风电机组传动链的动力学仿真研究
风电机组传动链的动力学仿真研究
杨扬;齐涛;苏凤宇;董姝言;何海建;晁贯良
【摘要】针对风电机组传动链在工作转速范围内的扭转共振问题,基于GL2010标准,结合动力学仿真软件SIMPACK和有限元分析软件ANSYS,建立了某兆瓦级风电机组传动链的多柔体动力学仿真模型,并使用模态分析方法对传动链动力学仿真模型进行了频域响应分析,基于2D坎贝尔图和模态能量分布图,筛选出了传动链的潜在共振点,最终通过时域仿真分析,对相关部件的加速度进行了傅里叶变换,进一步验证了该潜在共振点是否是实际的危险共振点.研究结果表明,该机型风电机组传动链不存在危险的共振频率,在工作转速范围内能够安全稳定地运行;该方法可为风电机组的稳定性和可靠性设计提供依据.%Aiming at the problems of torsional resonance of the wind turbine drive chain in its working speed range, the multi-flexible body dynamics simulation model of MW wind turbine drive chain was built based on dynamic simulation software SIMPACK and FE analysis soft-ware ANSYS according to GL2010 standard. The frequency domain response analysis of the dynamic simulation model of the drive chain was carried out through modal analysis method and its potential resonance frequencies were selected based on 2D campbel and modal energy dis-tribution diagrams. Finally the time domain simulation analysis was conducted and the Fourier transform of the acceleration of the relevant parts was carried out to further verify whether the potential resonance frequencies were the actual resonance frequencies. The results indicate that there is no dangerous resonance frequency of the wind turbine drive train, so it can run safely and stably in its working speed
range. This method can provide the reference basis for the stability and reliability design of the wind turbine.
【期刊名称】《机电工程》
【年(卷),期】2017(034)007
【总页数】7页(P702-707,735)
【关键词】风电机组;传动链;扭转共振;动力学仿真模型;时域仿真
【作者】杨扬;齐涛;苏凤宇;董姝言;何海建;晁贯良
【作者单位】许昌许继风电科技有限公司,河南许昌461000;许昌许继风电科技有限公司,河南许昌461000;许昌许继风电科技有限公司,河南许昌461000;许昌许继风电科技有限公司,河南许昌461000;许昌许继风电科技有限公司,河南许昌461000;许昌许继风电科技有限公司,河南许昌461000
【正文语种】中文
【中图分类】TH113.1;TK83
传动链是风电机组重要的组成部分，内部包含大量旋转运动的零部件。在机组运行过程中，由于风载的随机变化、电网的不稳定波动及内部各零部件柔性变形等因素的影响，传动链经常受到振荡扭矩的作用，极易出现剧烈的共振现象，导致风电机组停机或破坏[1]。因此开展传动链的动态特性及扭转共振问题研究，对于及时发现传动链的危险共振点和设计薄弱环节，从而优化机组设计和提高风电机组稳定性具有十分重要的指导意义[2]。
国内外许多学者对风电机组传动链的动力学特性进行了研究，陈严等人[3]采用弹簧-质量-阻尼结构建立了风电机组传动系统的刚性轴和柔性轴模型并进行了紊流场
仿真分析；海森等[4]对风电齿轮箱采用纯扭转、六自由度-刚体和多自由度-多柔体3种建模方法对齿轮箱的动态特性进行了研究，证明了多柔体建模方法的优越性；金鑫[5]采用ADAMS软件建立了风电机组传动链的非线性动力学模型，并与Matlab联合仿真实现了结构与控制之间的耦合；王建宏[6]对风力发电机传动系统的动力学特性进行了深入研究，简历了整机柔性多体系统动力学模型，模拟了风力发电机的动态响应；南高齿应用ANSYS有限元软件对2.5 MW风电机组进行了传动链动力学分析[7]；黄宜森等[8]通过对各种风机传动形式的比较分析，设计了1.5 MW低速风机的最佳结构形式，并对传动链进行了动力学建模与模态分析，验证了结构设计的可靠性。
本研究将以柔性多体动力学理论及GL2010标准为建模标准，考虑相关零部件的扭转、轴向及弯曲自由度，基于SIMPACK和ANSYS建立某兆瓦级风电机组传动链的柔性多体动力学仿真模型，通过频域和时域仿真研究，得到传动链的扭转固有频率、能量图及坎贝尔图并最终确定其有无危险共振点，为风电机组的稳定性和可靠性设计提供参考。
风电机组传动链是指从风轮到发电机的所有传递扭矩的部件，主要由叶片、轮毂、主轴、轴承、齿轮箱、联轴器、发电机、弹性支撑等部件组成。传动链的动力学行为取决于各组成部件的质量、转动惯量、刚度和阻尼等属性[9]。因此其仿真计算中输入的各零部件的质量、转动惯量、刚度和阻尼等参数，将影响着机组传动链系统的动力学仿真结果。传动链系统建模所需具体参数包括：
(1)定位参数。各轴承、部件及弹性支撑等的定位尺寸；
(2)轮毂、柔性体部件。三维模型、材料参数；
(3)质量参数。各刚体部件的质量、质心及转动惯量；
(4)联轴器参数。刚度、阻尼系数；
(5)弹性支撑。刚度、阻尼系数；
(6)轴承。6个方向刚度、阻尼系数；
(7)发电机参数。功率外特性曲线。
本研究所研究风电机组传动链为某MW级风机传动链，机组基本参数为：3叶片，水平轴，上风向风机；变桨式风轮；主轴与齿轮箱集成为一体；两级行星一级平行传动齿轮箱，24个圆周分布弹性支撑；弹性膜片联轴器；兆瓦级双馈异步发电机，四点弹性支撑。
2.1 传动链系统拓扑结构
机组传动链系统属于复杂非线性强耦合多自由度系统，建模之前需要确定正确而合理的拓扑图，该拓扑结构既应该能正确处理各部件的刚柔性以反映柔性传动链的动力学特性，又需在保证建模正确性的前提下，尽可能地减小模型的复杂程度以减小计算量与计算时间[10]。
根据GL2010标准，风电机组传动链动力学模型应包含零部件及零部件刚柔性要
求如表1所示。
结合传动链实际运行中的受载情况及载荷传递路径，本研究在SIMPACK中采用相关铰接和力元来模拟各部件之间的连接关系及载荷传递，最终绘制出笔者所研究的风电机组传动链的拓扑结构，如图1所示。
2.2 传动链系统动力学模型建立
风电机组传动链系统不能完全简化成刚体模型，而应视为一个复杂的弹性连续体进行建模研究[11]，本研究采用柔性多体动力学分析方法建模，具体建模标准参照
