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m w 级风力发电机液压变桨系统的研究 摘要 本文以力学、几何学理论和各种分析软件为工具，对液压变桨机构从理 论到建模，从建模再到仿真进行了较为全面的深入研究。 由于研究的对象是上海电气的兆瓦级风力发电机液压变桨机构，该变桨 距系统机构比较复杂，所以先对该液压变桨机构进行了简化。 首先，保留原液压变桨机构中与运动有关零部件以及零部件间相互运 动、约束和相互位置关系，忽略与运动无关的虚约束、外形等因素的影响。 在简化的基础上，利用数学知识，对变桨机构进行了运动几何建模分析，然 后利用s o l i d w o r k s 软件建立机构的实体模型，再将其导入了a d a m s 中对 其进行运动仿真分析，得到变桨机构的运动规律。对仿真结果进行分析，得 到各主要构件参数与控制油缸性能及驱动力之间的关系，为在变桨过程中减 小桨叶受到的冲击和振动，降低对液压缸的性能要求提供了依据。 其次，以力学理论为基础，建立了变桨机构的载荷模型。由于该液压变 桨机构的主要载荷来自于桨叶的扭矩，文章首先对桨叶的负载进行了分析， 得到空气动力、离心力和重力等引起的桨叶负载模型。在此基础上对变桨机 构的负载模型进行研究，分析了重力、空气动力和摩擦力等引起的负载，并 计算得到变桨机构的离心力载荷方程。其结果表明，变桨载荷与叶片桨距角、 质量分布、风轮锥度以及转速等因素有关，其中叶片质量分布和风轮转速增 大会使变桨载荷增大明显。当桨距角在0 9 0 。变化过程中，离心力变桨载荷 按抛物线趋势减小。 利用a n s y s 软件将在s o l i d w o r k s 中建立的各个构件实体模型进行柔性 处理，生成模态中性文件，将该柔性体导入a d a m s 中替换原有的刚性体， 对其重新添加约束，施加载荷，就建立了变桨机构的刚柔混合体模型。通过 对该刚柔混合体模型进行分析，得到了变桨机构的变桨误差，以及包含变桨 机构各构件强度的文件。通过对误差进行定性和定量分析的基础上，提出了 控制误差的办法，即在变桨盘上增设位置传感器，利用传感器发出的信号控 制液压缸动作，对变桨误差进行补偿。此后，将载荷文件导入a n s y s 中对 变桨机构的关键构件利用有限元法进行强度了分析和校核，指出了各个关键 构件的应力集中位置。 最后采用有限元分析软件a n s y s 对变桨盘进行了模态分析，得到了变 桨盘的固有频率和振型，找到其在工作中容易发生共振的频率区域，为进一 步提高变桨精度和变桨平稳性，减小振动给变桨机构带来的影响，提供了理 论依据。 关键词：风力发电机组，变桨机构，实体建模，运动仿真，变桨精度，强度 分析 r e s e a r c ho nt h eh y d r a u l i cv a i u a b l e p r o p e l l e rp i t c hs y s t e mo fm w g r a d ew i n dt u r b i n e a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , m e c h a n i c st h e o r y ，g e o m e t r yt h e o r y , a n dav a r i e t yo f a n a l y s i s s o f t w a r e ，w e r eu s e dt op r o d u c em o d e l sa n ds i m u l a t i o n st h a tw o u l da n a l y z et h e h y d r a u l i cp i t c h sd e s i g n t h e p a p e rs t u d i e ds h a n g h a ie l e c t r i c sm w w i n dt u r b i n e sh y d r a u l i cp i t c h o r g a n i z a t i o n s i n c et h ep i t c hs y s t e mh a sac o m p l e xs t r u c t u r e ，f i r s ts t e pw a st o s i m p l i f yt h es t r u c t u r eo ft h eh y d r a u l i cp i t c ho r g a n i z a t i o n f i r s t l y , t h em o v e m e n t ，c o n s t r a i n t sa n dr e l a t i v ep o s i t i o nb e t w e e nt h ep a r t so f g e n e r a t o r sv a r i a b l ep r o p e l l e rp i t c hm e c h a n i s mh a dt ob em a i n t a i n e dw h i l e r e d u n d a n tc o n s t r a i