大型风电机组塔筒动态载荷识别研究与验证_巫发明.pdf

振动与冲击 第 卷第 期 基金项目 政府间国际科技创新合作重点专项 收稿日期 修改稿收到日期 第一作者 巫发明 男博士高级工程师 年生 通信作者 杨从新 男博士教授博士生导师 年生 大型风电机组塔筒动态载荷识别研究与验证 巫发明 杨从新 王青 杨柳 兰州理工大学能源与动力工程学院兰州中车株洲电力机车研究所有限公司风电事业部湖南 株洲 摘要针对某实例大型风电机组搭建动力学仿真模型开展种工况组仿真计算并进行机组气动特性 和动力学特性的敏感度分析从载荷及运行状态变化趋势给出塔筒受载与机组气动特性动力学特性的相关性依据机 组气动特性动力学特性构建塔筒动态载荷识别模型将构建好的模型嵌入试验风电机组进行真机实验验证研究表 明动态辨识载荷与仿真结果吻合度较高其平均值的总体偏差约同时通过样机测试进行验证测试结果表明动 态识别载荷与实测结果平均值总体偏差应在以内具有较高吻合度构建的动载荷模型识别结果较为稳定该方法 能为风电机组塔筒的应用提供支撑可为机组的安全监控提供便捷的方法 关键词风电机组载荷识别动态响应结构参数辨识 中图分类号 文献标志码 随着现代化建设进程的不断深化高速发展的铁 路大飞机和新能源等一批高科技项目被提到了前所 未有的高度并在这些领域的许多方面取得了重要的 研究与应用成果其中工程结构上的动态载荷问题也 很受关注 为此动态载荷识别的研究成为一项 急待解决的问题由于实际载荷的复杂性以及现场 环境的干扰因素想要准确的识别出载荷成为了科研 难点 近年风电机组迅速发展新开发的机组容量越来 越大风轮叶片越来越长机组体积和质量也不断增 加风电装备大多都在环境恶劣的环境之中运行再 叠加自身复杂的结构特点使得其所受的外部激振力 比其他大型旋转机械更多更大更复杂风电机组面 临的动力学和承载问题也越来越多机组大型化的发 展存在着很多障碍如大气紊流对机组的附加载荷机 组的冲击载荷等存在不但降低了机组的可靠性而且 严重影响了结构的安全性因此动力学成为风电 发展的研究的重要方向在线振动监测作为动力学 的一个研究方向在风电机组上已广泛应用如何将 动力学的另一个研究方向载荷识别技术应用到风电领 域并提高载荷识别准确性和验证载荷识别模型是本 文的重点研究内容 动态载荷识别在风电的研究内容在国内外均未见 报道国内外部分学者进行相关的研究陈雪峰等 研究指出风电装备运行可靠性差是当时公认难题随 着风电装备的世型化海上化结构新型化还会对风 电装备运行安全保障提出新的挑战程友良等考虑 大型风电机组塔架叶片耦合结构主振动与内振动联合 作用结合振动的位移应变关系及势能理论对其进 行模态分析重点分析在脉动风载荷作用下的动力响 应情况毛玉明等提出了一种基于灵敏度分析法的 结构动态载荷识别时域分析技术通过灵敏度迭代分析 来确定相应的载荷参数从而确定结构的动态输入载荷 缪炳荣等应用多体动力学仿真和有限元分析相结合 的方法进行机车车体结构的疲劳仿真研究利用 软件对机车整车系统进行刚柔体混合建模与仿真 对传统车体结构疲劳强度分析方法进行了补充和发展 由于风电向低风速地区发展高塔筒和轻量化塔 筒成为风电机组研发的热点针对塔筒带来的动力学 特性问题和受载问题成为研发者们关心的重点本文 运用模态分析法在时域内研究结构动态载荷识别的方 法并结合空气动力学基础理论开展机组塔筒的动态 载荷识别研究 理论基础 动量叶素理论 风电机组所转化的能量来源于风的动能由动 量叶素理论可知叶素法向力 和切向力 分别表示为 式中法向力系数 和切向力系数可以由升力系数 及阻力系数计算得出 式中表示叶素弦长表示叶素展长 表示来流风速 表示空气密度 考虑叶片数量 作用在半径处叶素的轴向推 力为 作用在半径处叶素的转矩为 因此风轮轴向推力为 多体动力学理论 基于多体动力学方法建模能用较少的单元达到高 