GL2010标准。
2.2.1 柔性体建模
叶片通过采用SIMPACK中的Rotor Generation模块生成3段柔性体仿真模型，各段之间固定连接。需要输入的叶片数据包含物理属性和结构属性及几何描述文件(.rbl文件和.rbx文件)。叶片仿真模型如图2所示。
齿轮箱内的主轴、齿轮轴等部件被等效为柔性体，本研究采用SIMPACK和ANSYS软件联合建立其柔性体仿真模型，柔性体的变形是通过模态坐标来表示的，由于柔性体自由度过大，为减少结构自由度并节省计算仿真时间，要求对结构有限元模型首先进行子结构分析。本研究采用ANSYS对结构有限元模型自由度进行缩减，提取主自由度并进行模态分析，其中主节点与从节点之间采用了柔性多点约束技术来模拟力的传递。计算完成后，笔者将模型的.cdb文件，.sub文件及.rst文
件导入SIMPACK生成柔性体输入文件(.fbi文件)，再将该文件导入SIMPACK中
即可生成柔性体仿真模型，该模型包含了柔性体的质量属性、模态和阻尼等信息。
2.2.2 刚性体建模
本研究将轮毂、行星架、齿轮箱箱体、主机架及发电机等部件考虑为刚性体，在SIMPACK中通过导入三维CAD几何模型作外形显示，并输入正确的质量、质心
位置及惯性矩等参数建立刚体模型，其中轮毂和行星架的扭转刚度通过有限元软件ANSYS进行计算，并在SIMPACK中采用FE13号力元进行模拟。联轴器则被等
效为4段刚体，采用3个扭转弹簧连接来模拟其柔性特征，3个扭转弹簧采用旋
转铰接和FE13号力元来模拟，联轴器动力学模型与拓扑图如图(3～4)所示。
2.2.3 弹性支撑及轴承等力元建模
齿轮副之间的啮合通过FE225号力元来模拟；齿轮箱的弹性支撑和发电机的弹性
支撑在SIMPACK中则采用FE5号弹簧阻尼力元来模拟，其刚度由厂家提供的数
据确定，阻尼则通过公式计算得到；传动链中的轴承采用FE43号力元来模拟。
最终本研究根据传动链的拓扑结构图，并结合建模所需的参数，最终传动链多柔体动力学仿真模型如图5所示。
风电机组传动链动力学研究的主要目的是找出传动链系统中的潜在共振点。动力学分析的结果是坎贝尔图，用来表征激励频率和特征频率之间的关系，对固有频率的研究应包括每个模态变形下的能量分布。为找出潜在共振区域，本研究根据
GL2010标准，首先通过对模型进行静平衡分析，得到传动链的理论固有频率。然后分别进行切入、额定和切出3个工况下的频域分析，即动平衡计算及模态分析，得到2D坎贝尔图，再结合模态能量分布图找到潜在共振点。最后对模型进行时域分析，进一步甄别共振点。
本研究中风电机组传动链发电机工作转速范围为930 r/min～2 070 r/min，需要关注的激励频率为风轮轴1P/2P/3P/6P转频、齿轮轴1P/2P/3P转频和齿轮
1P/2P/3P啮合频率，可以根据风电机组切入、额定和切出转速以及各级传动比计算得到。
3.1 静平衡分析
静平衡分析目的是求出轮毂与发电机转子之间的扭转刚度，通过得到传动链系统的一阶理论固有频率，为后续模态分析提供参考，频率如下所示：
式中：k—传动链的扭转刚度，I—传动链的转动惯量。
根据相关参数最终得到传动链一阶理论固有频率为f=1.327 Hz。
3.2 频域仿真及结果分析
频域分析目的是为得知风电机组传动链是否存在潜在共振点。
3.2.1 动平衡分析
在动平衡分析计算前，需要对模型施加扭矩，包括轮毂中心的驱动扭矩和发电机转子与定子之间的反馈扭矩。在SIMPACK中，本研究分别采用FE93号力元与
FE50号力元来模拟该扭矩。动平衡分析后，本研究查看高速轴转速，当其最终稳定运行在相应恒值附近，相对波动误差在小数点后两位变化时，可认为传动链已达到动平衡状态。高速轴转速变化如图6所示。
3.2.2 模态分析
本研究通过模态线性化来计算处于动平衡状态的传动链固有频率和模态[12-14]，
再根据不同频率下的模态振型及模态能量分布特性，筛选出具有扭转振型且模态能
量分布中扭转方向为主方向的固有频率，最终得到传动链的潜在共振点。具体筛选标准如下：
(1)选取转轴基频到高速输出轴齿轮啮合3倍频之间的固有频率，即频率范围应涵
盖工作转速范围内所考虑的所有激励频率；
(2)去除频率值为0的频率，零频表示整机系统的刚体运动；
(3)去除阻尼比相对(或很接近)且频率值很接近的频率和模态能量图很接近的频率，这是模态求解过程中产生的重根；
(4)去除零部件转动能量总和小于1的频率，小于1表明该振型为非能量分布主方向，不会产生共振。
本研究通过切入、额定和切出转速下动平衡计算和模态分析，最终得到3种工况
下传动链扭转方向固有频率，如表2所示。
由于风电机组转动会产生应力刚化效应，转速不同时，固有频率会有所差异。由表2可知，固有频率在3种工况下没有明显变化，表明固有频率主要取决于系统本身刚度、质量等参数，因此可以采用额定工况下的固有频率表征传动链的动力学特性。
3.2.3 结果分析
本研究将模态分析得到的一阶扭转频率结果与静平衡分析结果进行对比，结果如表3所示。
由表3知，一阶扭转固有频率仿真值与理论计算值两者误差为1.9%，符合
GL2010规定的偏差不大于5%的要求，从而验证了建模的正确性，可用于后续仿真研究。
根据传动链额定工况下的固有频率和所关注的激励频率，本研究绘制2D坎贝尔图。固有频率在0～2 Hz范围内的2D坎贝尔图如图7所示。
依据GL2010标准，在切入转速与额定转速之间，传动链固有频率和风轮轴及齿
轮轴等激励频率存在交点，有可能引起部件共振。再结合该阶模态振型下的能量分
布，筛选出传动链潜在共振点。根据GL2010标准，只考虑模态能量分布图中扭
转振动能量比大于20%的零部件，当其与交点对应的激励频率的零部件属于同一
速度等级时，该激励可以直接作用于该部件，引起共振，则认为该阶固有频率是潜在的共振点。
以f_N1为例，其模态能量主要分布在发电机转子上，如图8所示。
结合图7，f_N1与激励频率风轮轴6倍转频和一级太阳轮轴1倍转频有交点，由
于发电机转子与低速轴和第一级太阳轮轴不在一个速度级上，不会引起共振，即该阶固有频率不是潜在共振点。
依照该方法，逐一甄别各阶频率，由坎贝尔图知，f_N18与激励频率2nd
mesh_3p在工作转速内有交点，f_N26与激励频率hss mesh_3p在工作转速范
围内有交点，对应固有频率下的模态能量分布图如图(9～10)所示。
由图(9～10)可知，f_N18和f_N26确定为传动链系统的潜在共振点，至此，经过频域分析筛选出了传动链的潜在共振频率，如表4所示。
3.3 时域仿真及结果分析
时域仿真分析是对潜在共振点的进一步验证，笔者通过扭矩扫频分析覆盖风电机组所有的工作转速，研究潜在共振点是否是实际的危险共振点。
3.3.1 时域仿真设置
在时域仿真分析中，扭矩扫频时需要在轮毂中心施加驱动扭矩(该扭矩由GH Bladed计算该机组正常发电额定工况下提取的轮毂中心处时域转矩，考虑风剪切和塔影效应，需将其转化为扭转-角度序列)，发电机定子与转子之间施加反馈扭矩，使风力发电机组以恒定加速度从切入转速加速到切出转速，模拟启机工况。
本研究在SIMPACK中采用FE50与FE93力元分别模拟驱动扭矩与反馈扭矩，其
中FE50力元引用上述载荷角度序列数据，而FE93力元引用额定工况下发电机反
馈扭矩。
3.3.2 时域仿真结果分析
扫频分析完成后，在SIMPACK后处理器中可以查看柔性体变形及各零部件的振动特性，如位移、速度及加速度等信号。轮毂的转动角速度变化曲线如图11所示。由图11可知，机组以恒定加速度从切入转速运行到切出转速整个范围。