n t s ，s h a p e sa n do t h e rf a c t o r sw e r er e m o v e d t h ep i t c h o r g a n i z a t i o n ss i m p l i f i e dg e o m e t r i cm o d e lw a sm o d e l e dw i t hm a t h e m a t i c a l k n o w l e d g e n l e n t h es o l i dm o d e lo ft h ep i t c ho r g a n i z a t i o nw a sb u i l t i n s o l i d w 0 r k s t h ep i t c ho r g a n i z a t i o n sl a w sw e r ea d d e df o rt h ek i n e m a t i c s a n a l y s i su s i n ga d a m s b ya n a l y z i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ep a r a m e t e r so ft h em a i nc o m p o n e n t s ，p e r f o r m a n c eo ft h ec o n 仃o l c y l i n d e r ，a n dt h ed r i v i n gf o r c ew e r eo b t a i n e d i tp r o v i d e dab a s i sf o rr e d u c i n gt h e i m p a c ta n dv i b r a t i o no ft h eb l a d ea n df o rd e t e r m i n i n gt h er e q u i r e dp e r f o r m a n c e o fh y d r a u l i cc y l i n d e ri nt h ep i t c h s e c o n d l y , t h el o a dm o d e lo fp i t c ho r g a n i z a t i o nw a sd e s i g n e du s i n g m e c h a n i c a lk n o w l e d g e i nt h i sa r t i c l e t h el o a do nt h eb l a d ef r o mt h eb l a d e s c e n t r i f u g a lf o r c ew a sa n a l y z e d t h ep i t c hl o a de q u a t i o no ft h eb l a d e s c e n t r i f u g a l f o r c ew a st h e ne s t a b l i s h e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep i t c hl o a di sa f f e c t e db y p i t c ha n g l e ，t h em a s sd i s t r i b u t i o no fb l a d e ，t h et a p e ra n dt h es p e e do ft h ew i n d w h e e l t h ep i t c hl o a do ft h ep i t c ho r g a n i z a t i o nw i l li n c r e a s es i g n i f i c a n t l yw h e n t h em a s sd i s t r i b u t i o no ft h eb l a d ea n dt h ew i n dw h e e ls p e e di n c r e a s e t h e c e n t r i f u g a ll o a d o ft h ep i t c hi sd e c r e a s e di nap a r a b o l i cm a n n e r , a st h ep i t c ha n g l e c h a n g e df r o m 0 。t o9 0 。