风电机组动态特性研究

曾杰 朱宜飞 陈卫鹏

摘要：风电机组的安全、稳定运行是提高风电场经济效益的基础，而风电机组的安全、稳定运行又取决于对风电场外部影响因素的准确分析。因此，采用ADAMS软件模拟分析了风电机组在单叶片桨距角系统故障、无桨距角系统调整控制和正常运行工况条件下的动态特性。结果表明：ADAMS软件能快速高效地模拟风电机组动态运行工况。研究成果可为准确反映风电机组运行状况提供技术支撑。

关键词：风力发电机;动态特性;ADAMS;安全稳定性

中图法分类号：TM315文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.10.013

文章编号：1006 - 0081（2021）10 - 0070 - 05

0 引 言

风电场的风速、风向具有不确定性，随着时间变化具有动态变化特性，因此风电机组的运行也具有动态变化性，而风电机组的运行特性可以分为功率、推力和转矩3类主要特性曲线，这些特性曲线随时间变化而变化，具有不确定性。

随着风力发电技术的进步和发展，目前陆上最大单机容量风电机组7.XMW机型已在成功下线，风电机组的叶轮直径和轮毂高度也日益增大，因此，对风电机组的控制要求也就越来越高。正因为风速、风向具有不确定性和动态性，会随时间变化而变化，同时受风电机组结构复杂等因素影响，很难组建反映风电机组准确运行的动态模型。因此，高效、准确地对风电机组功率、推力特性和扭矩等参数进行动态分析至关重要，这对于风电场的安全稳定运行有着重要意义。

国内外不少学者[1-3]通过仿真技术模拟了风电机组的运转，如风电机组动态响应的有限元分析法[4]，模态叠加法求解结构动力方程[5]，大型水平轴风力发电机转子和塔架的稳定性分析[6]，模態法分析叶片动态响应[7]。早期风电机组设计主要基于准稳态气动计算，较少进行结构动力学方面的分析。目前，风电机组的动态分析的方法和模型较多，本文利用机械系统动力学自动分析（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems，ADAMS）对风电机组的动态特性进行分析模拟。

1 风电机组动态运行理论和主要动态参数

1.1 风电机组动态运行理论

风电机组的动态运行除受外部环境、地形等因素影响外，还取决于机组自身的结构特性。风电机组的叶轮和能量传递装置的动态分析是风电机组动态过程分析的主要部分，需要建立与之相匹配的动态数学模型。目前，风电机组叶轮动态分析的方法主要有叶轮气动力弹性模型;传动机构动态分析方法有定速分析模型、柔性和刚性分析模型;能量传递装置部分的动态分析方法主要有柔性和刚性模型两种。

在建立动态分析模型过程中，需考虑外部因素和机组本身结构特性影响。为便于分析，将风电机组本身系统结构特性参数定义成离散参数系统，从而建立风电机组离散型模型。将风电机组分为有限数量的惯性元件、弹性元件和阻尼元件。考虑风速、风向等外观影响因素，并结合风电机组自身系统的物理结构特性，建立相对准确的风电机组动态过程分析模型。

1.2 风电机组主要特征性能参数

风电机组的叶轮扭矩Qa为

[Qa=12πρU2∞R3CTλ]                   （1）

式中：U∞为风速;[CTλ]为当叶尖速度比为λ情况下的扭矩力系数;ρ为空气密度;R为风电机组叶轮半径。因此风电机组功率P为

P=Qa·[ωt]                                （2）

式中：[ωt]为风电机组叶轮角速度。

风能利用系数Cp值用于衡量风电机组捕获风能大小的参数。若Cp值越大，说明风电机组可以捕获更多的风能能量。但风能利用系数Cp值有最大值，根据贝兹定律（Betz' Law），风电机组可以接受通过叶轮流体的所有动能，且流体在无阻力，具备连续和不可压缩性的状况下，风电机组可将通过叶轮的风速减少至原来的1/3，即风能能够转换成动能的极限比值为16/27，约59%。