本研究对潜在共振零部件的加速度信号进行快速
傅里叶变换(FFT)，将其时域信号转化为频域信号，如果加速度幅值在潜在共振点
附近出现突变峰值，则说明零部件在该激励频率下产生共振响应，可确认其为实际的危险共振点，需要予以关注，否则排除该点。时域与频域曲线如图(12～13)所示。
由图(12～13)可知，响应部件的加速度幅值在潜在共振点附近未出现突变，故频
域分析得到的潜在共振点均不是实际共振点，即该传动链不存在共振破坏风险，表明传动链在工作转速内能够安全平稳地运行。
本研究依据GL2010标准，结合ANSYS将零部件柔性化，在SIMPACK中建立了风电机组传动链多自由度-多柔性动力学仿真模型。通过动平衡及模态分析得到其
扭转方向固有频率，并将其一阶固有频率与理论固有频率进行对比，证明了建模的正确性。由坎贝尔图和能量分布图确定传动链存在2个潜在共振点。结合Bladed 提供的载荷序列和时域分析，确定该传动链不存在危险的共振频率，可以安全、平稳地运行。该传动链动力学仿真研究结果表明该机组传动系统在工作转速范围内不存在扭转共振风险，结构设计比较合理，为机组运行的安全稳定性提供了技术支持。
本文引用格式：
杨扬，齐涛，苏凤宇,等.风电机组传动链的动力学仿真研究[J].机电工程，2017，34(7)：702-707,735.
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风电实验报告-风力发电机组的建模与仿真
实验一 ：风力发电机组的建模与仿真 XX ：樊姗 __031240521 一、实验目的: 1掌握风力发电机组的数学模型 2掌握在MATLAB/Simulink 环境下对风力发电机组的建模、仿真与分析； 二、实验内容: 对风速模型、风力机模型、传动模型和发电机模型建模，并研究各自控制方法及控制策略；如对风力发电基本系统，包括风速、风轮、传动系统、各种发电机的数学模型进行全面分析，探索风力发电系统各个部风最通用的模型、包括了可供电网分析的各系统的简单数学模型，对各个数学模型，应用 MATLAB 软件进行了仿真。 三、实验原理： 自然风是风力发电系统能量的来源，其在流动过程中，速度和方向是不断变化的，具有很强的随机性和突变性。本课题不考虑风向问题，仅从其变化特点出发，着重描述其随机性和间歇性，认为其时空模型由以下四种成分构成:基本风速b V 、阵风风速g V 、渐变风速 r V 和噪声风速n V 。即模拟风速的模型为： n r g b V V V V V +++= （1-1） （1）基本风速在风力机正常运行过程中一直存在，基本反映了风电场平均风速的变化。一般认为，基本风速可由风电场测风所得的韦尔分布参数近似确定，且其不随时间变化，因而取为常数 （2）阵风用来描述风速突然变化的特点，其在该段时间内具有余弦特性，其具体数学公式为： ⎪ ⎩⎪ ⎨⎧=00cos v g V g g g g g g T t t T t t t t t +>+<<<1111 （1-2） 式中：
⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣⎡--= )(2cos 121max cos g g g T t T t G v π （1-3） t 为时间，单位 s ；T 为阵风的周期，单位 s ；cos v ，g V 为阵风风速，单位m /s ；g t 1为阵风开始时间，单位 s ；max G 为阵风的最大值，单位 m/s 。 （3）渐变风用来描述风速缓慢变化的特点，其具体数学公式如下： ⎪⎩⎪ ⎨⎧=0 0v ramp r V r r r r t t t t t t t 2211><<< （1-4） 式中： ⎪⎪⎭ ⎫ ⎝⎛---=r r r ramp t t t t R v 212max 1 （1-5） r t 1为渐变风开始时间，单位 s ；r t 2为渐变风终止时间，单位 s ；r V ，ramp v 为不同时 刻渐变风风速，单位 m/s ；max R 为渐变风的最大值，单位 m/s 。 （4）随机噪声风用来描述相对高度上风速变化的特点，此处不再描述。 风力机从自然风中所索取的能量是有限的，其功率损失部分可以解释为留在尾流中的旋转动能。能量的转化将导致功率的下降，它随所采用的风力机和发电机的型式而异，因此，风力机的实际风能利用系数 p C <0.593。风力机实际得到的有用功率为： ()λβρπ,5.03 2P w s C v R P = (2-6) 而风轮获得的气动扭矩为： ()λβρπ,5.02 3T w r C v R T = (2-7) 其中：
定速风电机组的仿真(内容参考)
定速风电机组的仿真 组员： 32111222王浩 32111208乐姗姗 32111207瞿振林 32111212刘洁波 一、简单介绍 基于普通感应发电机的定速风电机组，一般由风轮、轴系（包括低速轴LS、高速轴HS和齿轮箱组成）、感应发电机组等组成，如图1所示。发电机转子通过轴系与风电机组风轮连接，而发电机定子回路与电网用交流线路连接。这种类型的风电机组一旦起动，其风轮转速是不变的（取决于电网的系统频率），与风速无关。在电力系统正常运行的情况下，风轮转速随感应发电机的滑差变化。风电机组在额定功率运行状态下，发电机滑差的变化范围为1%~2%，因此正常运行时风轮转速仅在很小范围内变化。 图 1：基于普通感应发电机的定速风电机组 二、工作原理： 风电机组通过三叶片风轮将风能转换成机械能，风能输出的机械功率为： 注释： 根据不同的取值，可得到的曲线如图2所示，从图中可以看出，对应某一确
定的浆距角，有一极大值存在，也就是说，当风力机运行时不能保证在所有的风速下都能够产生最大的功率输出。的理论最大值为0.593，这就是著名的Betz 极限。 图2：关系曲线 图 3：风电机组功率特性 定速风电机组的风轮从风中获取机械能，然后通过齿轮轴系传递给感应发电机，感应发电机再把机械能转换成电能，输送到电网中。感应发电机向电网提供有功功率，同时从电网吸收无功功率用来励磁。因为这种类型的感应发电机无法控制无功功率，所以利用无功补偿器来改善风电机组的功率因数，降低机组从电网中吸收的总的无功功率。现代定速风电机组的风轮转速为15~20r/min，发电机转子的同步转速与电网频率对应。 定速风电机组可以采用定浆距控制，也可以采用叶片角控制。其中，定浆距控制风电机组为被动失速控制，它将叶片以固定浆距角用螺栓固定在轮毂上，在给定风速下，风电机组风轮开始失速，失速条件始于叶片根部，并随着风速加大逐渐发展到全部叶片长度。这种失速控制方式成本低廉，但是低风速下风电机组
基于Simulink的风电机组控制系统设计与仿真
毕业设计(论文) 题目基于Simulink的风电机组控制系统设 计与仿真 院系机械工程系 专业班级 学生姓名 指导教师 二〇一六年六月