， m a f t e rt h es o l i d w o r k sm o d e lw a si n p u t t e di n t ot h ea n s y ss o f t w a r e t h ef i l e o fm o d ew a sc r e a t e d t h e nt h eo r i g i n a lr i g i db o d vi na d a m sw a sr e p l a c e dw i 吐1 t h ef l e x i b l eb o “am i x e dr i g i da n df l e x i b l eb o d ym o d e lw a se s t a b l i s h e d ，a f t e r a d d i n gt h en e wc o n s t r a i n sa n da p p l i e dl o a d t h i sm o d e lw a sa n a l y z e dt og e tt h e p i t c he r r o ro ft h ep i t c ho r g a n i z a t i o n ，a n dad o c u m e n t st h a td e s c r i b et h ep i t c h d y n a m i cs t r e n g t ho ft h ek e yp a r to fp i t c ho r g a n i z a t i o n m o n i t o r i n gs e n s o r sw e r e u s e dt oq u a l i t a t i v e l ya n dq u a n t i t a t i v e l ya n a l y z ee r r o r sa sam e t h o do fe r r o r c o n t r 0 1 t h es e n s o r sw e r ef i x e do nt h eb l a d ep l a t ea n du s e dt oc o n t r o lt h e h y d r a u l i cc y l i n d e rm o t i o na n dc o m p e n s a t ef o rt h em o v i n ge r r o r t h e n ，t h ef i l e w a si m p o r t e dt oa n s y s w h i c hc o n t a i n e dd y n a m i cl o a di n f o r m a t i o na b o u tp i t c h o r g a n i z a t i o n sk e yp a r t 1 1 1 ed y n a m i cs t r e n g t ho ft h ek e yp a r tt h e na n a l y z e dt o f i n dt h el o c a t i o n so fh i g hs t r e s sc o n c e n t r a t i o n l a s t l y ，a n s y sw a su s e dt op e r f o r mm o d a la n a l y s i so nt h eb l a d ep l a t et o o b t a i nt h en a t u r a lf r e q u e n c i e sa n dm o d es h a p e so ft h ep l a t e t h er e g i o n so ft h e p l a t ep r o n et or e s o n a n c ew a sf o u n d t h i ss e r v e da sat h e o r e t i c a lb a s i st oi m p r o v e a c c u r a c ya n dt or e d u c et h ev i b r a t i o no ft h ep i t c ho r g a n i z a t i o n k e yw o r d s ：w i n dt u r b i n eg e n e r a t o r s ，p i t c hm e c h a n i s m ，m o d e l ，m o t i o n s i m u l a t i o n ，a c c u r a c yo fp i t c h ，s t r e n g t ha n a l y s i s i v m w 级风力发电机液压变桨系统的研究 1 绪论 1 1 课题的前景及意义 风能被人4 1 j n 用经历了一个曲折的过程。在蒸汽机出现以前，风力机械就已经是动 力机械的一大支柱，其后随着煤、石油、天然气的大规模开采和廉价风力的获得，各种 曾经被广泛使用的风力机械，由于成本高、效率低、使用不方便等原因，无法与蒸汽机、 内燃机和电动机等相竞争，逐渐被淘汰。到了1 9 世纪末，风力开始用于发电，这在解决 农村电气化方面显示了重要的作用，特别是在2 0 世纪7 0 年代以后利用风力发电更进入一 个蓬勃发展的阶段。 根据2 0 0 1 年联合国公布的报告，世界上已探明的石油资源只够使用4 4 年，天然气6 2 年，煤炭2 3 0 年，再加上石油煤炭等能源带来的空气污染等环境问题也日趋严重，开发可 再生能源已成为当务之急。另外，由于日本地震引发的日本核电站安全事故，使得之前 被人们认为是未来能源支柱的核能受到了质疑，世界各国纷纷调整能源战略，以减小核 能在未来能源体系中的比重。与此相对应的是，据科学家推算，世界风能总量为2 x 1 0 1 3 w ， 大约是世界总能耗的3 倍。