模拟精度高计算效率因而在动学系统建模上得到越 来越多的重视在风电机组的研发中不只是通过单 独校核各部件的载荷能力而是倾向于机组的动态模 拟结果为基础来考虑机组运行的可靠性因此根据多 体动力学基本理论建立由一系列刚体和柔性体组成 的整机系统模型使用多体动力学仿真的方法将风电 机组塔筒叶片和传动链系统耦合求解动力学方 程动力学模型的一般形式可表示为 { 式中 为位置坐标阵的约束方程 为约束方程 的雅可比矩阵 为拉格朗日乘子 动载荷识别理论 动态载荷识别问题属于结构动力学的第类反问 题它是根据结构在动态载荷作用下的振动响应应 变位移加速度和系统的特性参数固有频率振型 阻尼比等来确定动载荷的过程本文将动态载荷 识别方法应该于风电机组塔筒载荷识别主要根据风 电机组气动特性和动力学特性构建了风电机组塔 筒受载的动态载荷识模型如图所示 图动态载荷识别模型 对于个自由度具有阻尼的线性系统运动方程 式为 式中和分别为 阶的系统质量刚度和阻 尼矩阵 分别为 阶的位移速 度和加速度的响应向量 为维动态载荷向量 基于模态实验分析或理论计算可获得系统的各阶模态 参量并进行模态坐标变换 式中 为 阶的各阶模态向量 组成的模态矩 阵 为 阶的模态坐标向量则式可用模 态坐标表示为如下解耦的形式 振 动 与 冲 击年第卷 式中 和分别为阶的模态质量模态 刚度和模态阻尼矩阵 为维模态力向量 风电机组塔筒振动特性类似于阻尼强迫振动的特 点 风电机组塔筒载荷识别模型主要构建方法 如下 式中 为塔筒初始模式形状 为塔筒的广义质量 它与塔筒机舱和风轮包括风轮惯性的影响相关 式中 为塔筒每个单元高度的质量分别 为机舱和风轮每个单元高度的质量 为叶轮关于水 平轴的转动惯量对于带三叶片的风轮转动惯量是个 常量 加载在塔筒上的一个重要参数 是从叶片反 馈到轮毂高度的载荷由与塔筒初始模式相关联的 刚性运行所引起的叶片转动惯量包括风轮的质量以及 惯量并且相关的阻尼可以用于阻尼系数 的计 算然而叶片的空气动力影响惯量以及与叶片弯曲 相联系的阻尼所有这些都会对塔顶产生影响 式的右边的表达式可以写为 仿真分析与验证 模型参数 为研究风电机组的塔筒载荷与气动特性动力学 特性的关系以行业主流机型 变速变桨风电 机组为例使用国际权威 软件构建模型进 行仿真分析该机组的主要参数如表所示 表风电机组参数 风力机参数数值 风轮直径 叶片数个 空气密度 切入风速 切出风速 湍流强度 额定风速 发电机额定功率 塔筒高度 桨距角最大调节速度 风电机组载荷分析及结构动力学分析中建立坐 标系才能对机组及部件进行建模和计算分析国际电 气委员会 制定的相应标准中规定了坐标系为 了便于对比本文采用 标准坐标系 动力学仿真模型 采用 为仿真平台建立整机的多体动力学 模型其模型由风轮叶片轮毂变桨系统传动链 主轴主轴承齿轮箱联轴器发电机主框架塔筒 和控制系统构成图所示风电机组动力学系统 结构 图风电机组动力学系统结构图 以多体动力学分析平台软件 为中心结合 空气动力学代码 和控制分析平台引入外部控 制器 建立如图所示风电机组气弹控耦合 仿真模型 图风电机组拓扑图 动力学特性分析 应用构建的 动力学仿真模型研究风电机 组随着风速变化引起机组运行特性和动力学特性变 化主要分析发电机转矩变桨角机舱振动位移机舱 振动加速度和塔筒受载随风速的变化趋势应用仿真 模型开展仿真计算条件为风速从 到 间 隔 每组完成个风种子计算一共进行种工 第期巫发明等大型风电机组塔筒动态载荷识别研究与验证 况组动态仿真计算 图 图给出不同风速下的机组气动特性推力 系数及机舱振动位移机舱振动加速随风速变化的变 趋势从图可以明显看出推力系数出现 和 三个拐点与文献中的类似其点之前是低转 速运行阶段到点最佳 跟踪段到点恒定 额定转速转矩向额定转矩上升阶段正好在此拐点 