基于Simulink的风力发电组控制系统的 设计与仿真 摘要 现如今全球人口不断增长而且经济发展对能源需求的增加，传统能源的使用导致能源短缺和环境问题日益严重[1]。而化石性能源的稀缺性和不可再生性使其价格日益上涨，并且化石能源燃烧产生有害气体，污染环境、危害人体健康、导致全球变暖[2]。风能是一种可再生能源，风力发电技术是可再生能源开发中技术成熟程度、规模化开发程度、商业化程度最高的发电方式。风能是清洁无污染的可再生能源，而且风能资源分布广泛，总量十分可观。全球可利用的风能约为 MW，比地球上可开发的水能总量大10倍，风能将成为21世纪的主要能源之一[3]。 本文主要介绍了风力发电的主要原理，简单介绍了风力发电机的气动和机械系统模型，最后着重介绍双馈风力发电机组的原理以及建模。由于使用MATLAB/Simulink的建模方式，本文还介绍了Simulink的建模方式，以及简要介绍在Simulink环境下对双馈异步风力发电机控制系统的建模过程，对建模过程中需要对控制系统参数的设定进行介绍。 最后将双馈风力发电机的仿真系统进行仿真设计，得到对应电网与风力机的相关输出特性，还有风力机转矩与风速的关系图。观察风力机在不同工作状态下的风速与转矩特征。仿真的结果证明，对双馈风力发电机组控制系统仿真是比较符合实际的，仿真结果具有实际指导意义。 关键词：风力机、双馈发电机、控制系统、Simulink、仿真
SIMULATION OF THE WIND TURBINE CONTROL SYSTEM BASED ON SIMULINK Abstract As the global population growth and economic development on the increase of energy demand, the use of traditional energy is facing increasingly severe energy shortage and environmental issues. For fossil energy is scarcity and irrefragable，these reason make its price rising, and fossil fuel combustion produces harmful gas, pollute the environment, endanger human body health, and lead to global warming. Wind energy is a kind of renewable energy, and wind power is renewable energy with technology maturity, scale development degree, in most ways of power generation. Wind energy is a clean pollution-free renewable energy and wind energy resources are widely distributed, the amount is very considerable. Global use of wind power is about MW , larger than the amount of water on earth can develop 10 times, wind power will become one of the main energy in the 21st century. Wind power is mainly introduced in this paper, the main principle of simple introduced the pneumatic and mechanical system model of wind turbine, in the back with emphasis on the principle of the double-fed induction wind generator and modeling. Due to the use of MATLAB/Simulink modeling method, this paper also introduced the Simulink modeling, as well as a brief introduction to in Simulink environment of doubly-fed asynchronous wind turbine control system modeling process, to be used in the process of modeling elements are briefly introduced。 Finally make doubly-fed asynchronous wind turbine simulation system running，get the corresponding grid data and the characteristics of the wind turbine, and wind speed and wind turbine torque diagram. Observer the characteristics under different working conditions of wind speed and wind turbine torque，the simulation results show that the simulation of double-fed induction wind generator is has practical guiding significance. Keywords：wind turbine、double-fed generator、control system、Simulink、simulation
风力发电机组动态模型研究
风力发电机组动态模型研究 随着人们对可再生能源的重视和风能技术的不断发展，风力发电机组动态模型的研究变得越来越重要。本文将围绕风力发电机组动态模型展开情节，介绍相关的数学模型、理论知识和算法，并适当总结前文的主要观点和证据。 风力发电机组动态模型描述了风力发电机组在风速、功率输出、空气动力学等方面的性能。通过建立动态模型，可以对风力发电机组进行模拟和分析，以优化其性能、控制策略及可靠性。在本文中，我们将介绍一种基于数学模型和理论知识的风力发电机组动态模型。 风力发电机组动态模型的数学模型通常包括风速模型、发电机组功率模型、控制模型等。 风速模型描述了风力发电机组所处风场的特性，包括平均风速、风速谱等。常用的风速模型包括威布尔分布、瑞利分布等。通过对风速模型进行分析，可以了解风场的风能特性和风力发电机组的可靠性。 发电机组功率模型描述了风力发电机组如何将风能转化为电能的过程。根据贝茨理论，风能转换为电能的效率取决于风轮直径、风速、空气密度等因素。通过建立功率模型，可以分析风力发电机组的功率
输出性能，从而优化其设计。 控制模型描述了风力发电机组的控制策略，包括最大功率追踪、载荷控制等。通过建立控制模型，可以实现风力发电机组的智能控制，提高其运行效率和可靠性。 风力发电机组动态模型的理论知识主要包括空气动力学、机械传动、电力电子技术等。 空气动力学是研究气体与固体表面相互作用的科学。在风力发电机组中，空气动力学用于分析风轮在风场中的表现，包括升力、阻力等。通过优化风轮的空气动力学设计，可以提高风力发电机组的功率输出和运行效率。 机械传动是实现风能转换为电能的关键环节。在风力发电机组中，机械传动将风轮的动力传递给发电机，使其转化为电能。机械传动的性能直接影响到风力发电机组的效率和可靠性。 电力电子技术是实现风力发电机组控制和并网的关键技术。通过电力电子技术，可以实现发电机的矢量控制和最大功率追踪等功能，从而提高风力发电机组的运行效率和可靠性。 风力发电机组动态模型的算法主要包括数值模拟方法和优化算法。