如果风能的1 被利用，则可以减少世界3 的能源消耗，风能 用于发电，可产生世界总电量的8 一9 。因此，太阳能和风力发电作为安全、可再生 的清洁能源受到越来越多的重视。 随着桨叶空气动力学、材料、发电机技术、计算机和控制技术的发展，风力发电技 术的发展也极为迅速，单机容量从最初的数十千瓦级发展到最近几年进入市场的兆瓦级 机组；功率控制方式从定桨距失速控制向全桨叶变距和变速控制发展；运行可靠性从2 0 世纪8 0 年代初的5 0 ，提高至1 j 9 8 以上，并且在风电场运行的风力发电机组全部可以实 现集中控制和远程控制。风电场发展空间更加广阔，从内陆移到海上。 至i j 2 0 0 2 年底，世界总的风力发电设备有6 1 0 0 台，总装机容量为3 2 0 0 万k w 。风力发 电技术在不断成熟，单机容量由5 0 0 7 5 0 k w 量级增大至u 1 0 0 0 2 0 0 0 k w 量级。在2 0 0 2 2 0 0 7 年的5 年中，风力发电设备的总需求量为5 1 0 0 万k w ，年均增长1 1 2 。2 0 0 2 年底，世 界风电总装机为3 2 0 0 万k w ，欧洲占7 5 ，美国占1 5 ，其余国占1 0 。至i j 2 0 0 7 年底，全 世界风力发电总装机将达n 8 3 0 0 万k w ，其中5 8 0 0 万k w 装在欧洲，占总装机的7 0 。2 0 0 9 年后，年增长率还在加速，至u 2 0 1 2 年，其年增加装机容量可望达至1 j 2 4 0 0 万k w ，总的风力 发电能力将达到1 7 7 亿k w ，占世界总电力市场的2 。预计至1 j 2 0 2 0 年，风力发电能力占世 界总电力将达到1 2 。 世界上风力发电机组制造厂商很多，排名前三位的公司分别是v e s t a s 公司、e n e r e o n 公司和n e gm i c o n 公司。他们占据的市场份额超过了世界市场的5 0 。其中v e s t a s 公 司还兼并了n e gm i e o n 公司，使其占据的市场份额接近了世界市场的4 0 。v e s t a s 公司 陕西科技大学硕士学位论文 ( v e s t a sw 证ds y s t e m a s ) 是一家集团跨国公司，产品的单机容量达到2 m w ，即将推出 3 m w 产品。e n e r c o n 公司( e n e r e o ng m b i - i ) 是德国最大的风电机组制造厂商。自行研制了 无齿轮箱变桨距变转速风电机组，采用多极低速电机，产品的单机容量达到1 8 m w 。 我国风力发电在2 0 世纪8 0 年代开始发展。初期大多是独立离网运行的百瓦级风电机 组，安装在边远、孤立无电地区供农牧民使用。近年来，大型并网型的风力发电机组引 人我国，接入地区电网供电。中国陆地风能资源的理论开发值为3 2 2 6 g w ，近海风能是 陆地的3 倍，5 0 m 高区域风能是1 0 m 高区域的2 倍，风能资源 十分丰富。然而，与世界发达国家相比，中国的风能发电事 业却相当落后。风电产业发展前景广阔：至u 2 0 1 6 年，全球风 电装机容量保守估计有望达到3 6 0 g w ，是2 0 0 7 年( 9 4o v v 3 的4 倍，至l j 2 0 1 0 年将达至l j 4 0 0 万k w ，n 2 0 2 0 年将达銎j 2 0 0 0 万k w ， 届时在全国电力能源结构中的比例将占到2 。 基于上面的原因，我们知道了风力发电在国民经济和国 家可持续发展战略中的重要意义，所以需要加强对风力发电 方面的相关研究。 从风电技术发展方面来看，随着计算机技术和现代控制 技术应用到风电领域，并网运行的风力发电控制技术得到了 较快的发展。风电控制技术从单一的定桨失速控制模式向变 桨距和变速恒频控制模式方向发展。变桨距和变速恒频控制， 结合智能控制器和工业监控技术是国际风电控制技术的主流 发展方向。 变桨距风轮发电机组与定桨距风力发电机组相比，具有 在额定功率点以上输出功率平稳的特点。当功率在额定功率 以下时，通过变桨控制器将叶片的桨距角置于0 度附近，不作 任何变化，可以认为等于定桨距风轮发电机组，此时，发电 机的功率根据叶片的气动性能随风速的变化而变化；当发电 机功率超过额定功率时，变桨机构开始工作，调整叶片桨距 角，将发电机的功率稳定在额定功率附近。而从空气动力学 的角度考虑，当风速不稳定时，只有调节桨叶节距，改变气 流对叶片的攻角，从而改变风力发电机组获得的空气的动力 转矩，使功率输出保持稳定。同时，风力机在起动过程中也 需要通过变距来获得足够的起动转矩，所以，对桨叶进行变 桨操作是十分的必要了。本课题就是对液压变桨距系统中的 2 图1 - 1 风力发电机模型 f i g u r e1 - 1m o d e lo f w i n d t u r b i n e 番 m w 级风力发电机液压变桨系统的研究 重要组成部分一变桨机构进行研究分析的。 1 2 变桨系统的研究现状 风力发电机是将风能转化为机械能，再将机械能转化为电能的一种装置。按风力机 主轴与地面相对位置，可以将风力机分为水平轴和垂直轴风力机n 3 ( 具体其它的分类方 式请参照文献 1 ) 。