处塔底 载荷最大 点之后进入满功率运行阶段 从图可以明显看出塔底 载荷随着机舱振动位移 的增加而增加塔底 载荷随风速变化呈抛物线形 式先随风速增大而增加当风速达到额定风速后其载 荷值随风速的增加而减小从图可以明显看出塔 底 载荷与机舱振动加速度没有体现直接相关性 图塔底 推力系数与风速的曲线 图塔底 机舱位移与风速的曲线 图塔底 机舱加速度与风速的曲线 载荷识别模型及仿真对比 选取风电机组有代表性的四个运行状态点进行塔 底载荷时序对比状态点如表所示分别是切入风速 额定转速额定风速 切出风速 四个状态点动态载荷识别模型的输入来源仿真结果 中的机组运行特性参数发电机转速发电机转矩变 桨角度及机组动力学特性参数机舱加速度机舱位 移 从表可以看出塔底载荷与机舱位移强相关与 风电机组运行的特性曲线变化趋势基本一致为进一 步分析预测模型的特性图 图给出不同状态点 下的塔底载荷时序的预测与仿真值对比 表风电机组运行及动力学参数 项点 风速 功率 转速 转矩 变桨角 机舱加速度 机舱位移 塔底 图给出风速从 到 下每个风速下塔 底载荷的预测值和 仿真值的对比曲线从预 测载荷和仿真载荷随风速变化的曲线可以看出预测 载荷与仿真载荷变化趋势基本一致预测略大于仿真 载荷总体偏差约为在额定风速附近偏差略大 偏差达到其主要原因是在额定风速附近风速的 波动会导致变桨控制和转矩控制之间的切换从而引 起载荷识别的误差处于图的点位置实际风电 机组具有柔性解耦控制而预测模型中尚未考虑此问 题但从工程应用的来说考虑安全系数的引入可 接受 图塔底 载荷与风速曲线 振 动 与 冲 击年第卷 从图可知切入风速状态下通过发电机转矩和 机舱振动加速度可准确对塔底载荷进行识别其 分钟的塔底载荷平均值偏差只有完全满足认证中 的载荷对比要求 从图可知额定转速状态下通过发电机转矩和 机舱振动加速度可准确对塔底载荷进行识别其 的平均值偏差达到其偏差相对增大原因 是额定转速点附近出现转速和转矩之间的切换情况 从图可知达到额定风速后通过变桨角和机 舱顶部加速度可对塔底载荷进行识别其 的平 均值偏差达到 其偏差相对增大原因是 时间内风速的波动会导到变桨控制和转矩控制之间的 切换从而引起载荷识别的误差实际风电机组具有 柔性解耦而预测模型中尚未考虑此问题 图塔底 载荷 图塔底 载荷 图塔底 载荷 图塔底 载荷 从图可知达到切出风速通过变桨角和机舱 顶部加速度可对塔底载荷进行识别其 的平均 值偏差达到完全满足认证中的载荷对比要求 综合图 可以看出载荷识别模型计算结果 与仿真结果基本吻合仿真试验验证了应用动力学理 论建立的载荷识别模型能满足工程应用 试验分析及验证 实验对象与实验流程的制定 为了进一步研究和验证仿真及载荷识别模型本 文按照 的标准要求在内蒙古库伦风 电场的测试样机上进行测试并同期开展了载荷识别 的试验证研究测试样机如图所示测试风场的空 气密度 年平均风速 测试机构为 国际认证公司 实验风电机组可测状态参数作为载荷识别输入 参数如下机组运行特性参数发电机转速发电机转 矩变桨角度及机组动力学特性参数机舱加速度 在实验系统的基础上在塔筒结构外壁的径向方向布 置压力传感器进行塔底载荷的测量 图样机 模态测试 风电机组塔架是圆筒结构其实验模态特性通过 机组的塔底载荷进行分析 处理所得的实测振 动与仿真频谱如图所示 第期巫发明等大型风电机组塔筒动态载荷识别研究与验证 从图中可以看出该塔筒的实测数据显示第一 阶振动频率 与仿真模型计算结果基本一致 动态载荷识别反问题涉及动态测试方法动力模型修 正计算反求方法等多个问题因此本文应用样机现 场测试对其模型参数进一步的验证 图测试和仿真载荷频谱 动态载荷识别结果验证 为了更方便地将动态载荷识别方法应用于工程实 际问题开发了动态载荷识别软件包同样选取三个 