李祥雨，孫文磊，劉國(guó)良

(新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，烏魯木齊 830047)

風(fēng)力機(jī)組變槳機(jī)構(gòu)在變風(fēng)速下的動(dòng)力學(xué)聯(lián)合仿真分析

李祥雨，孫文磊，劉國(guó)良

(新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，烏魯木齊 830047)

為了更加準(zhǔn)確地對(duì)變槳機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，從模擬其復(fù)雜工作運(yùn)行狀況入手，在Simulink中建立了變槳機(jī)構(gòu)運(yùn)行的數(shù)學(xué)控制模型，在UG中建立了變槳機(jī)構(gòu)三維實(shí)體運(yùn)動(dòng)模型。借助兩軟件的聯(lián)合仿真實(shí)現(xiàn)兩模塊的同步數(shù)據(jù)交換，解決了變風(fēng)速下變槳機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)運(yùn)行的問(wèn)題，達(dá)到了變槳的重要目的——穩(wěn)定吸收風(fēng)能。通過(guò)模擬得到了機(jī)構(gòu)在運(yùn)行條件下的動(dòng)力學(xué)特性，為進(jìn)一步的設(shè)計(jì)和優(yōu)化奠定基礎(chǔ)，同時(shí)提供了一種模擬機(jī)構(gòu)工作運(yùn)行性能的方法。

變槳機(jī)構(gòu);聯(lián)合仿真;動(dòng)力學(xué)特性

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)不可再生資源的利用不斷增加，使其面臨著枯竭的危險(xiǎn)。因此，對(duì)風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生資源的利用越來(lái)越受到關(guān)注，尤其是對(duì)風(fēng)能的利用。在將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程中，風(fēng)速是隨時(shí)變化的。變槳機(jī)構(gòu)是風(fēng)能發(fā)電機(jī)捕獲最大風(fēng)能并保證輸出功率穩(wěn)定的主要機(jī)構(gòu)。本文首先對(duì)變槳機(jī)構(gòu)的原理和運(yùn)行狀況進(jìn)行分析，然后建立風(fēng)速仿真的Simulink模型進(jìn)行變風(fēng)速下的聯(lián)合仿真。為了準(zhǔn)確計(jì)算風(fēng)力機(jī)的動(dòng)力特性，本文不僅模擬了風(fēng)機(jī)的理想工況，而且根據(jù)變槳控制理論，借助聯(lián)合仿真模擬其在外部風(fēng)載荷輸入下的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，在滿足其復(fù)雜運(yùn)行狀態(tài)下得到機(jī)構(gòu)載荷與外部風(fēng)載的關(guān)系，為變槳機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。本文借助UG對(duì)二維或三維模型進(jìn)行復(fù)雜的靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，并借助UG和Simulink聯(lián)合仿真來(lái)控制變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將機(jī)構(gòu)模型產(chǎn)生的變槳信號(hào)實(shí)時(shí)反饋到控制模型中，模擬驗(yàn)證變槳機(jī)構(gòu)的工作性能。

1 變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)原理和運(yùn)動(dòng)分析

1.1 變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)的模型及原理

目前，在大型風(fēng)力機(jī)中，采用的風(fēng)力機(jī)組變槳距控制方案主要有2種［1］，即電機(jī)控制和液壓控制。其中液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)又有多種形式，其中以曲柄連桿和曲柄滑塊的應(yīng)用最為廣泛［2］。本文根據(jù)兆瓦級(jí)變槳機(jī)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)建立其三維實(shí)體模型及變槳機(jī)構(gòu)原理圖(該機(jī)構(gòu)由偏心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和擺桿機(jī)構(gòu)合成)，如圖1、2所示。由變槳原理圖2知:當(dāng)控制油缸沿著導(dǎo)向桿運(yùn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)搖桿運(yùn)動(dòng)，此時(shí)安全油缸啟動(dòng);當(dāng)安全油缸運(yùn)動(dòng)時(shí)，直接帶動(dòng)槳葉變槳，而控制油缸不動(dòng)。變槳機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)而言之就是控制油缸和安全油缸相結(jié)合的運(yùn)動(dòng)。