由于较垂直轴风力机，水平轴风力机能获得更大的风能利用系数等 性能优势，目前用于并网运行的中大型风力机多采用水平轴。同样水平轴风力发电机也 是国内外学者研究最多的机型。本文研究的风力发电机为m w 级水平轴、上风向、三叶片 的双馈异步风力发电机组。其风力发电机组传动系统主要包括：风叶( 桨叶) 和轮毂( 风 轮) 、主轴、齿轮箱、联牟出器、发电机转子。 目前，国内外常见的变桨机构有两种类型：一种是液压变桨，一种变是电变桨口3 。 液压变桨是液压缸驱动连杆机构，推动叶片轴承，实现变桨；电变桨是电机经减速机构 驱动叶片轴承，实现变桨。 1 2 1 液压变桨距系统 液压驱动变桨距系统是以液压缸为动力源，通过液压缸推动变桨机构其他零件 带动桨叶旋转，以实现变桨操作的。液压驱动变距系统目前也有两种结构可以采用d 1 ： ( 1 ) 一种结构是液压站为动力源的结构，通过一套曲柄滑块机构同步推动三片桨叶 旋转。这种结构电气布线方便，降低了轮毂制造困难，维护比较容易，但是这种结构要 求传动机构的强度和刚度比较高，在刹车制动和准确变桨上不易控制，对桨叶和并网冲 击较大，并且需要比较大的液压缸推力。 ( 2 ) 一种是通过轮毂内三个液压缸和三套曲柄滑块机构分别驱动三片桨叶，这种方 案变距力很大，在准确变桨和减少桨叶振动方面都优于其他变桨机构，并且易于并网， 对并网冲击较小。因为是多液压缸共同协作，所以对单个液压缸的压力要求不是太高， 故可以减小对液压缸的成本投入，并可以达到缓解机舱轮毂布局密度。但是由于统一变 桨，所以存在三个液压缸同步控制难、电气布线困难、轮毂制造难度大、维护不便等问 题。 液压变桨系统因结构紧凑，调速范围广，空间布置灵活，便于伺服控制等优点在风 电机中的应用逐渐增多。但风电机工作在室外自然环境中，因温差大、沙尘多，对液压 系统的密封性能要求很高，同时，液压系统置于塔顶机舱内，受机舱振动的影响严重。 因此，为保证系统在外界振动干扰，介质、元件间隙等参数较大范围变化时仍保持良好 的性能，必须对大功率风电机液压系统进行全新设计和动态特性分析研究。 。文献 4 设计的液压变桨距机构采用曲柄连杆机构，液压缸的活塞杆通过中间连杆和 风力机叶片连接，以实现将液压缸活塞杆直线运动转化为桨叶的转动，并使液压缸直线 3 陕西科技大学硕士学位论文 位移的变化与桨叶节距角变化成正比。此文献应用p r o e 建立机构的三维实体模型，结 合a d a m s v ie w 虚拟样机技术的运动学仿真对机构模型进行了运动分析，得到了机构各个 构件的角速度、位移和角加速度等运动学参数和桨叶的变桨范围，分析了机构动作的可 靠性。 文献 5 以国产化l m w 风力发电机组为研究对象，首先利用运用空气动力学中的叶素 理论对叶片受到的力矩进行了分析，在此基础上又对变桨距机构进行了设计，并用m a t l a b 软件进行了优化分析计算。本文为今后风力发电机部件的选用及对机构的进一步分析计 算提供参数，为风机的设计提供一定的参考数据。 j i2 争卜 1 图1 - 2 液压变桨距机构原理图 限位置 f i g u r e1 - 2 s c h e m a t i co f h y d r a u l i cp i t c ho r g a n i z a t i o n 文献 6 对影响m w 级风力机中液压变桨距机构执行精度的原因进行了分析。本文对 其建立数学模型，并仿真运算，运用a n s y s 有限元分析软件油缸中液压油的变形情况进行 了分析。本文通过对变桨机构的负载模型、液压缸负载模型和液压油受载变形情况进行 分析，得到了影响液压变桨系统变桨精度的因素。 吴永忠【7 】、k a t h r y n t s 】针对当前同步变桨距式风力机的变桨特点，总结同步变桨距式风 力机缺点，提出要使叶片始终处于最佳升阻比状态必须实现风力机的异步变桨这一观点， 并通过对风力机组工作状态的理论分析，得出实现这一目标变桨系统所应达到的要求。 周欣荣【9 】等设计出螺旋桨变距系统的执行机构，该设计保证了机构的运行不发生干 涉和定的变桨速度、变桨范围，基本实现了变桨的功能需要。吴永忠【0 】等则着重研究 了采用风轮正面风压作为变桨距的控制信号，实现最大的功率跟踪变桨距，并设计制造 4 m w 级风力发电机液压变桨系统的研究 了风压式全程变桨距风能转换装置。汪涌泉【，】等具体分析调距桨推进装置的工作特性和 特点，并将其与定距桨进行分析和对比。 崔冉n 幻等在国内外研究基础上分析了电动变桨距系统的结构，从机械和伺服驱动两 部分分别研究了风力发电机的电动变桨距系统，设计了以三相永磁同步电机为伺服电机 的电动变桨距系统。 1 2 2 电动变桨距系统 电动变桨距系统3 个桨叶分别带有独立的电动变桨距，包括回转支承、减速装置、伺 服电动机及驱动器等。减速装置固定在轮毂内，回转支承的内环安装在叶片上，叶片轴承 的外环则固定在轮毂上。当电驱动变桨距系统上电后，伺服电动机带动减速装置的输出 轴小齿轮旋转，而小齿轮又与回转支承的内环相啮合，从而带动回转支承的内环与叶片 一起旋转，实现了改变桨距角的目的，从而完成了完整的定位和同步控制。每个桨叶采 用一个带位置反馈的伺服电动机进行单独调节。 