚴重故障問題。
[0004]近年來，針對電網故障對風電機組的影響問題，國內外已有相關研究，但主要是針對風力發(fā)電機電氣部分暫態(tài)過程來進行的，研究內容也主要集中于電網瞬時故障時電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、電能質量等。所建立的仿真模型對機械傳動鏈部分做了較大簡化，多以兩質量塊或三質量塊模型等效，即:將葉片輪轂等效為一個剛性質量塊，將齒輪箱與發(fā)電機轉子等效為一個或兩個質量塊，將連接這三者的低速軸與高速軸視為柔性軸。如劉思(劉思，田德，鄧英等.雙饋風力發(fā)電機組等效模型對機組暫態(tài)穩(wěn)定性的影響[J].可再生能源2012,30(10):42-46.)等建立的傳動鏈三質量塊等效模型，對電網擾動情況下風電機組暫態(tài)穩(wěn)定性進行了的仿真分析。Badrinath V.(Badrinath V.，D.Santos-Martinj H.Jensen.Voltage sag influence on fatigue life of the drivetrainof fixed speed wind turbines[J].ARPN Journal of Engineering and AppliedSciences.2011，6 (3): 106-115.)等建立了傳動鏈三質量塊模型，仿真分析了電壓跌落故障對風電機組疲勞壽命的影響。這種建模和仿真方法對于研究電網瞬時故障時風電機組電氣暫態(tài)特性是有效的，但無法對傳動鏈的機械暫態(tài)特性進行定量、精確地分析。中國電力科學院(秦世耀，王瑩瑩，李慶等.風電機組低電壓穿越特性聯(lián)合仿真模型及其聯(lián)合仿真方法.中國專利，201210279998.4.2012-12-12.)提出了基于Bladed和Matlab的風電機組低電壓穿越特性聯(lián)合仿真方法。中國專利，201110306473.0提出了一種包括Bladed單元，RTDS單元和PLC控制器的風電機組低電壓穿越綜合模擬系統(tǒng)。上述聯(lián)合仿真模型都沒有對機械傳動鏈進行詳細建?？紤]，而是采用不同的簡化模型替代。其仿真結果也不能有效獲得傳動鏈的機械暫態(tài)特性。
【發(fā)明內容】
[0005]本發(fā)明的目的是克服現有技術無法深入研究風電機組傳動鏈機械暫態(tài)特性的缺點，提出一種在電網瞬時故障情況下，風電機組傳動鏈機械暫態(tài)特性的建模與仿真方法。本發(fā)明通過建立傳動鏈的暫態(tài)動力學模型，并且基于協(xié)同仿真方法進行傳動鏈在電網故障下的機械暫態(tài)特性仿真分析，從而能夠定量、精確地分析電網瞬時故障對傳動鏈的機械暫態(tài)影響，為傳動鏈的設計優(yōu)化及控制策略提供理論依據。
[0006]本發(fā)明采用如下技術方案:
[0007]首先建立傳動鏈暫態(tài)動力學模型，其技術方案如下:
[0008]采用CAD軟件Solidworks建立風電機組傳動鏈三維模型。
[0009]進一步的，采用有限元軟件ANSYS建立傳動鏈有限元模型。同時采用ADAMS建立傳動鏈剛柔耦合模型，其中考慮傳動鏈剛性較低的部件如:主軸、行星架、齒輪軸和輸出軸的彈性變形影響，將上述部件等效為柔性體。
[0010]其次建立風電機組整機模型，并進行電網瞬時故障時傳動鏈的載荷計算，提取傳動鏈扭矩一時間歷程數據，即傳動鏈扭矩隨時間變化的離散數據。其技術方案如下:
[0011]采用美國NREL的開源程序FAST建立風電機組氣動模型、傳動鏈模型和塔架模型。在FAST初始輸入文件中輸入風機運行參數和基本幾何參數，同時建立塔架文件、葉片文件、Aerodyn文件、ADAMS指定文件和控制系統(tǒng)文件。其中傳動鏈模型采用簡化質量塊模型，傳動鏈剛度通過對傳動鏈模型進行有限元計算或者對傳動鏈實體進行剛度測試獲得。運行FAST初始輸入文件生成風電機組氣動模型，傳動鏈模型和塔架模型。采用仿真工具Matlab/Simulink建立風電機組電氣模型，建立的電氣模型主要包含:變槳系統(tǒng)模型、發(fā)電機變流器系統(tǒng)模型和控制系統(tǒng)模型，同時建立跌落發(fā)生器模型。
[0012]進一步的,設定FAST和Simulink模型之間的交互變量,采用S-Function的方式建立動態(tài)鏈接，將FAST模型導入到Simulink模型中，從而生成風機整機模型。
[0013]進一步的,基于Simulink和FAST模型的聯(lián)合仿真進行電網瞬時故障時傳動鏈載荷聯(lián)合仿真計算。仿真完成后將傳動鏈載荷數據以txt的形式導出，形成傳動鏈載荷文件。傳動鏈載荷主要包括傳動鏈主軸和輸出軸上扭矩一時間歷程。仿真工況主要包括:正常運行，電網故障和故障恢復狀態(tài)，從而可實現電網故障期間和電網故障前后傳動鏈暫態(tài)特性的對照分析。電網故障通過設置跌落發(fā)生器模型進行模擬。故障類型主要考慮電網電壓跌落和相位跳變兩種類型。故障深度主要考慮20%，30%, 50%, 75%四類深度。故障持續(xù)時間主要考慮 625ms, 900ms, 1200ms, 1700ms 四段時間。
[0014]最后進行電網瞬時故障下傳動鏈機械暫態(tài)特性的仿真分析，其具體方法如下:
[0015]將提取出的傳動鏈扭矩一時間歷程數據以Spline函數的方式導入到ADAMS剛柔耦合模型中，并施加到傳動鏈主軸相應位置上，并作為傳動鏈暫態(tài)特性仿真分析的載荷邊界條件。
[0016]進一步的，運行ADAMS動力學仿真，仿真結束后提取傳動鏈部件的暫態(tài)振動響應，包括扭轉角速度和角加速度，分別進行時域和頻域分析，對照比較電網故障前后傳動鏈部件的振動幅值和振動頻率，評估其是否對部件造成損害和是否激起傳動鏈的共振。提取傳動鏈部件的應力、應變，分析電網瞬時故障前后傳動鏈部件的應力變化，并對傳動鏈部件進行強度校核和疲勞壽命預測。
[0017]進一步的，選取傳動鏈關鍵載荷點，在ANSYS中進一步實施靜態(tài)強度校核分析。關鍵載荷點主要考慮傳動鏈載荷峰值點和齒輪軸應力峰值對應的載荷點。分別將傳動鏈載荷峰值點和齒輪軸應力峰值對應的載荷點作為ANSYS靜態(tài)仿真分析的載荷邊界條件。運行靜態(tài)仿真分析，仿真結束后提取仿真結果并進行分析，評估傳動鏈部件的強度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1為電網瞬時故障下傳動鏈機械暫態(tài)特性建模和仿真流程圖；
[0019]圖2為基于FAST和Simulink的風電機組整機聯(lián)合仿真模型構架圖。
【具體實施方式】:
[0020]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步說明。
[0021]圖1為電網故障下傳動鏈機械暫態(tài)特性建模和仿真流程圖。
[0022]本發(fā)明所涉及到的建模與仿真方法主要分為三部分，首先建立傳動鏈暫態(tài)動力學模型，包括:傳動鏈有限元模型和剛柔耦合模型。其次，建立風機整機模型并進行電網瞬時故障時傳動鏈載荷計算。仿真結束后提取傳動鏈扭矩一時間歷程。最后，將傳動鏈扭矩一時間歷程作為載荷邊界條件，分別對傳動鏈有限元模型和剛柔耦合模型進行暫態(tài)特性仿真，并對仿真結果進行評估。本發(fā)明實施步驟如下:
[0023]( I)首先，采用CAD軟件建立傳動鏈三維模型:考慮到三維模型在客觀反映傳動鏈暫態(tài)特性的同時不影響后續(xù)仿真速度，因此對三維模型進行適當簡化，建立的傳動鏈部件主要包括:主軸、齒輪系統(tǒng)和輸出軸，其中齒輪系統(tǒng)主要包括:各級齒輪、行星架和齒輪軸。忽略暫態(tài)特性影響不明顯的傳動鏈部件的建模，如:齒輪箱體和銷軸部件。將傳動鏈部件按照精確的定位關系裝配成傳動鏈整機三維模型。
[0024]采用有限元軟件ANSYS建立傳動鏈有限元模型。將傳動鏈三維模型導入有限元軟件ANSYS中，定義模型材料屬性并對模型進行有限元網格劃分。其中，齒輪嚙合區(qū)域的網格需要細化，而其他部件的網格不宜過細，否則會影響后續(xù)仿真速度。網格劃分結束后，對齒輪嚙合部位和部件接觸部位定義接觸對，探究齒輪嚙合應力和部件接觸應力的暫態(tài)影響。
[0025]建立傳動鏈剛柔耦合模型。將傳動鏈三維模型導入到多體動力學軟件ADAMS中。定義模型的材料屬性?？紤]傳動鏈剛性較低的部件如:主軸、行星架、齒輪軸和輸出軸的彈性變形對傳動鏈暫態(tài)特性的影響，將上述部件等效為柔性體，分別在有限元軟件中進行子結構分析，提取各部件的主要模態(tài)并通過模態(tài)中性文件導入到ADAMS中替換之前的剛性體部件，形成傳動鏈剛柔耦合模型。為便于在ADAMS中對柔性部件施加載荷和運動副約束，在進行子結構分析時，需要將載荷和運動副施加面上的節(jié)點綁定到中間節(jié)點上，并通過中間節(jié)點施加相關載荷和運動副約束。
[0026](2)在上一步驟的基礎上建立風機整機模型。采用美國NREL的開源程序FAST建立風電機組氣動模型、傳動鏈模型和塔架模型。在FAST初始輸入文件中輸入風機運行參數和基本幾何參數，同時建立塔架文件、葉片文件、Aerodyn文件、ADAMS指定文件和控制系統(tǒng)文件。其中傳動鏈模型采用簡化質量塊模型，傳動鏈剛度通過對傳動鏈模型進行有限元計算或者對傳動鏈實體進行剛度測試獲得。本發(fā)明采用有限元計算，其具體技術方案是:設定傳動鏈主軸初始位置，對該位置處傳動鏈有限元模型進行全約束，在主軸受載面上施加50Nm的扭矩，運行靜態(tài)仿真。仿真結束后，讀取主軸受載面上的最大變形量，計算扭轉剛度。將傳動鏈主軸順時針旋轉一個角度，再次進行剛度計算。重復上述過程獲得傳動鏈在一個旋轉周期內多組扭轉剛度值，對所有數據取平均獲得傳動鏈平均扭轉剛度值，并作為最終參數。
[0027]采用仿真工具Matlab/Simulink建立風電機組電氣模型，建立的電氣模型主要包含:變槳系統(tǒng)模型、發(fā)電機變流器系統(tǒng)模型和控制系統(tǒng)模型，同時建立跌落發(fā)生器模型。其中，變槳系統(tǒng)模型以一階慣性環(huán)節(jié)等效。發(fā)動機模型能夠反映轉子磁鏈的暫態(tài)特性。變流器模型包括機測變流器模型和網側變流器模型，并分別以電壓源和電流源等效?？刂葡到y(tǒng)依據實際控制策略進行建模，包括最大功率跟蹤、恒功率運行控制、有功和無功功率調節(jié)、槳距控制以及與低電壓穿越相關的控制模塊。跌落發(fā)生器模型采用電抗器分壓式產生電網電壓跌落，可設置電網跌落深度和跌落類型。