1.2 變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析

在UG運(yùn)功仿真模塊中，首先根據(jù)其運(yùn)動(dòng)原理設(shè)置桿件和運(yùn)動(dòng)副;然后設(shè)置運(yùn)動(dòng)條件，即槳葉盤的反向力矩為2 100 N·m［3］。該機(jī)構(gòu)有2個(gè)動(dòng)力源，且運(yùn)動(dòng)有先后，為了完成在不同時(shí)刻的先后運(yùn)動(dòng)，運(yùn)用Step函數(shù)驅(qū)動(dòng)完成不同時(shí)刻的聯(lián)動(dòng)。在0～5 s控制油缸完成最大行程運(yùn)動(dòng)，在5～10 s安全油缸完成最大行程運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)曲線如圖3所示。從圖3可以看出:控制油缸在Step函數(shù)驅(qū)動(dòng)后5 s達(dá)到最大行程265 mm(如圖3中的實(shí)線所示)，而安全油缸在Step函數(shù)驅(qū)動(dòng)后10 s達(dá)到最大行程280 mm(如圖3中的虛線所示)。

圖1 變槳機(jī)構(gòu)三維實(shí)體模型

圖2 變槳機(jī)構(gòu)原理

圖3 液壓缸的位移曲線

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)概括為:控制油缸先動(dòng)，待其運(yùn)動(dòng)到最大行程時(shí)安全油缸才啟動(dòng)，兩者結(jié)合起來(lái)共同完成變槳的全過(guò)程。將仿真分析結(jié)果導(dǎo)出到Excel中并作圖，在兩油缸聯(lián)動(dòng)控制下，最終得到葉片的變槳位移β曲線。液壓缸的位移曲線和槳距角的位移曲線如圖3、4所示。

圖4 槳距角位移曲線

由圖2(變槳機(jī)構(gòu)原理)知:控制油缸在0～5 s內(nèi)到達(dá)最大行程，此時(shí)槳距角由0°變?yōu)?5°;而后安全油缸啟動(dòng)，在5～10 s內(nèi)達(dá)到最大行程，此時(shí)槳距角由45°變?yōu)?0°。由圖4可知:控制油缸和安全油缸的聯(lián)合運(yùn)動(dòng)滿足該變槳機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求和使用要求。

2 風(fēng)速的模擬

風(fēng)速?zèng)Q定和影響風(fēng)輪的特性，變化的風(fēng)速直接影響風(fēng)機(jī)的前期設(shè)計(jì)和后期運(yùn)行，因此搭建正確的風(fēng)速模型至關(guān)重要。為了更好地研究變槳機(jī)構(gòu)的調(diào)控特性，將變槳機(jī)構(gòu)置于大于額定風(fēng)速的情況下工作。

本研究沿用國(guó)內(nèi)外使用較多的組合風(fēng)速模型。為了更加逼近真實(shí)風(fēng)速，模擬風(fēng)速設(shè)置為3個(gè)組成部分:基本風(fēng)、漸變風(fēng)和隨機(jī)風(fēng)［4］。在建立數(shù)學(xué)模型之后，在Simulink中進(jìn)行仿真分析，并建立風(fēng)速仿真的Simulink模型，如圖5所示。

仿真時(shí)，設(shè)定基本風(fēng)速為12 m/s。漸變風(fēng)的開始時(shí)間即為仿真的開始時(shí)間，結(jié)束時(shí)間為14 s，最大值設(shè)定為8 m/s。隨機(jī)風(fēng)的取值范圍小于1 m/s。采樣時(shí)間(即Sample time的取值)為0.05 s。整體的仿真時(shí)間為14 s。仿真結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知:在0～5 s內(nèi)，漸變風(fēng)由12 m/s增加到20 m/s;在5～9 s內(nèi)，風(fēng)速維持在20 m/s左右;在9～12 s內(nèi)，漸變風(fēng)由20 m/s減小到12m/s;在12～14 s內(nèi)，風(fēng)速維持在12 m/s左右。

圖5 風(fēng)速仿真的Simulink模型

圖6 風(fēng)速仿真

3 變風(fēng)速下的聯(lián)合仿真

風(fēng)輪機(jī)以風(fēng)作為原動(dòng)力，風(fēng)速直接決定了風(fēng)輪機(jī)模擬過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性。風(fēng)速模型不僅用于資源規(guī)劃中以評(píng)價(jià)風(fēng)電的經(jīng)濟(jì)性、持久性以及含風(fēng)電場(chǎng)的電力系統(tǒng)的可靠性［5］，而且還用于實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的最大捕獲，達(dá)到輸出穩(wěn)定功率的目的。

