兆瓦级风力发电机组偏航系统主动偏航特性分析

鄂加强　陈燕　李振强　钱承

摘要：针对兆瓦级风力机偏航动作时剧烈振动问题，本文根据兆瓦级风机偏航系统主动偏航原理，在ADAMS中建立了兆瓦级风力发电机偏航系统虚拟样机动力学仿真模型.兆瓦级风力发电机组偏航系统主动偏航振动分析结果表明，偏航系统前四阶扭转振动的固有频率分别为17.694 7 Hz，55.816 6 Hz，85.141 2 Hz，170.182 3 Hz.动力学仿真分析结果表明，主机架在偏航运动的结束阶段存在剧烈的来回振荡现象，且振动的幅值达到了0.15 rad，振动衰减的时间超过了20 s，通过在主机架上加反馈控制可快速消除兆瓦级风机偏航系统来回振荡现象.

关键词：风力发电机组；偏航系统；主动偏航；固有频率

中图分类号：TK83 文献标识码：A

随着世界各国对能源需求的持续增长与日益严格的环境法规，目前兆瓦级风力发电机组已成为风能利用的主流设备.当风速矢量方向发生变化时，风力发电机组的偏航系统能够快速平稳地对准风向，以便风轮获得最大的风能.然而在主动偏航系统启动与刹车过程中，偏航系统的振动对风力发电机组的振动噪声、紧固件的疲劳寿命等方面产生严重的影响.如果其固有频率接近激励频率，系统将产生共振，则风力机在运行过程中，载荷由于结构共振而被放大，这关系到整个风电机组的安全运行.因此有必要对兆瓦级风力发电机偏航系统的振动特性作深入研究，避免共振的发生.然而，目前国内外对风力发电机组振动的研究主要集中在塔筒和桨叶方面，对偏航系统振动研究还比较少[1-3].文献[3]对兆瓦级风力机液压驱动的偏航系统进行了优化设计.文献[4]建立了塔架的扭转振动模型和运动方程，引入了摩擦失稳因子，得到塔架扭转振动失稳的条件.文献[5]从理论上对塔架进行了模态分析，在机舱与塔架耦合条件下求解塔架扭转振动的各阶固有频率与振型.文献[6]对螺栓连接非线性振动特性进行研究，将螺栓连接系统简化为弹簧、阻尼器、质量块的单自由度模型，说明了非线性方程能够较好地描述螺栓连接的振动特性.

但如何采取有效措施对兆瓦级风力发电机组偏航系统进行主动偏航动力学分析仍然是主动偏航过程兆瓦级风机偏航系统性能提高的瓶颈.为此，本文针对兆瓦级风力发电机组偏航系统主动偏航过程振动现象，从动力学角度研究偏航系统的动力学机理，并构建合适的兆瓦级风力发电机组偏航系统虚拟样机动力学模型，研究主动偏航过程偏航系统动力学规律.

1偏航系统主动偏航动力学模型

1.1偏航系统工作原理

如图1所示，滑动式偏航系统包括机舱、偏航齿圈、横向吊杆、压盘、柱头螺栓、蝶簧、摩擦片等装置.偏航齿圈通过高强度螺栓与塔架法兰固定连接，其外齿与固定在主机架上的偏航驱动减速箱输出轴齿轮相啮合，横向吊杆在压盘、碟簧等定位装置的作用下夹紧偏航齿圈的内圈并且通过高强度螺栓与风力发电机组机舱固定连接.

当偏航系统启动工作时，控制系统发出指令，4个驱动电机同时启动，偏航电机驱动偏航减速箱带动主机架绕偏航大齿圈缓慢旋转以实现对风；偏航动作结束需要制动时，依靠上下及侧部滑动摩擦块与偏航齿圈产生的摩擦力使机舱停止旋转；同时，驱动电机匹配有偏航制动器，在摩擦力与制动力矩的共同作用下，确保偏航系统不工作时，机舱能够锁死并保持静止状态[7-9].