[0028]設定Simulink模型和FAST模型之間的交互變量，采用S-Function的方式建立動態(tài)鏈接，將FAST模型導入到Simulink模型中，從而生成風機整機模型。圖2是基于FAST和Simulink的風電機組聯(lián)合仿真模型構架圖,FAST模型和Simulink模型之間的交互變量包括槳距角、風力機角速度、輸出軸角速度和電磁轉矩。其中，FAST模型將每一仿真步長內計算獲得的輸出軸角速度實時傳遞給Simulink模型中發(fā)電機變流器模塊，同時將風力機角速度實時傳遞給保護模塊和控制系統(tǒng)模型。電氣模型將仿真得到的電磁轉矩和漿距角實時反饋回FAST模型，進行下一仿真步長的計算。
[0029]進行電網瞬時故障時傳動鏈載荷聯(lián)合仿真計算。基于Simulink環(huán)境進行Simulink和FAST模型的聯(lián)合仿真，仿真完成后將傳動鏈載荷數據以txt的形式出來，形成傳動鏈載荷文件。傳動鏈載荷主要包括傳動鏈主軸和輸出軸上扭矩一時間歷程，即傳動鏈扭矩隨時間變化的離散數據。仿真工況主要包括:正常運行，電網故障和故障恢復狀態(tài)，從而可實現電網故障期間和電網故障前后傳動鏈暫態(tài)特性的對照分析。電網故障通過設置跌落發(fā)生器模型進行模擬。故障類型主要考慮電網電壓跌落和相位跳變兩種類型。故障深度主要考慮20%，30%, 50%, 75%四類深度。故障持續(xù)時間主要考慮625ms, 900ms, 1200ms, 1700ms 四段時間。
[0030](3)進行電網瞬時故障下傳動鏈機械暫態(tài)特性的仿真分析。將上一步獲得的傳動鏈扭矩一時間歷程數據以創(chuàng)建Spline的形式導入到ADAMS傳動鏈剛柔耦合模型中，并通過調用Spline函數的方法將載荷數據添加到傳動鏈模型主軸和輸出軸的Marker點上。運行ADAMS動力學仿真，仿真結束后提取傳動鏈部件的暫態(tài)振動響應，包括扭轉角速度和角加速度，分別進行時域和頻域分析，對照比較電網故障前后傳動鏈部件的振動幅值和振動頻率，評估其是否對部件造成損害和是否激起傳動鏈的共振。提取傳動鏈部件的應力、應變，分析電網瞬時故障前后傳動鏈部件的應力變化，并對傳動鏈部件進行強度校核和疲勞壽命預測。
[0031]基于上一步仿真結果，選取傳動鏈關鍵載荷點，在ANSYS中進一步實施靜態(tài)強度校核分析。關鍵載荷點主要考慮傳動鏈載荷峰值點和齒輪軸應力峰值對應的載荷點，其中傳動鏈載荷峰值點可能會導致傳動鏈部件產生斷裂，齒輪軸應力峰值可能導致齒輪嚙合應力的增加從而破壞輪齒。傳動鏈載荷峰值點通過傳動鏈載荷一時間歷程文件進行選取，重點針對電網瞬時故障過程中輸出軸電磁轉矩波動峰值進行選取。齒輪軸應力峰值通過ADAMS應力仿真結果進行選取，并從載荷一時間歷程文件中對應選取出應力峰值時刻的傳動鏈載荷。分別將傳動鏈載荷峰值點和齒輪軸應力峰值對應的載荷點作為ANSYS靜態(tài)仿真分析的載荷邊界條件。運行靜態(tài)仿真分析，仿真結束后提取仿真結果并進行分析，評估傳動鏈部件的強度。
【權利要求】
1.一種風電機組傳動鏈機械暫態(tài)特性的建模與仿真方法，其特征在于:所述的建模與仿真方法為:首先建立傳動鏈暫態(tài)動力學模型；其次建立風電機組整機模型并進行電網瞬時故障時傳動鏈的載荷計算；再實施電網瞬時故障時傳動鏈機械暫態(tài)特性的仿真分析，并對仿真結果進行評估。
2.按照權利要求1所述的風電機組傳動鏈機械暫態(tài)特性的建模與仿真方法，其特征在于:所述的建立傳動鏈暫態(tài)動力學模型的方法是: (1)采用CAD軟件建立傳動鏈三維模型，該傳動鏈三維模型是關于暫態(tài)特性影響較為明顯的傳動鏈部件:主軸、齒輪系統(tǒng)和輸出軸的三維模型，并裝配成傳動鏈模型； (2)建立傳動鏈有限元模型，將步驟(1)得到的傳動鏈三維模型導入有限元軟件ANSYS中，對傳動鏈三維模型劃分有限元網格，形成傳動鏈有限元模型； (3)建立傳動鏈剛柔耦合模型，將傳動鏈三維模型導入多體動力學軟件ADAMS中，將剛性較低的部件:主軸、行星架、齒輪軸和輸出軸等效為柔性體，將其他部件如:齒輪、銷軸等效為剛性體，形成傳動鏈剛柔耦合模型。