風(fēng)力機(jī)吸收風(fēng)能的利用系數(shù)Cp與槳距角、風(fēng)速、風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速有關(guān)。根據(jù)有關(guān)資料［6］，利用系數(shù)Cp可表示為

其他相關(guān)公式如下:

式(1)～(4)中:P為風(fēng)輪吸收風(fēng)能功率;T為風(fēng)輪的氣動(dòng)扭矩;ρ為空氣密度;Cp為功率利用系數(shù);λ為葉尖速比;β為葉片的槳距角;ν為風(fēng)速;R為風(fēng)輪的半徑;ω為風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速;J為風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;Te為發(fā)電機(jī)的反向力矩。

由式(1)可得風(fēng)力特性曲線(見圖7)。由圖7可知:當(dāng)槳距角β固定時(shí)，存在唯一的風(fēng)能利用系數(shù)最大值Cpmax;當(dāng)槳距角β=00時(shí)，風(fēng)能利用系數(shù)Cp相對(duì)最大;隨著槳距角β的增大，風(fēng)能利用系數(shù)Cp相對(duì)明顯減小。當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，如果固定槳距角，風(fēng)機(jī)吸收的風(fēng)能會(huì)高于額定功率，并隨風(fēng)速的增加而持續(xù)增加，這樣會(huì)使載荷過(guò)大，產(chǎn)生不良后果。為此，變槳機(jī)構(gòu)在風(fēng)速高于額定風(fēng)

速時(shí)會(huì)通過(guò)調(diào)節(jié)槳距角β值來(lái)穩(wěn)定風(fēng)能。

圖7 風(fēng)力特性曲線

以風(fēng)速為輸入信號(hào)，變風(fēng)速會(huì)影響到風(fēng)機(jī)風(fēng)能的吸收。當(dāng)風(fēng)速在額定風(fēng)速以上變化時(shí)，需要通過(guò)變槳系統(tǒng)的調(diào)節(jié)來(lái)維持風(fēng)能的穩(wěn)定。為了模擬變槳機(jī)構(gòu)對(duì)風(fēng)能的調(diào)節(jié)，借助UG和Simulink進(jìn)行聯(lián)合仿真，仿真模型如圖8所示。仿真模型主要由風(fēng)能吸收模塊、PID變槳控制模塊、NXMotion-PlantBlock模塊組成。當(dāng)輸入變風(fēng)速時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)PID變槳控制模塊得到理想槳距角β，從而使Cp產(chǎn)生相應(yīng)的變化，最終實(shí)現(xiàn)輸出功率的穩(wěn)定。

圖8 聯(lián)合仿真模型

4 機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析

在UG運(yùn)動(dòng)仿真中生成變槳?jiǎng)赢嫞溥\(yùn)動(dòng)形式為隨風(fēng)速變化的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。由圖9可以看出:在液壓缸運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，控制油缸的位移在0～4 s內(nèi)呈逐漸增大的趨勢(shì)。這是由于風(fēng)速在此時(shí)段內(nèi)上升很快，由變槳理論可知此時(shí)應(yīng)通過(guò)增加槳距角β來(lái)穩(wěn)定風(fēng)能。Simulink外部控制器通過(guò)使UG模型中油缸位移的增加來(lái)實(shí)現(xiàn)槳距角的增加。由圖10可以看出:在控制油缸作用下，槳距角很好控制。在油缸推動(dòng)桿件運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，機(jī)構(gòu)的受力與風(fēng)載荷有密切的聯(lián)系。由圖11、12可看出:在4～9 s內(nèi)風(fēng)載荷比較穩(wěn)定，控制油缸的位移保持不變，Simulink外部控制器使UG模型中控制油缸的位移維持在70 mm左右，從而實(shí)現(xiàn)槳距角基本不變。對(duì)應(yīng)UG中輸出的實(shí)際槳距角由圖10可以看出，此時(shí)槳距角維持在12°左右，機(jī)構(gòu)所受到的力矩和力也維持在某一常數(shù)附近。由圖11、12可以看出:在9～12 s內(nèi)風(fēng)載荷快速下降，由變槳理論可知此時(shí)應(yīng)通過(guò)減小槳距角β來(lái)穩(wěn)定風(fēng)能。