根据风力发电机实际运行工况，在偏航驱动减速箱输出轴齿轮与主机架之间建立旋转副，偏航齿圈与塔架通过固定副连接，塔架固定在大地上；侧摩擦片与横向吊杆通过固定副以实现定位；顶摩擦片通过固定副与摩擦片保持架固定在一起；碟簧用建立在横向吊杆与底摩擦片处的弹簧模拟，并且在底摩擦片与横向吊杆之间施加移动副，通过施加运动副以实现偏航电机驱动偏航减速箱带动主机架及机舱绕偏航齿圈缓慢转动.

2.1.3添加接触力

在4个偏航驱动减速箱输出轴齿轮与偏航齿圈啮合处施加接触，在6个侧摩擦片与偏航大齿圈之间定义摩擦力；在30片底摩擦片与偏航大齿圈之间定义接触力，且静摩擦系数为0.3，动摩擦系数为0.1；顶部摩擦片与偏航齿圈之间分别用衬套代替平面副，并且在顶部摩擦片与偏航齿圈之间添加接触，通过施加接触以实现虚拟样机模型各个构件之间实现力的传递.

2.1.4螺栓的等效

横向吊杆处的高强度螺栓采用普通螺栓连接，当外载荷作用在系统上时，它依靠连接预紧后横向吊杆与主机架接合面间产生的摩擦力来抵抗横向外载和转矩，而螺栓的轴向除了承受轴向工作载荷外，还受到预紧力的作用.在ADAMS里面为了更好地模拟螺栓的连接作用，本文采用衬套来模拟螺栓联接.

2.1.5施加外载

在塔架与偏航齿圈结合面的中间建立一个属于主机架的Marker_1点，在Marker_1点上施加1 432.12 kN的力以及2 599.68 kN·m力矩作为外载.

2.2偏航系统主动偏航动力学仿真结果分析

2.2.1动力学仿真分析

在偏航驱动减速箱输出轴齿轮与主机架之间的旋转副上施加函数为STEP5（time，2.7， 0.314d， 2.78， 0d ）的速度驱动，进行动力学仿真分析[10-13].可以得到每个运动副所承受的力，以及构件之间的相对位移、相对加速度和相对速度.图6为塔架与地面之间的固定副在Y轴方向所受的力.

当在主机架上只施加Y轴方向的外载荷时，此固定副51受的力大小为2.441×106 N，它与虚拟样机的各个部件的总的重力与外载荷之和相等.这说明该虚拟样机模型能够真实模拟风力发电机偏航系统的工作.

2.2.2动态特性分析

加载ADAMS/Vibration模块，在偏航驱动电机输出轴齿轮与大齿圈啮合处定义输入，在主机架处定义输出.对系统进行基于模态的振动响应求解，求解系统的固有频率与振型.在风力发电机组偏航系统进行模态分析和频响特性分析.

1）模态分析

计算完成后，从ADAMS/postprocessor可以得到偏航系统前二阶的模态结果如图7～10所示.

从图7～10和表1中可知，第一阶振型为主机架的横向一阶扭转，固有频率为17.694 7 Hz；第二阶振型为横向二阶扭转，固有频率为55.816 6 Hz；第三阶振型为偏航齿圈的扭转，固有频率为85.141 2 Hz；第四阶偏航齿圈与主机架都发生了扭转，固有频率为170.182 3 Hz.实际中影响系统横向振动的模态主要是横向一阶与横向二阶模态.

2）频响特性分析

以主机架振动角位移为响应输出，通过计算得到主机架扭转振动的频响特性曲线如图11所示.

从幅频特性曲线可知，在17.694 7 Hz，55.816 6 Hz，85.141 2 Hz，170.182 3 Hz范围附近时，频响图出现了峰值.且在17.694 7 Hz和55.816 6 Hz时，幅值很大，因此偏航系统在工作时候，偏航驱动电机的频率要错开这两个频率的范围，以免共振带来的危害.而系统的第三阶和第四阶扭转频率远大于偏航电机的驱动频率，故影响较小.此研究结果与厂家提供的固有频率值基本吻合.

3）添加控制后的振动分析

以主机架y方向的转角为反馈量，以在主机架上施加的力矩为控制量，定义输入输出.在主机架上创建单分量力矩，初始值为0；建立控制系统的输入环节.在主机架质心处建立一个Marker_186点，坐标与主机架的质心坐标一致，建立一个控制输入.创建比例环节，创建比较环节.然后运行仿真，仿真时间为20 s，步长为0.1.得到主机架振动角位移控制前后的角度变化图.

