风力发电机滑动偏航系统载荷特性分析

风力发电机滑动偏航系统载荷特性分析

丛智慧;安利强;翟永杰;张家旗

【摘要】偏航控制过程中，滑动式偏航系统载荷特性是影响风力发电偏航系统安全可靠性的关键因素，现以2 MW风力发电机为研究对象，采用 IEC标准中 Von Kamman谱模拟湍流风，考虑重力载荷、气动载荷及惯性载荷的影响，建立风力发电机组模型，基于 Bladed 软件仿真风力发电机偏航时机组的动态特性，研究偏航时风况、偏航速度及偏航角度对滑动式偏航系统荷载的影响规律，为风力发电机的运行维护及改进设计提供依据。研究结果表明，偏航过程中同时变桨，变桨速率对偏航轴承的荷载有重要影响。湍流强度影响偏航轴承的疲劳和极端载荷的波动情况，偏航速度越大，偏航轴承处极限荷载越大。%In process of yaw control,load characteristic of gliding yaw system is a key factor affecting security and reliability of yaw system of wind power generation. Taking 2 MW wind power generator as a research object,using Von Kamman spectrum in IEC standard to simulate turbulence wind and considering affects of gravitational load,aerodynamic load and in-ertial load,a wind turbine generator model was established. Based on dynamic characteristic of the generator when using Bladed software simulating yaw of the wind power generator,affecting principles of wind regime,yaw velocity and yaw an-gle on load of gliding yaw system were studied which might provide references for running maintenance and improvement de-sign on the wind power generator. Research results indicates that variable pitch rate in process of yaw have an important af-fect on load of yaw bearing and turbulence intensity may affect fatigue of yaw bearing and fluctuation of

extreme load. In addition,extreme load of yaw bearing might be bigger when the yaw velocity is faster.

【期刊名称】《广东电力》

【年(卷),期】2015(000)002

【总页数】5页(P25-29)

【关键词】风力发电机;滑动式偏航系统;偏航轴承;载荷特性

【作者】丛智慧;安利强;翟永杰;张家旗

【作者单位】大唐赤峰新能源有限公司，内蒙古赤峰 024000;华北电力大学，河北保定 071003;华北电力大学，河北保定 071003;华北电力大学，河北保定071003

【正文语种】中文

【中图分类】TK83

偏航系统是风力发电机（以下简称“风机”）完成对风控制的核心部件，同时也是水平轴风机的重要承载部件。滑动式偏航系统由于承载力大，而且省去了滚动轴承式偏航系统的刹车和液压装置，并在大型风机开始采用，如Vestas 2 MW机组就采用了滑动式偏航系统。但是滑动轴承由于采用工程塑料产生自润滑效应，因此容易造成偏航齿圈与滑动块磨损，甚至由于滑动阻尼过大，造成偏航电机故障或者偏航减速机齿轮发生断齿现象。

近几年，国内外学者对风机偏航做了一定的研究，包括偏航气动性计算、偏航算法研究、偏航硬件设计、偏航系统结构动力学分析等。董江东［1］采用有限元数值仿真方法对多工况下偏航驱动减速机中的传动部分进行齿面接触静力学分析及齿面

接触动力学分析，结果表明摩擦系数增大后，在长时间反复作用下，会造成齿轮工作时振动增加、磨损加剧等现象，最后导致齿轮疲劳失效。余意［2］和周飞［3］采用有限元模型，分别对滑动轴承偏航齿圈的外齿和滚动轴承的外圈齿轮和滚动体进行静动特性分析。文献［4-5］采用数值方法对偏航驱动减速机的行星齿轮进行了动力学分析、疲劳分析以及箱体的模态分析，然后模拟了运转过程中齿轮接触力的变化。牛蔺楷［6］采用三种偏航轴承外载荷状况对其接触载荷分布进行计算，采用ABAQUS建立模型，结合线弹性接触力学对结果从应力和塑性应变两个方面进行讨论。王秀文［7］等用SIMPACK软件建立了偏航系统及整机动力学模型，仿真IEC规定中的阵风和湍流风两种工况，将两种工况的风向与偏航角度进行对比，研究偏航时桨距角变化，在时域上对比了两种工况下偏航运动对风机载荷的影响，在频域上分析偏航工况下的坎贝尔图以及对应的能量分布图，判定偏航过程中的潜在共振点是否为危险共振点。贾平［8］采用力学模型与经验公式两种方法计算偏航、变桨滚动轴承的最大接触载荷，并进行对比分析，验证偏航、变桨轴承力学模型求解载荷分布方法的正确性。

本文研究的2 MW风机为三叶片，上风向风机，风轮直径80 m，风机额定风

速12 m/s，额定转速18 r/min，功率控制方式采用变速变桨距。

1.1 叶片及塔筒模型

2 MW风机采用LM38.75叶片，建模时将叶片沿展向从叶根到叶尖划分为10

个叶素。塔筒高度60 m，底部直径4.02 m，厚度0.018 m，顶部直径2.31 m，厚度0.011 m。

1.2 控制系统模型

2 MW风机采用变速变桨功率控制方式，由发电机转矩控制器与统一变桨距控制器组成。风机在额定功率恒定区运行时，发电机转矩控制方式实现发电机转速升高、转矩降低的控制。统一变桨距控制方式，目的是调节发电机转速，采用桨距角比例