风电机组传动链机械暂态特性的建模与仿真方法
【专利摘要】一种风电机组传动链机械暂态特性的建模与仿真方法，该方法包括：（1）建立风电机组传动链三维模型。（2）将传动链三维模型导入到ANSYS和ADAMS中，建立传动链有限元模型和刚柔耦合模型。刚柔耦合模型考虑主轴、行星架、传动轴和输出轴的柔性。（3）建立风电机组模型并计算电网瞬时故障时传动链载荷，通过电压跌落发生器进行模拟电网故障。计算结束后提取传动链扭矩—时间历程。（4）将传动链扭矩—时间历程加载到ADAMS模型中，作为传动链机械暂态特性仿真的载荷边界条件，在ADAMS中实施电网瞬时故障时传动链扭转振动响应、应力等机械暂态特性的仿真分析，并进行传动链机械暂态特性的校核与评估。（5）选取传动链关键载荷点，在ANSYS中实施静态强度校核分析。
【专利说明】风电机组传动链机械暂态特性的建模与仿真方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种风电机组传动链在电网故障时机械暂态运行特性的建模与仿真方法。
【背景技术】
[0002]电网发生瞬时故障时，包括电压跌落、相位跳变等，并网风电机组暂态运行特性会对机组甚至风电场的安全稳定性产生严重影响。开展电网瞬时故障下并网风电机组的暂态特性的研究具有非常重要的意义。
[0003]对于双馈式变速恒频风电机组，双馈感应发电机定子直接与电网连接，电网电压瞬时跌落等故障会造成电机定子磁链的振荡，在电机定子端感应出过电压、过电流，造成电磁转矩突变与振荡。由于双馈式风电机组叶片轮毂与电机转子之间通过传动链进行连接，两者之间转动惯量相差较大；同时由于传动链刚度相对较低，齿轮箱中多组齿轮的啮合进一步加大了传动链的柔性。这使得来自风速的波动和电网故障的扰动一方面会导致传动链承受较大的不平衡扭矩，产生机械转矩的波动与振荡，激起传动链的共振。另一方面会导致传动链部件承受较大的扭切力冲击，并产生应变。从而加大传动链及其零部件的疲劳载荷，影响其长期使用寿命。在严重的情况下，巨大的扭矩可能导致传动轴出现裂纹，甚至出现断裂等严重故障问题。
[0004]近年来，针对电网故障对风电机组的影响问题，国内外已有相关研究，但主要是针对风力发电机电气部分暂态过程来进行的，研究内容也主要集中于电网瞬时故障时电力系统稳定性、电能质量等。所建立的仿真模型对机械传动链部分做了较大简化，多以两质量块或三质量块模型等效，即:将叶片轮毂等效为一个刚性质量块，将齿轮箱与发电机转子等效为一个或两个质量块，将连接这三者的低速轴与高速轴视为柔性轴。如刘思(刘思，田德，邓英等.双馈风力发电机组等效模型对机组暂态稳定性的影响[J].可再生能源2012,30(10):42-46.)等建立的传动链三质量块等效模型，对电网扰动情况下风电机组暂态稳定性进行了的仿真分析。Badrinath V.(Badrinath V.，D.Santos-Martinj H.Jensen.Voltage sag influence on fatigue life of the drivetrainof fixed speed wind turbines[J].ARPN Journal of Engineering and AppliedSciences.2011，6 (3): 106-115.)等建立了传动链三质量块模型，仿真分析了电压跌落故障对风电机组疲劳寿命的影响。这种建模和仿真方法对于研究电网瞬时故障时风电机组电气暂态特性是有效的，但无法对传动链的机械暂态特性进行定量、精确地分析。中国电力科学院(秦世耀，王莹莹，李庆等.风电机组低电压穿越特性联合仿真模型及其联合仿真方法.中国专利，201210279998.4.2012-12-12.)提出了基于Bladed和Matlab的风电机组低电压穿越特性联合仿真方法。中国专利，201110306473.0提出了一种包括Bladed单元，RTDS单元和PLC控制器的风电机组低电压穿越综合模拟系统。上述联合仿真模型都没有对机械传动链进行详细建模考虑，而是采用不同的简化模型替代。其仿真结果也不能有效获得传动链的机械暂态特性。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是克服现有技术无法深入研究风电机组传动链机械暂态特性的缺点，提出一种在电网瞬时故障情况下，风电机组传动链机械暂态特性的建模与仿真方法。本发明通过建立传动链的暂态动力学模型，并且基于协同仿真方法进行传动链在电网故障下的机械暂态特性仿真分析，从而能够定量、精确地分析电网瞬时故障对传动链的机械暂态影响，为传动链的设计优化及控制策略提供理论依据。
