变桨系统对风力发电机组动态特性影响研究

摘要

风力发电是目前基本实现商业化且最具发展潜力的可再生能源技术，主流商业风力发电机均采用变速变桨方案，变桨系统作为关键子系统，肩负着载荷控制、功率调节和制动等重要职责，对风机安全运行至关重要！研究变桨系统性能参数、叶片卡死故障及故障后机组紧急停机风电机组动态特性，对优化风机停机和运维策略，提高风机可靠性和降低成本具有重要意义。论文主要研究内容如下：　　①针对5 MW近海单桩双馈风电机组，基于SIMPACK商业软件，应用风电机组气-弹-控系统耦合的动力学仿真方法，给出了柔性叶片和塔筒、主齿轮箱、控制系统和变桨系统建模参数与方法，建立了风电机组气-弹-控系统耦合的动力学模型，为分析变桨系统对整机动态特性影响提供模型支撑。　　②依托建立的风电机组气-弹-控系统耦合动力学模型，研究了变桨系统响应速度对风机动态特性影响。研究结果表明：当风速出现较大突变时（例如阵风），变桨系统响应速度越慢，发电机调整功率和转速所需时间越长，第一级行星轮系均载性能越差，响应速度过快易使塔筒底部绕Y轴出现反向弯矩。　　③研究单个叶片出现稳态偏差（正负2度范围）时风电机组动态特性，发现主轴轴承和塔筒底部弯矩标准差是正常运行时的数倍，并随稳态偏差绝对值增大而增大。稳态偏差越大（负到正），第一级行星轮动态啮合力沿齿宽分布不均现象越严重，且下风向端载荷偏大。　　④通过研究单个叶片卡死情况，发现第一级行星轮系均载性能变差，动态啮合力沿齿宽分布不均现象加重，塔筒绕X、Z轴和主轴轴承绕Y、Z轴弯矩标准差是正常运行时的数倍甚至十几倍。随着平均风速增大，塔筒和主轴轴承各弯矩在卡死与正常运行时标准差之比先增大后减小。　　⑤变桨系统卡死后机组紧急停机，主轴轴承会受到巨大的冲击载荷，塔筒底部绕Y轴弯矩、机舱X方向（前-后）位移、机舱Y方向（左-右）位移幅值均比正常停机时大，且呈振荡衰减趋势，主要频率成分是风机前后一阶摆振固有频率（0.24 Hz）。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文主要研究内容

2 风力发电机组运行原理

2.1 引言

2.2 风力发电机构成与传动原理

2.3.1 正常发电控制策略

2.3.2 停机控制策略

2.4 风力发电机组外部激励

2.4.1 叶片气动载荷

2.4.2 桩基水动力载荷

2.5 本章小结

3 风力发电机组系统动力学建模

3.1 引言

3.2.1 坐标系定义

3.2.2 风力发电机组拓扑结构图

3.3.1 刚柔耦合多体动力学基本理论

3.3.2 系统动力学仿真流程

3.3.3 柔性体建模

3.3.4 齿轮箱建模

3.3.5 控制与变桨系统建模

3.4 本章小结

4 变桨系统响应速度与精度对风机动态特性影响

4.1 引言

4.2.1 仿真风况

4.2.2 结果分析

4.3.1 仿真风况

4.3.2 结果分析

4.4 本章小结

5 变桨系统故障时风力发电机组动态特性

5.1 引言

5.2 变桨系统卡死故障时风机动态特性分析

5.3 变桨系统卡死时紧急停机对风机动态特性影响

5.3.1 停机工况

5.3.2 结果分析

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

附录

A 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

B 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目目录

C 学位论文数据集

致谢