基于SIMPACK的风力发电机组偏航系统动力学建模及应用

基于SIMPACK的风力发电机组偏航系统动力学建模及应用

张荆

（中国大唐集团科技工程有限公司北京100097）

摘要：偏航系统作为现代风力发电机组的重要组成部分，其故障对机组运行的安全性、经济性有严重影响。本文以多体动力学为理论基础，依据风电机组偏航系统的拓扑关系在多体动力学仿真分析软件SIMPACK中进行了动力学建模。针对不同的塔筒扭转刚度等因素对偏航系统动力学模型进行了仿真计算，并对结果进行了相应的分析。

关键词：偏航系统；多体动力学；SIMPACK

Abstract:Yawsystemisanimportantpartofmodernwindturbine,itsfailurehasaseriousimpactonthesafetyandeconomyoftheoperationoftheunit.Basedonthetheoryofmulti-bodydynamics,thedynamicmodelofwindturbineyawsystemisbuiltinSIMPACK.Thedynamicmodelofyawsystemissimulatedandcalculatedaccordingtodifferenthydraulicpressureofcalipersandtorsionalstiffnessoftowerbarrel.

Keywords:yawsystem,multibodydynamics,SIMPACK

1引言

SIMPACK是一款基于多体动力学理论的计算分析软件，1985年INTECGmbh公司在德国航天局(DLR)的推动下开发完成。SIMPACK采用了相对坐标的递归算法，使得它能够对动力学方程进行进一步简化。这使得它在计算速度上与其他动力学仿真分析软件相比具有相当大的优势。[1]

风力发电技术在我国的开展已有近20年，经10年的快速发展，目前已经进入平稳期。根据中国可再生能源学会风能专业委员会(ChineseWindEnergyAssociation)发布的《2016年中国风电装机容量统计》，2016年，全国(除台湾地区外)新增装机容量2337万千瓦，同比下降24%;累计装机容量达到1.69亿千瓦[2]。尽管我国风力发电技术已经有了长足进步，但与国外相比依然有着相当大的差距。国内企业在对外引进技术的过程中，难以进行很好的吸收内化，对相关核心技术掌握不足。另一方面，对创新研发和质量控制等方面不够重视。这使得近些年风电事故量有所上升。根据已有的数据，从风电机组不同部件的故障量和故障停机时间来看，偏航系统故障对机组运行的安全性、经济性带来了相当大的影响。为了预防风电事故的发生并在设计、制造过程中提供理论依据，需要应用动力学仿真分析软件对风电机组偏航系统进行建模分析。

2偏航系统动力学建模

根据某型号风电机组偏航系统的结构，经过分析，对其进行简化建模:

1.回转支承、驱动齿轮、制动盘等具有高刚度的部件，在建模过程中按照刚体处理；

2.将回转支承内外圈间的轴承作用简化为一个转动副；

3.由于机组机架与偏航驱动间由高强度螺栓相互连接，在建模时忽略螺栓变形产生的影响；

4.机组机架与机舱视为一个刚体；

5.忽略偏航驱动减速器中的行星轮系间的相互作用，根据参数对偏航驱动电机输出的转矩进行等效计算；

6.通过具有相应刚度的弹簧力元描述塔筒对偏航系统与地面间的作用。

按照上述简化方式及机组各部件间的实际连接关系，对某型号风电机组的偏航系统进行动力学建模。

2.1建立物体并施加约束

在SIMPACK建立代表各个部件的物体并导入相应的三维实体模型。根据参数赋予各部件的质量、转动惯量。

由于此时模型中的各部件间尚不存在相互作用，需要根据偏航系统中实际部件间的连接与载荷传递关系，在模型中施加约束。为了清晰展现系统的结构，建立两个虚物体表示塔筒顶端与底部。虚物体没有质量和转动惯量，不会对动力学分析的结果产生影响。[3]