电动变桨可以实现独立桨叶控制，也可以实现三个桨叶同步控制，此种结构需要的 变距力大，电气布线困难，并且如果实现三个电机的同步运行，同样增加了控制上的难 度。由于电动机、减速器、齿轮等部件均在轮毂内，增加了风轮重量和轮毂制造的难度， 而且维护也不方便。 图卜3 电动变桨距系统的布置图 f i g u r e 卜3l a y o u to fb l a d ep i t c hs y s t e m 文献 1 4 在国内外研究基础上分析了电动变桨距系统的结构，从机械和伺服驱动两 部分分别研究了风力发电机组的电动变桨距系统，设计出了以三相永磁同步电机为伺服 电机的电动变桨距系统。本文对电动变桨距的结构和特点进行了介绍，可以作为工程设 计的初步参考，在具体的伺服控制部分的研究工作需要进一步深入。 1 2 3 变桨距控制系统 文献e 1 5 在风力机空气动力学特性分析的基础上，讨论了变速恒频风力机组变桨距 机构在低于额定风速阶段和高于额定风速阶段的不同控制策略。将模型与控制方法相结 陕西科技大学硕士学位论文 合的数字仿真表明，控制曲线与预期要求一致。具体设计了变桨距机构液压控制方案和 电机控制方案，并提出了高油压冗余式电液比例变桨距机构的设计思路。本文由风力机 空气动力特性出发，提出了变速恒频风力机在低于额定风速和高于额定风速阶段的变桨 距控制策略，即在低于额定风速时，利用变速恒频技术对发电机转子转速进行控制，使 风能利用系数为最大值，充分地利用风能；当高于额定风速时，利用变桨距机构对桨叶 的节距角进行控制，使输出功率稳定在额定功率附近。进行了相应的仿真研究。 文献【1 6 】在介绍了风力发电机电动变桨距系统的基础上，以实现桨距角变化的精确 控制为目的，对电动变桨距系统进行设计，并提出了变桨距系统控制器的设计方法。为 了实现精确控制，在对变桨距系统建立仿真模型时重点考虑了传动系统的误差对桨距角 控制的影响。针对风力发电系统的非线性、时变、强耦合的特点，将模糊控制引入到变 桨距控制中，在高于额定风速的情况下，根据主控制器由风速变化计算出的桨距角变化 量调节桨叶的位置。最后利用s i m u l i n k 构建整个控制系统模型，对变桨距系统进行仿真。 文献【1 7 卜文献 2 1 】等文献侧重分析了变桨恒频风力发电机组在额定风速以上的恒 功率控制，采用不同的控制策略和方法实现最大风能的捕获，提高发电机功率的输出， 并且研究了风能捕获时对叶片的影响，应用一系列的控制方法来减少对风叶以及并网的 冲击影响。 文献 2 3 卜文献 2 7 】等文献则对变速风力发电机的技术进行了深入的探讨，并且对发 电机的总体性能进行了研究和对比，提出了在总体设计中应该注意的一些问题，并对此 给出了建议。 文献【2 8 卜文献 3 3 】等文献对变速恒频风力发电机变桨距系统的传动装置进行了研 究，主要侧重在电液传动方面问题的探讨，采用不同的电液控制系统，实现多功能液压 任务，并且对变桨传动结构进行了动力学分析，提出了多种优化方法和改进措施。 1 3 变桨距控制系统的研究的价值 风力发电机的作用是将风能转化为电能，设定p 为风机吸收风能产生的输出功率， 则有： p = p x c e r 2 y 3 2 ( 1 1 ) 公式中为c ，风能利用系数；p 为空气密度；r 为风轮半径；y 为风轮正面的风速。 对于变桨距风力发电机，风能利用系数c ，与叶片桨距角和尖速比五有非线性的关系： c p - - ( 0 4 4 - 0 0 1 6 7 f 1 ) s i n 端】- 0 0 0 1 8 4 ( 肛3 ) ( 1 - 2 ) 上式为风能利用系数的近似计算公式，其中五= 缈r v = 2 z t r n v ，n 为风轮转速。 从上面的公式可以看出，风能利用系数可以通过改变桨距角来达到最大。所以，为 6 m w 级风力发电机液压变桨系统的研究 了使风力发电机组在不同的风速中，都能得到理想的风能利用效率( 见表1 1 ) ，就要通过 变桨机构变桨来改变桨距角和风轮转速。当风速过大时，要求风机停机进行保护时，也 需要变桨机构进行变桨。所以对变桨机构进行研究是十分必要的。 袁1 - 1 输入功率与转速、风速的关系 t a b l - 1t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nw i n ds p e e da n di n p u tp o w e r 根据前期收集的风力发电液压变桨机构方面相关的资料来看，目前国内外对于液压 变桨机构的研究还很少，相应的研究主要是对机构进行了一下简单动态仿真和驱动力的 简单计算等。所以对于风力发电机组中的液压变桨机构，还需要更深入的研究与分析。 该课题的研究是根据上海市重大技术装备研制专项( 2 0 0 7 年度) “兆瓦级风力发电机 组系统仿真及相关技术研究 为基础的，本课题“m w 级风力发电机液压变桨系统的研 究 是该项研究中的一个分支。 1 4 研究内容 本课题以液压变桨距系统的机构作为研究对象，主要有以下几方面的研究内容： ( 1 ) 对变桨机构进行简化，用三维设计软件对液压变桨距系统机构进行实体建模。 