由图12可知，未加控制之前，主机架在偏航运动的结束阶段存在剧烈的来回振荡现象，且振动的幅值达到了0.15 rad，振动衰减的时间超过了20 s，这种来回振荡运动会给风力发电机组疲劳寿命带来严重的损伤.当加了控制后，偏航系统运动状况非常理想，只在刹车后的7.25 s内存在较小的抖动，之后机舱能够迅速锁死并保持静止状态.

3结论

1）建立了兆瓦级风力发电机组偏航系统虚拟样机模型并进了动力学仿真分析与振动分析.结果表明，该虚拟样机能够准确模拟兆瓦级风力发电机组偏航系统的真实工作状况.

2）振动分析结果表明，偏航系统主要振动方式为扭转振动，且前四阶的固有频率分别为17.694 7 Hz，55.816 6 Hz，85.141 2 Hz和70.182 3 Hz.

3）通过在主机架上加反馈控制，偏航系统运动状况非常理想，这有利于消除兆瓦级风机偏航系统来回振荡现象.

参考文献

[1]刘静，李郝林，黄德杰. 基于ADAMS/Vibration 的轧辊磨床测量装置振动特性仿真[J]. 机械设计，2010，27（12）：29-33.

[2]鄂加强，张彬，董江东，等. 新型风电偏航减速机动力学仿真分析[J]. 中南大学学报：自然科学版，2011，42（8）：2324-2331.

[3]STUBKIER S， PEDERSEN H C. Design， optimization and analysis of hydraulic soft yaw system for 5 MW wind turbine[J].Wind Engineering， 2011，35（5）：529-550.

[4]廖明夫，黄巍，董礼，等.风力发电机组偏航引起的失稳振动[J].太阳能学报，2009， 30（4）： 488- 492.

[5]加成双.风力发电机组发电机组偏航振动的研究[D].长春：吉林大学，2011.

[6]陈学前，杜强，冯加权.螺栓连接非线性振动特性研究 [J].振动与冲击，2009，28（7）：196-198.

[7]余意.风力发电机滑动式偏航轴承的性能分析与研究[D].北京：华北电力大学，2011.

[8]肖劲松，倪维斗，姜桐.大型风力发电机组的建模及仿真[J].太阳能学报，1997，18（2）：117-127.

[9]张锁怀，张文礼，张青雷. 基于Adams的MW级风力发电机组动力学建模[J].华北电力大学学报：自然科学版，2009，36（4）：51-57.

[10]BALAMURUGAN S， ARUMUGAM R. Estimation of vibration in switched reluctance motor drives [J]. American Journal of Applied Sciences， 2005，2（4）： 119-127.

[11]高明宝，李世芸.基于ADAMS对柔性太阳能帆板的振动分析[J].机电产品开发与创新，2010，23（5）：76-78.

[12]高旭，曾国英.螺栓法兰连接结构的振动仿真分析[J].噪声与振动控制，2010，36 （3）： 38-40.

1）模态分析

计算完成后，从ADAMS/postprocessor可以得到偏航系统前二阶的模态结果如图7～10所示.

从图7～10和表1中可知，第一阶振型为主机架的横向一阶扭转，固有频率为17.694 7 Hz；第二阶振型为横向二阶扭转，固有频率为55.816 6 Hz；第三阶振型为偏航齿圈的扭转，固有频率为85.141 2 Hz；第四阶偏航齿圈与主机架都发生了扭转，固有频率为170.182 3 Hz.实际中影响系统横向振动的模态主要是横向一阶与横向二阶模态.

2）频响特性分析

以主机架振动角位移为响应输出，通过计算得到主机架扭转振动的频响特性曲线如图11所示.

从幅频特性曲线可知，在17.694 7 Hz，55.816 6 Hz，85.141 2 Hz，170.182 3 Hz范围附近时，频响图出现了峰值.且在17.694 7 Hz和55.816 6 Hz时，幅值很大，因此偏航系统在工作时候，偏航驱动电机的频率要错开这两个频率的范围，以免共振带来的危害.而系统的第三阶和第四阶扭转频率远大于偏航电机的驱动频率，故影响较小.此研究结果与厂家提供的固有频率值基本吻合.