机械毕业设计658风力发电机传动链设计1
毕业论文 题目：风力发电机传动链设计 专业：机械设计制造及其自动学号： 姓名： 指导教师： 完成日期：2014年5月26日
目录 1. 绪论 (3) 1.1 风力发电发展概况 (3) 1.2 风力发电的背景 (4) 1.2.1 能源危机 (4) 1.2.2 环境危机 (4) 1.2.3 可再生能源开发利用 (5) 1.2.4 风能开发利用 (5) 1.3 风力发电国内外发展现状 (6) 1.3.1 国外风电发展现状 (6) 1.3.2 国内风电发展现状 (7) 1.4 国内外风电机技术发展趋势 (7) 1.4.1 产业集中是总的趁势 (8) 1.4.2 水平轴风电机组技术成为主流 (8) 1.4.3 风电机组单机容量持续增大 (8) 2. 发电机的工作原理及基本结构 (9) 2.1 风电机的功能单元的划分 (9) 2.2 风电机组的工作原理 (10) 2.3 风力发电机传动链的基本结构及三维建模 (12) 2.3.1 主轴 (12) 2.3.2 齿轮箱 (12) 3. 风电发电机传动链主要零件的设计计算 (13) 3.1 确定设计目标 (13) 3.1.1 风力发电机总体设计方案 (13) 3.2 风力发电机传动链零件设计方案 (15) 4. 风力发电机增速器的设计计算 (16) 4.1 传动方案的确定 (16) 4.2 增速器基本设计要求及设计步骤 (18) 4.3 传动原理图 (18) 4.4 增速器各传动部件的材料及力学性能 (19) 4.5 第一级行星轮系传动设计 (20) 4.6 第二级行星轮系传动设计 (21) 4.7 第三级平行轴圆柱直齿轮设计 (22) 4.8 行星齿轮具体结构的确定 (22) 5主轴制动系统的研究 (23) 5.1 制动器的结构形式选择 (23)
基于联合仿真技术的风力发电机组系统设计分析的开题报告
基于联合仿真技术的风力发电机组系统设计分析的 开题报告 一、研究背景和意义 随着全球能源问题的日益突出，风力发电作为可再生清洁能源的重要代表，已经成为全球关注的焦点。如何提高风力发电机组的效率和可靠性，成为了当前风电行业亟待解决的问题。联合仿真技术作为一种模型综合验证的方法，可以用于系统级设计和系统行为分析，对风力发电机组系统的优化设计、性能评估、故障诊断等方面提供重要支持，具有重要的研究意义与应用价值。 二、研究内容和方法 本研究将基于联合仿真技术，以风力发电机组系统为研究对象，重点研究以下内容： 1.建立风力发电机组系统的物理仿真模型，包括风机、转子、发电机、变桨机构等部分。 2.对风力发电机组系统进行参数优化，以最大化风机效率、提高发电量和降低成本为目标，同时考虑风力资源、环境因素等影响因素。 3.开展系统级别的性能评估与故障诊断研究，包括系统的静态和动态行为分析、响应特性、故障检测方法等。 为达到以上研究目标，本研究将采用仿真软件（如Simulink、SolidWorks等）进行建模和仿真分析，在此基础上开展参数优化、系统性能评估和故障诊断分析等研究工作。 三、研究预期成果和创新点 1.建立全面的风力发电机组系统仿真模型，充分考虑各部分的动力学、机械学和电学特性，准确反映风力发电机组性能和行为。
2.提出一种基于联合仿真技术的风力发电机组系统优化方法，该方法可提高风机效率、发电量和降低成本，为风电行业提供科学的技术支持。 3.开展系统级别的性能评估分析和故障诊断研究，为风力发电机组的可靠性和稳定性提供技术保障和故障预警。 本研究将从系统级别出发，建立全面的风力发电机组仿真模型，开展优化设计和行为特性研究，为风电行业的可持续发展提供新的思路和技术支持，具有一定的创新性和实用价值。
双馈风电机组传动链建模与扭振疲劳损耗研究
双馈风电机组传动链建模与扭振疲劳损耗研究 双馈风电机组传动链建模与扭振疲劳损耗研究 一、引言 风能作为清洁、可再生的能源之一，正逐渐成为解决能源短缺和环境污染问题的重要手段。而风力发电机组作为风能转换的核心设备之一，其性能和可靠性对风能利用效率起着至关重要的作用。其中，双馈风电机组由于其结构简单、可调谐效果好等优点，成为电力系统中常用的风能转换设备。 二、双馈风电机组的传动链建模 传动链作为双馈风电机组的核心组成部分，直接影响到机组的性能和可靠性。传动链建模是对传动链各个组成部分进行分析和计算，以得到整个传动链的动力学特性。传动链建模可以通过以下几个方面进行准确描述： 1. 双馈发电机模型 双馈发电机模型是双馈风电机组传动链建模的首要任务。其结构包括两部分：转子部分和梵全功率电源。转子部分由转子内外侧电机和通过双馈开关进行转子和网络连接的转子侧所构成，而梵全功率电源则通过滤波电容和梵全逆变器与电网连接。 2. 双馈风能转子模型 双馈风能转子模型是对叶轮机械特性的描述。通过考虑风轮质量、风轮边缘弯曲和采用排烟可的兰克模型等因素，可以建立起与实际叶轮机械特性相吻合的双馈风能转子模型。 3. 双馈风电机组的传动链模型 在考虑到风轮的径向力、转矩和扭振特性后，可以建立出双馈风电机组的传动链模型。该模型通过分析转速变化、叶片特性等因素，以及齿轮传动链、轴承摩擦和传感器特性等因素，对
整个传动链的动力学特性进行分析和计算。 三、扭振疲劳损耗研究 在长期运行中，双馈风电机组往往会受到扭振疲劳损耗的困扰。扭振疲劳损耗是指由于旋转系统的扭矩激励和系统弹性产生的扭振，导致传动链各个部件的损耗。对于传动链的扭振疲劳损耗研究，可以从以下几个方面进行分析： 1. 扭振特性分析 通过对传动链扭振特性的分析，可以了解其在不同转速和负载条件下的扭振情况。扭振特性分析可以通过数学模型和仿真软件进行，以便快速计算和预测传动链的扭振。 2. 扭振疲劳寿命预测 对传动链的扭振疲劳寿命进行预测是非常重要的。通过对传动链的疲劳损伤模型进行建立和计算，可以评估传动链在长期运行中的寿命，并对其进行改进和优化。 3. 扭振疲劳损耗测试 为了验证理论模型的准确性，需要进行实际的扭振疲劳损耗测试。通过对双馈风电机组的传动链进行实际测试，可以获得真实的扭振损耗数据，并对传动链的设计和制造提供参考。 四、结论 双馈风电机组的传动链建模与扭振疲劳损耗研究是提高风能利用效率和确保机组可靠性的重要研究方向。通过准确建立双馈风电机组的传动链模型，并对扭振疲劳损耗进行深入研究，可以为双馈风电机组的优化设计和性能提升提供指导和支持。 然而，需要注意的是本文只是介绍了双馈风电机组传动链模型的建立和扭振疲劳损耗的研究，并未涉及具体实验数据和结果。因此，对于双馈风电机组传动链建模与扭振疲劳损耗研究的进一步深入，还需要更多的实验验证和数据分析。通过不
基于刚柔耦合的风电机组行星传动动力学特性及齿圈变形研究
基于刚柔耦合的风电机组行星传动动力学特性及齿圈变形研究由于行星齿轮传动具有诸如高效、量轻且传动比范围大等特点,被广泛地应用在风电机组传动系统中。内齿圈是行星传动系统中的重要部件,一般情况下通过螺栓或者花键与机体相配合在一起,并直接与行星轮啮合以传递运动和动力。 以往的研究者大多认为内齿圈是刚性的,但对于变形可以忽略的厚轮缘齿圈而言,这种假设尚可成立。然而为追求系统轻量化以及提高传动均载性能,薄壁柔性齿圈开始大量运用于行星传动系统中。 据有关文献研究结果表明,当齿圈为柔性状态时,行星齿轮系统的动力学特性发生了较大的变化,基于此,研究齿圈柔性对系统动态性能的影响规律,对工程设计人员前期设计具有轻量化、低振动和高可靠性的风力发电机组行星齿轮传动提供一定的理论参考价值。本文工作的主要内容和研究结论有:1、在传统的行星传动平移—扭转耦合动力学模型基础之上,为研究齿圈柔性对风电机组行星齿轮传动系统动态特性的影响,将连续体的柔性齿圈离散成多段刚性轮齿段,借以连接处的扭簧扭转刚度来量化齿圈的柔性特点。 在行星架随动坐标系下,综合考虑了啮合刚度、支撑刚度和齿圈柔性等因素,建立了计入齿圈柔性的风电机组行星传动系统平移—扭转耦合模型。2、为量化描述齿圈柔性特点,本文将齿圈处理为以齿圈周长为长度的悬臂梁结构,则扭簧等效扭转刚度可由悬臂梁弯曲刚度来表示,从而构建起扭簧扭转刚度与齿圈厚度的等效关系。 进而分析了各构件间的相对运动微位移及齿圈的受力情况,运用牛顿力学推出其动力学微分方程。3、研究了齿圈柔性、齿圈支撑点数目与负载力矩对齿圈变形及系统啮合力的影响,并进一步揭示了太阳轮浮动轨迹在不同齿圈支撑点数