风电机组推力系数CT计算公式为

[CT=p12πρR2U2∞]                             （3）

式中：叶轮实度p是指风电机组叶片（风向投影）总面积与风所通过叶轮面积（扫风面积）的比值，是风电机组的重要参考特征系数。

2 研究方法与模型构建

2.1ADAMS

机械系统动力学自动分析（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems，ADAMS）是一款虚拟仿真分析软件。ADAMS软件使用交互图形环境和零件库、力库和约束库，可创建参数化的机型系统模型，再通过求解器建立系统动力学关系，可实现机械系统模型与动力学模型的仿真。利用ADAMS软件能对风电机组（两叶片、三叶片水平轴式）的极限疲劳载荷进行模拟和分析。ADAMS软件可模拟目前主流风电机组动态响应特征，实现风电机组的机械结构与控制系统结构的模拟和分析。在进行风电机组模型构建过程中，软件将叶片和机组塔筒定义为柔性体。此柔性体是沿翼展方向特定分布的刚性和质量特性，并采用等效多项式方法来建立的模型。风电机组的机舱、叶片和轮毂采用的是惯量和质量组成的刚体结构;风电机组传动系统弹性体采用的是等效阻尼和弹簧模型方式[8]。

2.2 风电机组ADAMS模型构建

收集风电机组的基本特性参数、功率曲线、推力曲线和相关的空气动力等参数。将收集到的相关参数组成风电机组的动力结构数据。这些参数数据是ADAMS建立风电机组机械模型所需的相关结构动力文件。同时，风电机组的叶轮、塔筒和空气动力参数等数据资料需要参照ADAMS要求，形成风电机组机械模型所需的输入文件。利用ADAMS软件构建风电机组机械模型的流程如图1所示。

构建风电机组ADAMS机型模型中，作为输入文件的风电机组空气动力特性数据和机组结构数据如下所示。

2.2.1 风电机组空气动力参数

不同风电机组都有其特定的空气动力特性，风电机组空气动力特性数据是ADAMS软件中所需的机型模型结构空气动力数据。风电机组空气动力特性数据有两类数据文件，一种是有风电场风切变参数和轮毂高度处的风资源数据;另一种是风电场测风数据文件，采用的是二进制形式，可以用SNLWIND-3D SNwind或者TurbSim等程序来生成。

2.2.2 风电机组叶轮参数

风电机组叶轮参数用于定义风电机组ADASM模型中机械和结构数据特性，主要包括叶片长度、扫风面积、叶轮尺寸等数据。若定义叶片为均质特性，只需要设定单个位置相关参数;若定义叶片为非均质特性，需要设定不少于两个位置的相关参数。

2.2.3 风电机组塔筒参数

风电机组塔筒作为独立且主要的结构部分，在风电机组ADAMS模型中需进行单独定义。类似叶轮参数文件，塔筒数据文件也需定义模型的机械和结构特性。同样，若定义塔筒为均质特性，只需要设定单个位置相关参数;若定义塔筒为非均质特性，需要设定不少于两个位置的相关参数。

2.2.4 其他ADAMS软件输入参数

其他ADAMS软件输入参数主要用于实现软件模拟和计算。

3 风电机组ADAMS模型动态实例分析

采用三叶片、上风向水平轴、单机容量2 000 kW风电机组进行实例分析。风电机组的主要技术参数如表1所示。

结合上述风电机组参数，利用ADAMS构建单机容量为2 000 kW机型的模型。在此结构模型中，单叶片长度为56.5 m，对叶片进行20等分处理。风电机组ADAMS模型模拟平均风速为10 m/s，叶片桨距角为6°，风电机组初始转速10 r/min条件下，采用简单变速调整，通过调整桨距角大小来实现转子转速的控制。通过风电机组ADAMS模型来分析风电机组在单叶片桨距角系统故障、无桨距角系统调整控制和正常运行工况等不同条件下的风电机组运行特性。

3.1 单叶片桨距角系统故障情况

在风电机组运行过程中，由于机械故障或外部环境影响，可能会出现叶片桨距角控制系统故障。设定叶片桨距角初始为6°情况下，第5 s时启动机组叶片桨距角系统，假定在第10 s时，某叶片桨距角控制系统故障，导致桨距角迅速增大至50°。在这种情况下，采用ADAMS软件对此风电机组模型进行时长为40 s的动态仿真模拟。