在实际工程建设时，机组塔筒与地面的连接刚度较高，对偏航系统的影响较小，此次研究不做重点考虑，所以将塔底虚物体与地面设置为完全约束。塔底虚物体与塔顶虚物体间将Z方向上的平动和转动两个自由度进行约束。机组塔筒顶端与制动盘、偏航轴承内圈连接强度较高，在建模过程中设置为完全约束。偏航轴承的外圈与机架间、机舱间由固定副进行连接。驱动机组机舱结构进行回转运动的偏航驱动器由高强度螺栓固定于机架之上，建模时应将二者用固定副相互连接。

2.2施加力元

2.2.1齿轮力元

225号力元是SIMPACK中的齿轮副专用力元。通过输入齿数、模数、压力角等相关参数，SIMPACK可以自动生成齿轮实体，并与该力元配套使用。在添加225号力元时只需选择组成齿轮副的一对齿轮实体，并输入其杨氏模量、泊松比等参数，就能完成对齿轮副的模拟。回转支承内齿圈与四个驱动齿轮所形成的四个齿轮副都采用225号齿轮力元进行模拟。

2.2.2塔筒等效力元

塔筒刚度对机组振动的影响有着重要影响。在建模过程中，以43号衬套力元对塔筒进行等效。衬套力元可以理解为一个六分量的弹簧结构，通过赋予其X、Y轴方向上的平动和转动刚度，起到对塔筒作用模拟的作用。

2.2.3驱动力元

根据三相异步电动机的极对数p、额定功率PN、额定转速nN、过载能力KT，可得到其机械特性，即转速n与转矩T间的关系式n=f(T)。[4]

根据公式及驱动电机、偏航减速器的具体参数，在SIMPACK中建立与转速相关的驱动力矩函数。然后在偏航驱动的输出轴上添加0号力元，力元通过读取当前输出轴转速，输出转速n与转矩T间的关系式n=f(T)函数中对应的力矩。

图3-1不同扭转刚度下机舱质心X方向位移

3偏航系统动力学模型的振动分析及仿真

由于机组承受的外载和内力都必须经塔筒传导至地面，所以其扭转刚度会对机组的扭转振动响应特性产生重要影响。在动力学建模时通过在塔顶虚物体与塔底虚物体之间施加衬套力元以模拟塔筒扭转刚度的影响，并选取不同扭转刚度进行仿真计算[5]，并得到不同扭转刚度下机舱质心处X、Y方向的位移和角位移变化曲线，以分析塔筒扭转刚度变化对机组振动产生的影响。

图3-2不同扭转刚度下机舱质心X方向角位移

对以上位移、角位移的变化曲线分析可以推知，当塔筒的扭转刚度k的值逐渐增大时，风电机组的在偏航动作时产生振动现象就越来越不显著，若k值增至无穷大时扭转衬套在机组偏航过程中不发生弹性形变，整个过程中塔筒不发生能量的储存和释放，塔筒和偏航系统间的连接就可以视为刚性连接。这样机组的偏航动作就不会导致塔筒与机舱的振动问题。由此可知，塔筒的扭转刚度的提高可以削弱机组因偏航启动而导致的振荡现象，改善风电机组的振动问题。

4结论

1)以动力学仿真分析软件SIMPACK为技术平台，对风电机组偏航系统进行了动力学建模，较好的还原了风电机组的真实工作情况。

2)分析发现，扭转刚度k的值越高，机组因偏航启动导致的振荡现象越不明显，提高塔筒的扭转刚度可以改善风电机组的振动问题。但塔筒的扭转刚度收到结构、材料等因素的限制。因此在设计制造过程中需要综合考虑相关因素，确定风电机塔筒的各项参数。

参考文献

[1]傅秀通.专家级动力学分析软件-SIMPACK.CAD/CAM与制造业信息化,2004(3):69-70.

[2]徐涛.2016中国风电装机容量统计[C].风能产业,2017.

[3]缪炳荣,方向华,傅秀通.SIMPACK动力学分析基础教程，成都:西南交通大学出版社.2008.

[4]秦曾煌.电工学第七版上册电工技术[M].高等教育出版社,2009.

[5]蔡继峰,王丹丹,符鹏程等.风电机组仿真塔架阻尼比的选取研究[J].风能,2013.