大型风电机组传动链地面试验工况模拟技术研究综述
大型风电机组传动链地面试验工况模拟技术研究综述 近年来，风电行业的发展已经成为了可再生能源产业的重要分支。而风电机组的传动链是整个风电机组中最为核心的部分之一，其性能的稳定性和可靠性成为了保证风电机组可持续发展的重要因素之一。因此，地面试验工况模拟技术研究也成为了风电机组传动链技术的重要方向之一。 在风电机组传动链中，主要存在着轮毂轴、转子、发电机和变速箱等组成部分。其中，变速箱是整个传动链的核心组成部分，其关键的功能在于将风轮的旋转速度转化为发电机所需的电能输出。因此，在传动链的研究中，变速箱的设计和实验是最为关键的方面之一。 随着科技的不断进步，研究人员们采用了多种手段，对于风电机组传动链的地面试验工况模拟技术进行了研究和开发，以提高整个传动链的稳定性和可靠性。目前，主要采用了以下三种技术： 一、试验台面试验技术 试验台面试验技术是最常见和最基本的传动链地面试验方法。这种方法既可以进行单独的变速箱试验，也可以进行所有部件的综合试验。试验台面试验技术的机构和传动链通常是通过 模拟真实工况进行试验，通过调整荷载、转速和风力模拟器（wind simulator）模拟真实工况的各种异常情况，如风电机 组在恶劣天气下的运行等。
二、高速大负载模拟技术 高速大负载模拟技术能够模拟风电机组在高速环境下所受到的负载，从而进行传动链部件的评价和可靠性测试。在高速大负载模拟技术中，主要采用了液压传动装置和电机传动装置。利用电机传动装置可以实现高速转动，并通过变频器可实现不同负载的模拟。液压传动装置通过调节阻尼器实现高速大负载的模拟。 三、风电机组实验台技术 风电机组实验台技术是以完整的风电机组为基础，通过精密调试和控制实现高度真实的工况模拟。其试验效果最优，因为该技术能够完全模拟实际的风力场，并能够精确测试风电机组运行时各部件的力学性能和电学性能。 综合来看，对于风电机组传动链地面试验工况模拟技术的研究，各种技术有其优缺点，且耗时和费用相差巨大。从实验室试验、试验台模拟到实际风场运行，逐渐升级的工艺将会在传动链的设计和优化方面产生更加实际的应用。在未来，随着风电行业的持续发展和技术进步，传动链地面试验的工况模拟技术也将得到不断的优化和完善，以进一步提高风电机组的性能和可靠性。数据分析 风电行业目前正处于迅速发展的阶段，全球风电总装机容量已经逐年增加。据国际能源署（IEA）数据，2019年全球风电装 机容量为651.5GW，而中国的风电装机容量已经超过了
风力发电机组的动力学模拟与分析
风力发电机组的动力学模拟与分析 近年来，随着环境保护意识的增强和可再生能源的开发利用，风力发电作为一种清洁、可持续的能源来源，正逐渐得到广泛关注和应用。而风力发电机组的动力学模拟与分析则成为了研究者们关注的重点。 首先，我们来思考风力发电机组的工作原理。风力发电机组利用风能的转化，将风能转化成机械能，进而转化为电能。但在这个转化过程中，风速的变化、风向的变化、机械部件的损耗等多种因素都会对发电性能产生影响。因此，如何准确地模拟和分析这些动力学问题，就显得尤为重要。 针对风力发电机组的动力学模拟与分析，研究者们采用了多种方法。其中，一种常见的方法是利用数值仿真模型，通过计算机模拟风场和结构响应，对发电机组的动态性能进行评估。此外，还有相当一部分研究者采用实验方法，通过在实验室中建立风力发电机组的物理模型，进行不同工况下的实时观测和测量，以获取相关的数据。 在模拟和分析风力发电机组的动力学过程中，需要考虑的因素非常多。首先，风力发电机组所受到的风载荷是一个重要的参数。这不仅包括风速、风向等风场参数的影响，还包括风能的转化效率、风扇叶片的结构设计等因素。同时，机械部件的动力学特性也需要被考虑进来，例如发电机的转速、转矩等参数。此外，还需要考虑机械振动对整个系统的影响，以及系统的动态稳定性等。 在动力学模拟与分析过程中，研究者们往往使用计算机辅助工程软件，通过对模型进行离散化处理，求解其动力学方程，从而得到系统的响应。其中，有限元分析方法是一种常见的数值计算方法。通过将发电机组的结构进行网格划分，利用有限元法求解结构的固有振动频率、模态形态等信息，可以有效地对系统进行分析和优化。同时，与此相关的建模软件，例如ANSYS、COMSOL等，也可以提供便捷的仿真分析环境，有助于研究者们开展相关的工作。
直驱型风电机组动态建模及仿真分析
直驱型风电机组动态建模及仿真分析 随着可再生能源的发展，风电作为一种比较成熟的清洁能源形式，越来越广泛地应用于各种场合。为了更好地控制和优化风力发电系统的性能，需要对风电机组进行动态建模及仿真分析工作。 直驱型风电机组是一种新型的风力发电机组，其动态行为与传统驱动型风电机组有所不同。本文将以直驱型风电机组为对象，介绍其建模及仿真分析方法，并通过仿真实验验证其有效性。 首先，建立直驱型风电机组的动态数学模型是动态建模及仿真分析的基础。直驱型风电机组的运动方程可以描述为： $J\ddot{\theta} + b\dot{\theta} = Tem - Tl$ 其中，$J$为转动惯量，$\theta$为转子转角，$b$为摩擦系数，$Tem$为电磁转矩，$Tl$为负载转矩。直驱型风电机组和传统 风电机组不同之处在于其电磁转矩是直接产生在转子上的，因此需要建立电磁转矩的模型，通常采用如下形式： $Tem = \frac{3}{2}P(\frac{L_{ms}}{L_{s}+L_{r}})^2i^2\sin\delta$ 其中，$P$为极对数，$i$为转子电流，$L_{ms}$为互感， $L_{s}$和$L_{r}$分别为定子和转子的漏感，$\delta$为电角度。该模型应考虑到磁场饱和、非线性等因素的影响。 在建立动态数学模型的基础上，需要进行仿真分析以验证模型
的有效性和性能。仿真分析的目的是得到风电机组的动态响应和控制策略，并进行有效性和性能评估。仿真分析的主要步骤包括仿真建模、仿真实验、仿真结果处理等。 在仿真建模过程中，应根据实际情况选取合适的仿真工具和方法。通常采用MATLAB等软件进行动态仿真建模，以及PSCAD等软件进行电磁仿真模拟。在模型输入、仿真条件等方面，应考虑到实际工作环境和实验条件的影响，以保证仿真结果的准确性和可靠性。 在仿真实验过程中，主要是对所建立的仿真模型进行动态响应测试和控制策略验证。通过针对不同的工况和工作状态进行仿真实验，可以得到不同工况下的动态响应和控制策略，从而评估风电机组的有效性和性能。 在仿真结果处理过程中，应对仿真结果进行分析和处理，从而得到具体的性能参数和研究结论。针对仿真结果进行不同尺度的分析和比较，可以得到不同工况下风电机组的性能特征和优化策略，为实际风力发电工作提供依据和指导。同时，对仿真结果进行可视化分析和展示，有利于向相关人员展示模型的效果和性能。 综上所述，对直驱型风电机组进行动态建模及仿真分析是实现风力发电优化控制和性能评估的重要手段。通过合理的模型建立和仿真分析，可以更好地理解和优化风电机组的动态行为，为实际工作提供指导和支持。风电发电是一种可再生的清洁能源，已经在许多国家和地区得到广泛应用。以下是一些相关的