圖9 控制油缸的位移s變化

圖10 槳距角β變化

Simulink外部控制器通過(guò)使UG模型中油缸位移減小來(lái)減小槳距角，對(duì)應(yīng)UG中輸出的實(shí)際槳距角由圖10可以看出。油缸運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，機(jī)構(gòu)受力增大，但位移迅速減小，從而導(dǎo)致機(jī)構(gòu)所受力矩減小，這由圖11、12可以看出。

圖12 控制油缸受力F變化情況

由此可以斷定，在UG中生成變槳?jiǎng)赢?，可以觀察變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況，符合實(shí)際情況，且機(jī)構(gòu)運(yùn)行穩(wěn)定。在變槳機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)下，風(fēng)能功率輸出穩(wěn)定，可以滿足工況需求，同時(shí)也驗(yàn)證了機(jī)構(gòu)具有優(yōu)良的工作性能。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了變槳機(jī)構(gòu)的三維模型和運(yùn)動(dòng)原理，通過(guò)運(yùn)動(dòng)分析驗(yàn)證了該機(jī)構(gòu)性能的穩(wěn)定性。根據(jù)實(shí)際需要，在基于Simulink模型的基礎(chǔ)上完成了風(fēng)速模擬仿真。搭建了整機(jī)Simulink控制系統(tǒng)，結(jié)合UG運(yùn)動(dòng)仿真模塊完成了變槳機(jī)構(gòu)的聯(lián)合仿真。為了準(zhǔn)確計(jì)算風(fēng)力機(jī)的動(dòng)力學(xué)，本文不僅模擬風(fēng)機(jī)的理想工況，而且根據(jù)變槳控制理論，借助聯(lián)合仿真模擬其在外部風(fēng)載荷輸入下的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，為變槳機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。本文借助UG運(yùn)動(dòng)仿真軟件對(duì)二維或三維模型進(jìn)行復(fù)雜的靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。結(jié)果表明:該機(jī)構(gòu)在變風(fēng)速下起到了調(diào)節(jié)風(fēng)載荷及穩(wěn)定風(fēng)能吸收的目的，同時(shí)提供了一種模擬機(jī)構(gòu)工作性能的方法。

［1］Xing Z X，Chen L.The comparison of several variablespeed wind generation set construction［C］//The Second China International Renewable Energy Conference.Beijing:［s.n.］，2005:361-369.

［2］戴贇.大型風(fēng)力機(jī)變槳距控制研究［D］.上海:上海交通大學(xué)，2008:24-28.

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(責(zé)任編輯 劉舸)

Combined Simulation of the Dynamic Wind Turbine Pitch Mechanism under Variable Wind Speeds

LI Xiang-yu，SUN Wen-lei，LIU Guo-liang
(School of Mechanical Engineering，Xinjiang University，Urumqi 830047，China)

In order to more accurately analyze the pitch mechanism，this paper started the research from the simulation of its complicated work condition，and then established the mathematical control model and the three-dimensional entity model of its operational process in Simulink and UG.By means of the combination of the two software simulation，we realized two modules’data exchange synchronously，and the regulating operation of pitch mechanism under the variable wind speed.Meanwhile，it achieves the important purpose of pitch-absorb wind energy stability.Dynamics characteristic is obtained by simulating in the condition of mechanism operation.It provides the basis for the further design and control optimization，and at the same time provides a simulation method for the working performance of mechanism.

pitch mechanism;joint simulation method;dynamics characteristic

TH 113;TM614

A

1674-8425(2014)06-0048-05

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2014.06.009

2014-02-15

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51065026);新疆維吾爾自治區(qū)自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2011211A002);高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目(20106501110002)

李祥雨(1985—)，男，山東菏澤人，碩士研究生，主要從事數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造研究;通訊作者孫文磊(1962—)，男，新疆奎屯人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造研究。

李祥雨，孫文磊，劉國(guó)良.風(fēng)力機(jī)組變槳機(jī)構(gòu)在變風(fēng)速下的動(dòng)力學(xué)聯(lián)合仿真分析［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2014(6):48-52.

format:LI Xiang-yu，SUN Wen-lei，LIU Guo-liang.Combined Simulation of the Dynamic Wind Turbine Pitch Mechanism under Variable Wind Speeds［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(6):48-52.