7 陕西科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 对变桨距机构进行运动学仿真研究，确定了变桨机构的运动规律。 ( 3 ) 对变桨距系统的受力进行了分析，建立了变桨机构载荷与锥角、桨距角叶素质 心等参数的关系式，并利用该关系式对m w 级风力发电机的变桨载荷进行了分析。 ( 4 ) 通过s o l i d w o r k s 、a d a m s 和a n s y s 联合仿真，建立了变桨机构的刚柔混合体， 并利用其对变桨机构进行了精度分析，然后对变桨机构各主要构件的强度进行了分析校 核。 ( 5 ) 利用有限元分析软件a n s y s 对变桨机构的变桨盘进行了模态分析。 1 5 章节安排 第一章，绪论，介绍风力发电机变桨机构变桨机构研究的背景知识，变桨机构在风 机中所起的作用和课题研究的意义。对现有文献进行了分析归纳，指出了该方向还存在 的问题，为本文的研究打下了基础。 第二章，兆瓦级风力发电机组变桨机构建模和运动分析，介绍了变桨机构的工作原 理，并对其进行了简化建模，分析了变桨机构的运动规律。 弟三章，变桨机构的载荷分析，利用力学知识对变桨机构的负载进行了分析，建立 桨叶和变桨机构的力学模型。 第四章，变桨机构的精度分析，通过对变桨机构构件的柔性化仿真，得到了变桨机 构的变桨误差，并指出了误差问题的解决办法。 第五章，变桨机构关键零件的强度和可靠性分析，通过对零件进行建模和仿真，校 核了变桨机构主要零件的强度，并指出了各个零件的危险截面位置。 第六章，变桨机构变桨盘的模态分析，对变桨盘进行模态分析，得到了变桨盘的固 定频率和振型，并仿真几个进行了分析，找到了工作中容易发生共振的频率区域。 第七章，全文总结与展望。 m w 级风力发电机液压变桨系统的研究 2 兆瓦级风力发电机组变桨机构建模和运动分析 2 1 引言 能源是国民经济发展的命脉，是人类赖以生存的基础。世界经济的现代化，得益于 化石能源：石油、天然气、煤炭的广泛应用。然而，由于这一经济的资源载体将在2 1 世纪上半叶迅速地接近枯竭，所以世界各国都在寻找新能源来代替煤和石油刚。风能发 电就是在这样的背景下为人们所重视，它也以环境效益好，不排放任何有害气体和废弃 物等优点迎来了快速发展期【3 5 】。 为使风机组叶片在随机变化、不稳定的风速中运行时保持稳定的气动性能，并防止 超大功率和出现”飞车”事故，就要对叶片的功率进行控制。由于控制方式不同，也就出 现了目前常用的变桨距及定桨距两种机型。首先，从空气动力学的角度考虑，当风速过 高时，通过调整桨叶桨距角，改变气流对叶片攻角，从而改变风力发电机组获得的空气 动力转矩，才能使功率输出保持稳定。其次，风力机在起动过程也需要通过变桨距来获 得足够的起动转矩。最后，由于近年来风力机装机容量出现了大型化的发展趋势，而变 桨距风力机以其能最大限度地捕获风能、输出功率平稳等优点，日益成为风力机的主流 产品。我国目前在这一领域的研究还处于起步阶段，与国际先进水平还有不小差距【3 6 3 7 】。 控制液压缸一 活塞杆 图2 - 1 变桨机构原理图 f i g u r e2 - 1s c h e m a t i co f b l a d ep i t c hs y s t e m 目前投入使用的风力机组变桨距机构主要有2 种方案：液压控制方案和电机控制方 案。液压控制以其响应频率快、扭距大、与制动系统同一油源等优点在变桨距控制中占 很大的地位【3 l 】。液压变桨机构的工作原理如图2 1 所示，控制油缸进行变桨时，安全油 缸不动作，控制油缸沿直线移动带动连杆，连杆再带动摇杆摆动来实现变桨。安全油缸 9 陕西科技大学硕士学位论文 进行变桨时，控制油缸不动作，安全油缸杆沿直线移动直接带动桨叶进行变桨。 2 2 变桨机构的建模 兆瓦级风力发电机组采用液压变桨机构，控制油缸推动变桨调节架，变桨架带动结 构相同、相位差为1 2 0 。的三个连杆机构同步运动来对桨叶进行变桨。由于三个连杆机 构的动作过程是基本相同，仅对其中一个机构进行简化建模和运动仿真研究，就可以得 到其它两个机构的运动过程。 图2 - 2 变桨机构在风机中的位置 f i g u r e2 - 2p i t c ho r g a n i z a t i o n 。sp o s i t i o ni nt h ew i n dg e n e r a t o r 图2 3 变桨机构s o l i d w o r k s 建模 f i g u r e2 - 3m o d e l i n go f p i t c ho r g a n i z a t i o n 1 0 m w 级风力发电机液压变桨系统的研究 2 3 变桨机构的几何建模分析 2 3 1 控制油缸驱动变桨时机构的运动分析 变桨机构也可简化成图2 4 所示，刚性杆o d c 为变桨调节架，o a 为连杆，摇杆和 变桨盘此时有相同的运动规律，所以抽象为图2 _ 4 中的杆a b 。图中杆o d c 为动力源， 沿e f 以速度v 平移，此时杆a b 的运动规律即为变桨盘的运动规律。 