有代表的运行状态点进行动态载荷识别模型的验证 其对比结果如图 所示 图载荷对比切入风速 从图可知风电机组在切入风速阶段通过发 电机转矩和机舱振动加速度来对塔底载荷进行识别 预测的塔底载荷 的平均值略高于实测值 仿真载荷 的平均值略高于实测值 其仿真结果比较理想从工程应用来说具有 应用的实际意义 图载荷对比额定风速 从图可知风电机组运行在额定风速阶段通 过发电机转速变桨角和机舱振动加速度作为输入对 塔底载荷进行识别预测的塔底载荷 的平均值 略高于实测值 仿真载荷 的平均值略高 于实测值 从包容性来说塔底载荷识别模型具 备工程应用意义但预测值的波动较大其原因来自在 额定点附近实际运行风电机组在此处有变桨控制和 转矩控制柔性解耦而预测模型中尚未考虑此问题 如果想进一步提高预测的准确性可考虑从引入实际 风电机组的运行参数中的控制状态量 图载荷对比切出风速 从图可知风电机组运行在切出风速阶段通 过变桨角和机舱振动加速度作为输入对塔底载荷进行 识别预测的塔底载荷 的平均值略高于实测值 仿真载荷 的平均值略高于实测值 从包容性来说塔底载荷识别模型具备工程应 用意义但预测值仿真值都比测试值高其原因来自 在仿真模型和预测模型的建模中所考虑损耗效率更为 保守这样有利于工程可用性 综合图 三种状态总体情况来看预测和仿 真都能满足工程应用的要求但在额定风速附近仿真 结果与实测结果更为吻合如果计算硬件具备条件 首选仿真模型来进行预估如果要求是高效响应可采 用载荷识别模型进行预估预测载荷与实测载荷的总 体偏差应在以内 结论 本文主要对风电机组塔筒动态载荷识别方法进行 分析与研究并在风场进行机组实测及验证得出结论 如下 针对建立的风电机组动力学仿真模型研究塔 底载荷与风电机组发电机转矩变桨角机舱振动推 力系数的相关性 应用建立的风电机组塔底载荷识别模型进行 载荷预测并与仿真结果进行对比结果表明动态辨 识载荷与仿真结果吻合度较高其平均值偏差约 振 动 与 冲 击年第卷 动态载荷识别的计算反求技术应用于风电机组工程实 际具有可行性 通过样机测试进行验证测试结果表明动态辨 识载荷与实测结果平均值总体偏差应在以内具 有较高吻合度预测和仿真都能满足工程应用的要求 但在额定风速附近仿真结果与实测结果更为吻合 如果计算硬件具备条件首选仿真模型来进行预估如 果要求是高效响应可采用载荷识别模型进行预估 本文研究为风电机组高塔的研究开发和应用提供 了研究支撑也为机组的安全监控提供便捷的方法 另外也为载荷识别的应用与验证提供一个实例 参 考 文 献 王洪波赵长见廖选平基于飞行工作模态分析的飞行 器动载荷识别研究 动力学与控制学报 赵方伟铁路货车车体载荷谱测试及疲劳强度评价研究 北京北京交通大学 文祥荣智浩缪龙秀基于模态分析法的结构动载荷识 别研究 北京交通大学学报 杨智春贾有动载荷的识别方法 力学进展 廖明夫宋文萍王四季风力机设计理论与结构动力学 西安西北工业大学出版社 沈岗向东牟鹏等风电装备整体式动力学建模与仿 真分析 振动与冲击 杨锡运郭鹏岳俊红风力发电机组故障诊断技术 北京中国水利水电出版社 陈雪峰郭艳婕风电装备振动监测与诊断北京 科学出版社 程友良薛占璞王文阳主振动与内振动联合作用下大 型风电机组 塔架叶片耦合结构动力学分析 可再 生能源 毛玉明郭杏林赵岩基于灵敏度分析的结构动态载荷 识别研究 振动与冲击 缪炳荣基于多体动力学和有限元法的机车车体结构疲 劳仿真研究 成都西南交通大学 贺德馨风工程与工业空气动力学北京国防工业 出版社 李本立风力机结构动力学北京北京航空航天大 学出版社 傅志方振动模态分析与参数辨识 机械工业出版 社 刘杰动态载荷识别的计算反求技术研究 长沙湖 南大学 缪炳荣 动力学分析基础教程成都西南 交通大学出版社 杜静颜益峰黄伟等 级风力发电机整机气弹 控耦合联合仿真分析 大阳能学报