3）添加控制后的振动分析

以主机架y方向的转角为反馈量，以在主机架上施加的力矩为控制量，定义输入输出.在主机架上创建单分量力矩，初始值为0；建立控制系统的输入环节.在主机架质心处建立一个Marker_186点，坐标与主机架的质心坐标一致，建立一个控制输入.创建比例环节，创建比较环节.然后运行仿真，仿真时间为20 s，步长为0.1.得到主机架振动角位移控制前后的角度变化图.

由图12可知，未加控制之前，主机架在偏航运动的结束阶段存在剧烈的来回振荡现象，且振动的幅值达到了0.15 rad，振动衰减的时间超过了20 s，这种来回振荡运动会给风力发电机组疲劳寿命带来严重的损伤.当加了控制后，偏航系统运动状况非常理想，只在刹车后的7.25 s内存在较小的抖动，之后机舱能够迅速锁死并保持静止状态.

3结论

1）建立了兆瓦级风力发电机组偏航系统虚拟样机模型并进了动力学仿真分析与振动分析.结果表明，该虚拟样机能够准确模拟兆瓦级风力发电机组偏航系统的真实工作状况.

2）振动分析结果表明，偏航系统主要振动方式为扭转振动，且前四阶的固有频率分别为17.694 7 Hz，55.816 6 Hz，85.141 2 Hz和70.182 3 Hz.

3）通过在主机架上加反馈控制，偏航系统运动状况非常理想，这有利于消除兆瓦级风机偏航系统来回振荡现象.

参考文献

[1]刘静，李郝林，黄德杰. 基于ADAMS/Vibration 的轧辊磨床测量装置振动特性仿真[J]. 机械设计，2010，27（12）：29-33.

[2]鄂加强，张彬，董江东，等. 新型风电偏航减速机动力学仿真分析[J]. 中南大学学报：自然科学版，2011，42（8）：2324-2331.

[3]STUBKIER S， PEDERSEN H C. Design， optimization and analysis of hydraulic soft yaw system for 5 MW wind turbine[J].Wind Engineering， 2011，35（5）：529-550.

[4]廖明夫，黄巍，董礼，等.风力发电机组偏航引起的失稳振动[J].太阳能学报，2009， 30（4）： 488- 492.

[5]加成双.风力发电机组发电机组偏航振动的研究[D].长春：吉林大学，2011.

[6]陈学前，杜强，冯加权.螺栓连接非线性振动特性研究 [J].振动与冲击，2009，28（7）：196-198.

[7]余意.风力发电机滑动式偏航轴承的性能分析与研究[D].北京：华北电力大学，2011.

[8]肖劲松，倪维斗，姜桐.大型风力发电机组的建模及仿真[J].太阳能学报，1997，18（2）：117-127.

[9]张锁怀，张文礼，张青雷. 基于Adams的MW级风力发电机组动力学建模[J].华北电力大学学报：自然科学版，2009，36（4）：51-57.

[10]BALAMURUGAN S， ARUMUGAM R. Estimation of vibration in switched reluctance motor drives [J]. American Journal of Applied Sciences， 2005，2（4）： 119-127.

[11]高明宝，李世芸.基于ADAMS对柔性太阳能帆板的振动分析[J].机电产品开发与创新，2010，23（5）：76-78.

[12]高旭，曾国英.螺栓法兰连接结构的振动仿真分析[J].噪声与振动控制，2010，36 （3）： 38-40.

1）模态分析

计算完成后，从ADAMS/postprocessor可以得到偏航系统前二阶的模态结果如图7～10所示.

从图7～10和表1中可知，第一阶振型为主机架的横向一阶扭转，固有频率为17.694 7 Hz；第二阶振型为横向二阶扭转，固有频率为55.816 6 Hz；第三阶振型为偏航齿圈的扭转，固有频率为85.141 2 Hz；第四阶偏航齿圈与主机架都发生了扭转，固有频率为170.182 3 Hz.实际中影响系统横向振动的模态主要是横向一阶与横向二阶模态.