弹性支撑下风电机组传动系统结构动力分析
弹性支撑下风电机组传动系统结构动力分析 李慧新;吕杏梅;王靛;巫发明;王磊 【摘要】A wind turbine multi-body dynamics model,which based on lumped mass method and Lagrange equa-tions,has been built to research the elastic mounting of the gearbox effect on the dynamics characteristics of the drive train after considering the flexible connection characteristics of the gearbox elastic mounting in the horizontal axis wind turbine.With the help of the dynamic model and the modal analysis method,the modal natural fre-quency has been obtained after coupling the system with gearbox elastic supporting,and the modal energy distri-bution by this method has been https://www.360docs.net/doc/0e19501095.html,ing variable parameter of the gearbox elastic mounting,sensitivity of the drive train modal characteristics analysis is performed,and the dynamic response of gearbox housing is calcu-lated with mode superposition method.Numerical solution and analysis show that the modal natural frequency of the drive train system is the main gearbox mounting vibration modal caused by the gearbox elastic mounting,Lin-ear stiffness of the mounting has an impact on the low natural frequency of the drive train,It is reasonable to con-sider the first and second order modal of the system when doing the vibration analysis of the gearbox mounting. This research provides a theoretical basis on the reliability design of the drive train and damped control which suppress the vibration of the drive train.%考虑水平轴风力发电机组齿轮箱弹性支撑的柔性连接特性，基于集中质量思想和拉格朗日方法，建立风力发电机传动系统多体动力学
并网风力发电系统建模及仿真研究
毕业设计（论文）开题报告书 课题名称并网风力发电系统建模及仿真研究 学生姓名 学号 系、年级专业 指导教师 2015年1月5日
一、课题的来源、目的、意义（包括应用前景）、国内外现状及水平 1、课题来源 风能是一种洁净的、储量极为丰富的可再生能源。受化石能源日趋枯竭、能源供应安全和保护环境等的驱动，自20世纪70年代中期以来，世界主要发达国家和一些发展中国家都重视风能的开发利用。特别是自20世纪90年代初以来，随着风能最主要的利用形式—风力发电的发展十分迅速，世界风电装机容量的年平均增长率超过了30%。风能将是21世纪最有发展前景的绿色能源，是人类社会可持续发展的主要新动力源。 我国对风力发电上研究开发的投入也逐年增大,进入一个快速发展的时期。风力发电的研究工作在世界各地得以广泛开展,旨在提高风能利用效率。风能不稳定,风电场多建在薄弱电网。风电场大型化是世界风电发展的主流方向,伴随风电场规模的增大,其并网带来的诸多稳定性问题已不容忽视。风能开发与利用对于响应节能减排战略、解决能源和环境问题具有积极意义。 2、课题关键问题及难点 由于自然风存在随机性，风力发电会对电网形成有功、无功功率的随机扰动。其中无功功率的波动，直接影响系统运行电压。单台风机无功波动相对系统容量较小，但随着风电场规模的日益增大，大型风电场无功波动对系统电压将构成较大影响。因此研究风电机组及风电场在随机风场扰动下，无功功率波动性质，显得尤为必要。典型风力发电机包括：恒速恒频风机和变速恒频风机。恒速恒频风机无功功率波动随机性较大，而变速恒频风机无功功率波动随机性相对较小。仿真研究表明，并网大型风电场将对系统电压构成较大影响。不同风电机组构成的风电场，将对系统电压构成不同程度、不同性质的扰动。由恒速恒频风机构成的风电场，其无功功率变化随机性较大，对电网电压影响较重。而变速恒频风机构成的风电场，其无功功率变化随机性相对较小，对电网电压影响也较小。但大型风电场集中并网，仍将对系统电压产生较大影响，降低电网的稳定水平。本文研究了大型风电场接入系统后对系统会产生较大影响。通过仿真比较，分析风速扰动、系统故障等仿真研究风电场接入系统对系统的影响，并提出相应的控制措施。 3、课题研究的目的与意义 目的：掌握并网风力发电系统的组成及工作原理，完成系统主电路及控制电路设计。建立系 统的仿真模型并进行仿真分析，验证所设计得系统。为培养综合运用所学理论知识和技能解决 实际问题能力，实际动手能力，查阅文献资料的能力与工程设计的基本能力。并且为毕业后工 作打下基础。 意义：通过本次毕业设计，综合并网风力发电系统在电动机中的运用，并学习用生产实际知识去解决具体问题，使所学的专业知识得到进一步巩固、深化和发展。培养自己对工程设计的独立工作能力，学习设计的一般方法。通过毕业设计树立正确的设计思想，提高自己分析问题。解
基于PLC的硬件在环系统在风电机组仿真中的应用﹡
基于PLC的硬件在环系统在风电机组仿真中的应用﹡ 张雪松;纪国瑞;朱莲;王一婧 【期刊名称】《风能》 【年(卷),期】2016(000)004 【总页数】4页(P58-61) 【作者】张雪松;纪国瑞;朱莲;王一婧 【作者单位】国电联合动力技术有限公司;国电联合动力技术有限公司;国电联合动力技术有限公司;国电联合动力技术有限公司 【正文语种】中文 风电机组主要功能是将风的动能转化成发电机转子的动能，转子的动能又转化成电能实现发电。随着全球对风电产业的大力投入，大功率风电机组发展越来越快，2MW、3MW已成现役主力机型，远景5MW、国电联合动力6MW、西门子 7MW样机都已完成吊装或并网。随着风电机组的快速发展，其部件及控制系统越来越复杂，从而也增加了设计和调试上的难度。因此对于大功率风电机组仿真平台建设的需求越来越强烈。 硬件在环最初主要用于避免直接建立不确定系统的数学模型。对许多复杂的、时变的、强非线性的系统来说，建立其准确的数学模型几乎是不可能的，尤其是动态模型。因此提出一种将系统硬件嵌入到仿真系统中，用真实的可编程逻辑控制器代替模型，而其它部分则采用数学模型实现。这样能准确模拟风电机组控制系统及各部件的运行情况。 本文把硬件在环系统引入风电机组仿真，搭建联合动力2MW双馈风电机组硬件