由于叶片桨距角控制系统故障，风电机组的转速开始迅速变化，首先风电机组转速逐渐减小，导致风电机组的转矩减少，使得机组功率逐渐减小。风电机组转速、转矩变化情况如图2，3所示。发电机转矩变化情况如图4所示。风电机组功率变化情况如图5所示。

3.2 无桨距角系统调整控制情况

利用ADAMS构建单机容量为2 000 kW机型的模型。利用风电机组ADAMS模型模拟叶片桨距角为6°，风电机组初始转速10 r/min条件下，风电机组在50 s周期中的动态运行状况。风电机组转速、转矩和与发电机转矩、风电机功率大小随时间变化关系分别如图6～9所示。由于没有桨距角系统控制，风电机组转速、转矩和功率都随着风速增加而增大。

3.3 正常运行工况

风电机组在正常运行工况条件下运行，设定叶片桨距角为6°，风电机组初始转速10 r/min条件下，在运行5 s后开始叶片桨距角控制，通过建立的风电机组ADAMS模型模拟风电机组在50 s运行周期中的机组动态特性。随着风速的变化，风电机组转速不断变化，在桨距角控制系统调节下，风电机组转速由不时波动而逐渐趋于额定转速运行。风电机组的转速、转矩随时间变化情况如图10～11所示发电机转矩与风电机组功率变化情况如图12～13所示。由于开始没有桨距角系统控制，风电机组转速、转矩和功率都随着风速增加而增大，而有了桨距角系统的控制调节后，风电机组的转速等参数也趋于稳定运行状况。

4 结 语

风电机组技术日益进步和发展为国家的碳达峰、碳中和提供了技术手段。在风电场实际运行过程中，风电机组的安全稳定运行至关重要。风随时间变化而变化，具有不确定性，这将影响风电机组的安全。目前对于风电机组的动态稳定分析手段相对较少，如何高效准确地对风电机组进行动态分析成为关键。

本文采用ADAMS软件对风电机组在单叶片桨距角系统故障、无桨距角系统调整控制和正常运行工况等不同条件下的运行特性进行了动态模拟分析，具有较大的实用性和有效性。但是，考虑到风电机组受外部环境和自身结构影响，后续还需建立更完善的模型体系进行更为准确的模拟。

参考文献：

[1] 高本锋，崔意婵， 邵冰冰，等. 直驱风电机组全运行区域的次同步振荡特性分析[J]. 电力建设，2020，41（2）： 85-93.

[2] 孙群丽， 刘长良，周瑛 .基于狀态曲线的风电机组运行工况异常检测[J]. 热力发电，2019，48（7）：110-116.

[3] 江顺辉， 方瑞明，尚荣艳，等. 采用动态劣化度的风电机组运行状态实时评估[J]. 华侨大学学报（自然科学版），2018， 39（1）：86-91.

[4] 陈彦. 大型水平轴风力机结构动力响应与稳定性研究[D].北京：清华大学，1999.

[5] 刘雄，李钢强. 水平轴风力机结构动力响应分析[J].机型工程学报，2010，46（12）：128-134.

[6] WILLIAM W ， PERETZ F. Coupled Rotor/ tower Aero elastic Analysis of Large Horizontal Axis Wind Turbines[J]. AIAA Journal ，1980 ，18 （9）： 1118-1124.

[7] 鄭黎明，姜桐.大型水平轴风力机动态分析[J].机电工程，1998，15（2）：34-36.

[8] 郑黎明，叶枝全.具有失速调节的变转速风力机的动态分析与控制策略[J].太阳能学报，2001，22（3）：351-354.

（编辑：江 文）

Analysis on dynamic characteristics of wind turbine

ZENG Jie，ZHU Yifei，CHEN Weipeng

（Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.， Wuhan 430010，China）

Abstract： The safe and stable operation of wind turbine is the basis of improving the economic benefit of wind power plants， and the safe and stable operation of wind turbine depends on the accurate analysis of the external influencing factors of wind power plants. Therefore， ADAMS software was used to simulate and analyze the dynamic characteristics of the wind turbine under the conditions of failure of single blade pitch angle system， without pitch angle control system and normal operation of the system . The results showed that ADAMS software could simulate the dynamic operating conditions of wind turbine quickly and efficiently and the analysis results can provide technical support for accurately reflecting the operating condition of wind turbine.

Key words： wind turbine; dynamic characteristics;ADAMS;safety and stability