3.按照權利要求1所述的風電機組傳動鏈機械暫態(tài)特性的建模與仿真方法，其特征在于:所述的建立風電機組整機模型的方法是: 采用美國NREL的開源程序FAST軟件建立風電機組氣動模型、傳動鏈模型和塔架模型；在FAST初始輸入文件中輸入風機運行參數和基本幾何參數，同時建立塔架文件、葉片文件、Aerodyn文件、ADAMS指定文件和控制系統(tǒng)文件；其中傳動鏈模型采用簡化質量塊模型，傳動鏈剛度通過對傳動鏈模型進行有限元計算或者對傳動鏈實體進行剛度測試獲得；運行FAST初始輸入文件生成風電機組氣動模型，傳動鏈模型和塔架模型； 采用仿真工具Matlab/Simulink建立風電機組電氣模型,所述的風電機組電氣模型主要包含:變槳系統(tǒng)模型、發(fā)電機變流器系統(tǒng)模型和控制系統(tǒng)模型；同時建立跌落發(fā)生器模型； 設定FAST和Simulink模型之間的交互變量，采用S-Function的方式建立動態(tài)鏈接，將FAST模型導入到Simulink模型中，生成風機整機模型。
4.按照權利要求1所述的風電機組傳動鏈機械暫態(tài)特性的建模與仿真方法，其特征在于:所述的電網瞬時故障時傳動鏈的載荷計算方法如下: 基于Simulink和FAST模型的聯(lián)合仿真進行電網瞬時故障時傳動鏈載荷聯(lián)合仿真計算；仿真完成后將傳動鏈載荷數據形成傳動鏈載荷文件；傳動鏈載荷主要包括傳動鏈主軸和輸出軸上扭矩一時間歷程，即傳動鏈扭矩隨時間變化的離散數據；仿真工況設定為:正常運行，電網故障和故障恢復狀態(tài)；電網故障通過設置跌落發(fā)生器模型進行模擬；故障類型主要考慮電網電壓跌落和相位跳變兩種，故障深度主要考慮20%, 30%, 50%, 75%四類，故障持續(xù)時間主要考慮625ms, 900ms, 1200ms, 1700ms四段。
5.按照權利要求1所述的風電機組傳動鏈機械暫態(tài)特性的建模與仿真方法，其特征在于:所述實施電網瞬時故障時傳動鏈機械暫態(tài)特性的仿真分析的方法為: 將所述步驟(3)提取的傳動鏈扭矩一時間歷程數據導入傳動鏈ADAMS傳動鏈剛柔耦合模型中，并將傳動鏈扭矩一時間歷程數據添加到輸入軸和輸出軸的Marker點上，作為傳動鏈機械暫態(tài)特性分析的載荷邊界條件；運行動力學仿真，仿真結束后提取傳動鏈部件的暫態(tài)振動響應，包括扭轉角速度和角加速度，分別進行時域和頻域分析，對照比較電網故障前后傳動鏈部件的振動幅值和振動頻率，評估其是否對部件造成損害和是否激起傳動鏈的共振；提取傳動鏈部件的應力、應變，分析電網瞬時故障前后傳動鏈部件的應力變化，并對傳動鏈部件進行強度校核和疲勞壽命預測； 進一步選取傳動鏈關鍵載荷點，在ANSYS中實施靜態(tài)強度校核分析；關鍵載荷點主要考慮傳動鏈載荷峰值點 和齒輪軸應力峰值對應的載荷點；分別將傳動鏈載荷峰值點和齒輪軸應力峰值對應的載荷點作為ANSYS靜態(tài)仿真分析的載荷邊界條件；運行靜態(tài)仿真分析，仿真結束后提取仿真結果并進行分析，評估傳動鏈部件的強度。
【文檔編號】G06F17/50GK103745070SQ201410041026
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2014年1月28日 優(yōu)先權日:2014年1月28日
【發(fā)明者】宋斌, 胡書舉 申請人:中國科學院電工研究所