图2 - 4 变桨机构简图 f i g u r e2 - 4d i a g r a mo fp i t c ho r g a n i z a t i o n 图2 - 5 变桨机构的三项视图 f i g u r e2 - 5t h r e e v i e w sd i a g r a mo fp i t c ho r g a n i z a t i o n 陕西科技大学硕士学位论文 用投影几何法分析该机构，作出的该机构的三向视图( 如图2 - 5 所示) 。 分别用矢量r l 、1 2 和r 3 代替o d c 、o a $ - f l a b ，得到各矢量分量为： ，i = d c j + o d k 眨= o a e o s q k l i + o a s i n 咖1 k 吩= 么b c o s 唬f + 么b s i n 欢七 按机构的约束和初始条件，速度和角速度可写作 k = 一v 7 m s 哆= 吃善f + 哆y + 哆：k 鸭2 鸭y ， 通过下面的速度差方程， 屹= + 把点a 的速度和点c 联系起来。其中 v o = k = 一班) 所s 粗磊 圪嘲2 乩三s 唬 7 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) = 壶( 哆y 洲s i i l 办了一伽c 嘲乏) ( 2 - 9 ) = 老( 哆y a b s i l l 唬7 一叫胁s 唬云) ( 2 1 0 ) 将( 2 - 8 ) ，( 2 - 9 ) ，( 2 - 1 0 ) 代入运反差万栏( 2 - 7 ) 得 去( 鸭y 彳b s i l l 硝一鸭y 彳召c 。s 唬乏) = 一万+ 瓦1 ( 哆y o a s i l l 布一吐y o 曙c 。s 办j ) 将了，了，乏各分量分别相加，得到两个方程 瓦1 鸭y 彳召s i i l 欢= 一矿+ 瓦1 呸y o a s i i l 磊 鸭) ，a b e o s 欢= 哆y o a e o s 矽i 由( 2 1 3 ) 式有 驴磬 将其代入( 2 1 2 ) 中得 1 2 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 魂 噬 嵫 唬 f|七o出_t七dg一七。讹七。蛳 i，o ijo m w 级风力发电机液压变桨系统的研究 - _ _ - _ - - _ _ - _ i i _ _ i _ _ - _ - _ _ - i _ - _ _ _ - _ l - _ _ _ _ l _ _ _ _ - _ i i _ _ 一一i o a c 0 2 yc o s 磊t a i l 唬= 一1 2 v + 国2 y o as i n 1 即哆y 2 面面- 面1 2 v - 丽 所以杆o a 的角速度为 一】2 y一 呸2 面丽不面厕- s i n 萌, ，涨。铡( c o s 孬t a n 唬) 一。 同样的方法可得a b 杆的角速度 一】2 矿 哆2 石面再- - c o s 瓦2 丽涨 3 4 b ( s i n 欢t a n 办) j 1 。 加速度分析 计算加速度分量： 以= 鸭( 鸭巧) = 西1 心= 色吩= 去 f j 。 k 0 鸭y 0 哆_ y a b s i n # 20 一哆y a b c o s 痧2 f j k 0 a s y 0 a b c o s 2 0 a b s i n 2 毛= 锡( 哆乞) = 西1 毛= 吒恐= 壶 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) = 西- 1 ( 一畸么b c o s 巧+ 磅么j 6 f s i n 唬乏) ( 2 1 9 ) = 击似地y s i l l 唬7 + 彳鼬s 唬口3 y 乏) ( 2 - 2 0 ) i k 0 呸y 0 o a ys i i l 唬0 一o a c 0 2 yc o s 0 1 f j 。 k 0 a 2 y 0 o a c o s 噍0o a s i n q k l 将这四个方程代入加速度差方程 能+ 如= 如+ 如 = 若( 磅伽c 0 s 办了+ 嚷伽s h l 旃乏) ( 2 2 1 ) = l ( o a a ys i n 磊7 一o a c 。s 办口2 y 乏) ( 2 2 2 ) 得( 吗y a b s i n 庐2 一磅彳b 6 0 s 唬万一( 码y a b c o s 2 + 畦彳b s i l l 欢) 乏 ( 2 2 3 ) = ( o a s i n l 一畦伽c 0 s 磊万一( 口2 y o a c o s c a + 畦伽s i l l 磊) 乏 ( 2 2 4 ) 从而可以算出o a ，a b 杆的角加速度分别为： 1 3 陕西科技大学硕士学位论文 a ：堕竺竺堕二堕竺! ! ! 垒竺垒堕竺查垒二兰竺堕塑垒塑垒了眦f s z(25)22t7l r a o l = 二二j 二j 二一7 sz - ， 一 o a s i n o a t a n 矽2c o s 缟 ：堕竺型堕二堕竺竺垒堕竺竺! 垒! 竺! 垒二墨皇亟! ! 呈堕塑垒了m s 2 ( 2 - 2 6 r a i l ) ，i = 二二二二一，s， a 召c o s 欢( s i l l 魂一s i l l 唬) 。 2 3 2 安全油缸驱动变桨时机构的