2）频响特性分析

以主机架振动角位移为响应输出，通过计算得到主机架扭转振动的频响特性曲线如图11所示.

从幅频特性曲线可知，在17.694 7 Hz，55.816 6 Hz，85.141 2 Hz，170.182 3 Hz范围附近时，频响图出现了峰值.且在17.694 7 Hz和55.816 6 Hz时，幅值很大，因此偏航系统在工作时候，偏航驱动电机的频率要错开这两个频率的范围，以免共振带来的危害.而系统的第三阶和第四阶扭转频率远大于偏航电机的驱动频率，故影响较小.此研究结果与厂家提供的固有频率值基本吻合.

3）添加控制后的振动分析

以主机架y方向的转角为反馈量，以在主机架上施加的力矩为控制量，定义输入输出.在主机架上创建单分量力矩，初始值为0；建立控制系统的输入环节.在主机架质心处建立一个Marker_186点，坐标与主机架的质心坐标一致，建立一个控制输入.创建比例环节，创建比较环节.然后运行仿真，仿真时间为20 s，步长为0.1.得到主机架振动角位移控制前后的角度变化图.

由图12可知，未加控制之前，主机架在偏航运动的结束阶段存在剧烈的来回振荡现象，且振动的幅值达到了0.15 rad，振动衰减的时间超过了20 s，这种来回振荡运动会给风力发电机组疲劳寿命带来严重的损伤.当加了控制后，偏航系统运动状况非常理想，只在刹车后的7.25 s内存在较小的抖动，之后机舱能够迅速锁死并保持静止状态.

3结论

1）建立了兆瓦级风力发电机组偏航系统虚拟样机模型并进了动力学仿真分析与振动分析.结果表明，该虚拟样机能够准确模拟兆瓦级风力发电机组偏航系统的真实工作状况.

2）振动分析结果表明，偏航系统主要振动方式为扭转振动，且前四阶的固有频率分别为17.694 7 Hz，55.816 6 Hz，85.141 2 Hz和70.182 3 Hz.

3）通过在主机架上加反馈控制，偏航系统运动状况非常理想，这有利于消除兆瓦级风机偏航系统来回振荡现象.

参考文献

[1]刘静，李郝林，黄德杰. 基于ADAMS/Vibration 的轧辊磨床测量装置振动特性仿真[J]. 机械设计，2010，27（12）：29-33.

[2]鄂加强，张彬，董江东，等. 新型风电偏航减速机动力学仿真分析[J]. 中南大学学报：自然科学版，2011，42（8）：2324-2331.

[3]STUBKIER S， PEDERSEN H C. Design， optimization and analysis of hydraulic soft yaw system for 5 MW wind turbine[J].Wind Engineering， 2011，35（5）：529-550.

[4]廖明夫，黄巍，董礼，等.风力发电机组偏航引起的失稳振动[J].太阳能学报，2009， 30（4）： 488- 492.

[5]加成双.风力发电机组发电机组偏航振动的研究[D].长春：吉林大学，2011.

[6]陈学前，杜强，冯加权.螺栓连接非线性振动特性研究 [J].振动与冲击，2009，28（7）：196-198.

[7]余意.风力发电机滑动式偏航轴承的性能分析与研究[D].北京：华北电力大学，2011.

[8]肖劲松，倪维斗，姜桐.大型风力发电机组的建模及仿真[J].太阳能学报，1997，18（2）：117-127.

[9]张锁怀，张文礼，张青雷. 基于Adams的MW级风力发电机组动力学建模[J].华北电力大学学报：自然科学版，2009，36（4）：51-57.

[10]BALAMURUGAN S， ARUMUGAM R. Estimation of vibration in switched reluctance motor drives [J]. American Journal of Applied Sciences， 2005，2（4）： 119-127.

[11]高明宝，李世芸.基于ADAMS对柔性太阳能帆板的振动分析[J].机电产品开发与创新，2010，23（5）：76-78.

[12]高旭，曾国英.螺栓法兰连接结构的振动仿真分析[J].噪声与振动控制，2010，36 （3）： 38-40.