风力发电机系统动力学仿真方法研究

燕智敏

（苏州热工研究院有限公司，江苏 苏州215004）

风力发电机是世界上广泛应用的新能源设备之一，其主要工作原理是将风能转换为机械能。风机叶片在风载荷驱动下带动转子旋转，转子驱动发电机对外输出交流电。风力发电机是一种重要的清洁能源转换装备，主要由叶片、机舱、轮毂、齿轮箱、发电机及塔筒等部件组成。20世纪70年代以前，世界对于石油等非再生单一能源的过度依赖，最终导致了能源紧张。人们认识到对于非再生能源的过度依赖将不可避免出现“能源危机”，于是寻求清洁的可再生能源成为当前世界最重要的能源替代课题。而风能是一种无污染、可再生的自然能源，在“能源危机”的情况下，逐渐被人们所重视。到目前为止，风力发电机在世界发电领域占据了越来越重要的地位[1-3]。

由于风力发电机系统通常工作在诸如交变风载工况、地震及潮汐等恶劣工况下，庞大且复杂的风力发电机系统结构所造成的系统动力学将受到极大的影响，直至严重影响整个风力发电机系统的工作寿命。国外一些科研院所对于风力发电机系统结构动力学研究中，Simo Rissanen和Sanna Uski运用ADAMS模拟了风机机械系统的动力学行为；丹麦Risae国家实验室研发人员建立了风机柔性体叶片数学模型，命名为FLEX4。国内对于风力发电机系统的研究，新疆大学基本走在了前列。其研究人员运用动力学仿真软件ADAMS等对风机进行结构动力学研究；在风机系统动力学研究上，上海电气集团也取得了一定的科研成果，其研究人员基于ADAMS仿真平台对兆瓦级风力发电机组进行了动力学模拟仿真[4-5]。

提高叶片和塔筒等长度和高度是提高风机整机功率的有效手段。过长的叶片和塔筒将给予风机整机动力学提出难度和技术等更为苛刻的要求。本研究采用ADAMS仿真软件，主要研究了风力发电机系统中风轮及塔筒部分的动力学研究方法。

1 动力学仿真模型

风力发电机系统整体结构见第65页图1，主要由叶片、轮毂、机舱、齿轮箱、发电机及塔筒等组成，其中叶片及塔筒长度随着系统功率的逐渐增高而增高。大尺寸、高揉度的叶片、塔筒结构对风力发电机系统的动力学问题提出更好的要求。因此，精准的风机动力学仿真模型对于研究风机动力学特性意义重大。动力学方程为

由式（1）可知，保证系统质量、阻尼和刚度相同的前提下，可确保系统动力学相同。

与此同时，确保简化模型转动惯量与系统结构转动惯量相同也是保证系统动力学不变的重要条件。塔筒风轮系统仿真模型见第65页图2。

图1 风力发电机系统整体结构

图2 塔筒风轮系统仿真模型

2 结构柔性化替换

在ADAMS仿真平台中搭建刚性动力学模型，为研究风力发电系统动力学变化对结构强度造成的影响，需要对刚性模型进行柔性化处理。刚性结构柔性化处理主要注意以下5点：一是柔性化前后模型一致；二是替换模型需提前进行有限元网格处理；三是准确定义结构边界条件；四是约束部位需建立相应刚性点；五是两柔性结构必须直接通过刚性结构连接。结构柔性化替换操作流程见图3。

图3 结构柔性化替换操作流程

3 风载荷施加

将GH软件计算出的风载荷施加到动力学仿真模型相应位置处。本研究基于直角坐标系下，将风载荷数据进行坐标分解，最终获得了3个坐标方向上的力和力矩数据，施加到风机质心位置。图4为风载荷所在直角坐标系示意图，基于该坐标系下的力和力矩方向服从右手准则。

图4 风载荷加载坐标系

4 风力发电机系统动力学仿真实例

将某型号风力发电机系统整体模型简化为动力学仿真模型，分别对风机的叶片、轮毂和塔筒进行柔性化替换。施加GH风载荷数据，加载GH计算出经过3个方向分解后的风载荷数据，施加整个风机系统的运动副。该动力学仿真中，不考虑风机叶片与轮毂间的偏转以及风轮与塔筒之间的偏航效应，所以风机叶片与轮毂间的运动副可简化为固定副；轮毂与质量球间可简化为旋转副；质量球与塔筒间可简化为固定副，塔筒与地面固定。风力发电机系统动力学仿真结果中的塔筒与叶片变形结果见图5。风机机舱的横向振动频域信号测量结果见图6，该结果给出了风机在某一风况下的频率分布情况。根据该变形与振动结果，优化风机相关部件设计，为使风机有效规避风载激振提供科学依据。

图5 系统变形

图6 机舱振动频域

综上所述，由于风载荷的激振频率较宽，因此进行风力发电机系统研发时，必须确保风机整体结构固有频率具有足够的避开裕度以使风机有效规避风载荷激振频率的影响。同时大功率风机将使得风机叶片和塔筒尺寸增大，在风载荷的激振下，大尺寸叶片和塔筒的强度问题也是风机安全运行的大问题。而风力发电机系统动力学仿真技术的研究可以有效解决风机强度与振动问题。动力学仿真方法越精准，风机的强度和振动安全系数越大，风机越安全可靠。因此，风力发电机系统动力学仿真方法研究对于缩短风机研发周期、有效增强风机的抗灾害能力和提高风机使用寿命具有重要的现实意义。