在环仿真平台（以下简称风电机组仿真平台）。 风电机组仿真平台设计目标如下： （一）构建以风电机组总体设计平台为核心的风电机组仿真系统，该系统贯穿风电机组参数选择、总体设计、详细设计整个过程，包括风电机组性能分析、载荷计算、结构强度分析模块。 （二）建立风电机组控制系统半物理仿真系统，在该系统中控制器及相关的通信为实物，而风电机组其他部件通过建立模型代替。 （三）建立风电机组运行仿真系统。该系统具有风能特性仿真和风电机组仿真的功能。 （四）实现仿真平台执行周期（10毫秒）与风电机组实际控制系统运行一致。 从功能角度看风电机组仿真平台分为两部分：一是硬件和用来满足模型计算的相关软件即仿真系统，它能够计算出风电机组对PLC所发出指令的响应；二是用来为PLC建立正确连接的数据通讯接口，将模型计算结果，如风速、桨距角、发电机 转速及转矩等反馈给PLC。为了能反映风电机组真实运行情况，因此需要快速的 数据交换接口。风电机组仿真平台主要由运行仿真系统的计算机和运行风电机组主控系统的PLC组成（如图1），以及扩展到变桨系统、变流器系统等。该平台将 风电机组主控程序运行于Bachmann MPC240控制器，通过建立风电机组模型，开发数据接口实现风电机组模型和主控数据交互形成闭环控制，完成风电机组仿真。仿真系统包括描述风电机组信息的虚拟风电机组模型、描述风速风向信息的风况模型、数据通信接口以及加载并运行以上模型的仿真主系统，其架构如图2。 一、虚拟风电机组模型 虚拟风电机组模型（如图3）通过使用FAST（Fatigue, Aerodynamics, Structures and Turbulence）搭建一个虚拟风电机组，该模型包含叶片、塔筒、齿箱、发电机、偏航及变流器等部件。FAST由美国可再生能源实验室（NREL）
基于柔性支撑的风机传动链动态特性研究
基于柔性支撑的风机传动链动态特性研究 张盛林;朱才朝;宋朝省;黄华清 【摘要】为了获得高空的风力资源，风力发电机组大多安装在100 m的塔架上，在变风向与变载荷等恶劣工况共同作用下，塔架的柔性使得风机传动链受力变形复杂，成为风机的薄弱环节。以三点支撑风电机组为研究对象，将塔架考虑成柔性体，利用有限元法提取支撑塔架三个支撑接合部处参数，建立基于柔性支撑风机传动链耦合动力学模型，得到传动链的固有特征。其第一阶次和第二阶次固有频率分别对应塔架的摆振和传动链的扭振，利用坎贝尔图得到传动链的潜在共振频率，通过计算模态能量，对潜在共振点进行识别，得出1．55 Hz为传动链的潜在共振频率。通过风场在线监测，跟踪风机主轴振动随转速的变化规律，实测风机传动链共振频率为1．56 Hz，理论计算结果与实验结果基本一致，误差约为1％。%In order to acquire wind energy in high sky,most of wind turbines are installed on 1 00-meter high towers.The flexibility of tower makes force,stress and deformation of wind turbine drive train become complex,and the wind turbines are always under direction-varying wind loads and harsh working conditions.So,the drive train becomes a weak link.A three-point supported wind turbine model installed on a flexible tower was analyzed,and the 3 supports’ parameters were extrac ted with the finite elements method,then the dynamic coupled model of the drive train with flexible supports was established.The natural characteristics of the model were studied.The first two order natural frequencies of the system respectively correspond ed to the tower’s swing and the drive train’s torsional vibration.Campbell diagram was used to get the potential resonance
风电场建模和仿真研究
风电场建模和仿真研究 一、本文概述 随着全球能源结构的转型和可再生能源的大力发展，风电作为一种清洁、可再生的能源形式，在全球范围内得到了广泛的关注和应用。风电场作为风电能源的主要载体，其运行效率、经济效益及安全性直接决定了风电产业的健康发展。因此，对风电场进行精确建模与仿真研究，对于提升风电场的设计水平、优化运行策略、预测和评估风电场的性能具有重要的理论价值和现实意义。 本文旨在全面系统地探讨风电场的建模与仿真技术，通过对风电场各个组成部分的深入分析，构建一个真实反映风电场运行特性的仿真模型。本文首先对风电场的基本原理和结构进行概述，介绍风电场的主要组成部分及其功能；接着，详细阐述风电场建模的关键技术，包括风力发电机组模型、风电场电气系统模型、风电场控制系统模型等；然后，介绍风电场仿真的基本流程和方法，包括数据收集、模型构建、仿真实验及结果分析等；结合具体案例，展示风电场建模与仿真技术在风电场设计、运行优化和性能评估中的应用。 通过本文的研究，希望能够为风电场的设计、运行和管理提供有益的参考和指导，推动风电产业的可持续发展。
二、风电场建模基础 风电场建模是研究风电能转换、风电系统运行及风电场优化布局的重要手段。建模的准确性直接关系到风电场运行的安全性和经济性。风电场建模主要基于风电机组的运行特性、风电场的布局、地形地貌、气象条件以及电网接入方式等因素。 在风电场建模过程中，首先需要对风电机组进行单机建模。这通常涉及风电机组的空气动力学特性、机械动力学特性、电气控制特性等方面的研究。其中，空气动力学特性主要研究风轮对风能的捕获能力，机械动力学特性关注风电机组在风载荷作用下的动态响应，而电气控制特性则关注风电机组的能量转换和并网控制。 除了单机建模外，风电场建模还需要考虑风电场的整体布局。风电场的布局直接影响到风能的分布、风电机组之间的相互干扰以及风电场的整体发电效率。因此，在建模过程中，需要综合考虑地形地貌、风向风速分布、湍流强度等因素，以确保风电场布局的合理性。 气象条件也是风电场建模中不可忽视的因素。风速、风向、温度、湿度等气象条件直接影响风电场的运行效果。因此，在建模过程中，需要引入气象模型，以模拟实际的气象条件，并评估其对风电场运行的影响。 电网接入方式也是风电场建模的重要组成部分。风电场与电网的