[0006]本发明采用如下技术方案:
[0007]首先建立传动链暂态动力学模型，其技术方案如下:
[0008]采用CAD软件Solidworks建立风电机组传动链三维模型。
[0009]进一步的，采用有限元软件ANSYS建立传动链有限元模型。同时采用ADAMS建立传动链刚柔耦合模型，其中考虑传动链刚性较低的部件如:主轴、行星架、齿轮轴和输出轴的弹性变形影响，将上述部件等效为柔性体。
[0010]其次建立风电机组整机模型，并进行电网瞬时故障时传动链的载荷计算，提取传动链扭矩一时间历程数据，即传动链扭矩随时间变化的离散数据。其技术方案如下:
[0011]采用美国NREL的开源程序FAST建立风电机组气动模型、传动链模型和塔架模型。在FAST初始输入文件中输入风机运行参数和基本几何参数，同时建立塔架文件、叶片文件、Aerodyn文件、ADAMS指定文件和控制系统文件。其中传动链模型采用简化质量块模型，传动链刚度通过对传动链模型进行有限元计算或者对传动链实体进行刚度测试获得。运行FAST初始输入文件生成风电机组气动模型，传动链模型和塔架模型。采用仿真工具Matlab/Simulink建立风电机组电气模型，建立的电气模型主要包含:变桨系统模型、发电机变流器系统模型和控制系统模型，同时建立跌落发生器模型。
[0012]进一步的,设定FAST和Simulink模型之间的交互变量,采用S-Function的方式建立动态链接，将FAST模型导入到Simulink模型中，从而生成风机整机模型。
[0013]进一步的,基于Simulink和FAST模型的联合仿真进行电网瞬时故障时传动链载荷联合仿真计算。仿真完成后将传动链载荷数据以txt的形式导出，形成传动链载荷文件。传动链载荷主要包括传动链主轴和输出轴上扭矩一时间历程。仿真工况主要包括:正常运行，电网故障和故障恢复状态，从而可实现电网故障期间和电网故障前后传动链暂态特性的对照分析。电网故障通过设置跌落发生器模型进行模拟。故障类型主要考虑电网电压跌落和相位跳变两种类型。故障深度主要考虑20%，30%, 50%, 75%四类深度。故障持续时间主要考虑 625ms, 900ms, 1200ms, 1700ms 四段时间。
[0014]最后进行电网瞬时故障下传动链机械暂态特性的仿真分析，其具体方法如下:
[0015]将提取出的传动链扭矩一时间历程数据以Spline函数的方式导入到ADAMS刚柔耦合模型中，并施加到传动链主轴相应位置上，并作为传动链暂态特性仿真分析的载荷边界条件。
[0016]进一步的，运行ADAMS动力学仿真，仿真结束后提取传动链部件的暂态振动响应，包括扭转角速度和角加速度，分别进行时域和频域分析，对照比较电网故障前后传动链部件的振动幅值和振动频率，评估其是否对部件造成损害和是否激起传动链的共振。提取传动链部件的应力、应变，分析电网瞬时故障前后传动链部件的应力变化，并对传动链部件进行强度校核和疲劳寿命预测。
[0017]进一步的，选取传动链关键载荷点，在ANSYS中进一步实施静态强度校核分析。关键载荷点主要考虑传动链载荷峰值点和齿轮轴应力峰值对应的载荷点。分别将传动链载荷峰值点和齿轮轴应力峰值对应的载荷点作为ANSYS静态仿真分析的载荷边界条件。运行静态仿真分析，仿真结束后提取仿真结果并进行分析，评估传动链部件的强度。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为电网瞬时故障下传动链机械暂态特性建模和仿真流程图；
[0019]图2为基于FAST和Simulink的风电机组整机联合仿真模型构架图。
【具体实施方式】:
[0020]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步说明。
[0021]图1为电网故障下传动链机械暂态特性建模和仿真流程图。
[0022]本发明所涉及到的建模与仿真方法主要分为三部分，首先建立传动链暂态动力学模型，包括:传动链有限元模型和刚柔耦合模型。其次，建立风机整机模型并进行电网瞬时故障时传动链载荷计算。仿真结束后提取传动链扭矩一时间历程。最后，将传动链扭矩一时间历程作为载荷边界条件，分别对传动链有限元模型和刚柔耦合模型进行暂态特性仿真，并对仿真结果进行评估。本发明实施步骤如下:
[0023]( I)首先，采用CAD软件建立传动链三维模型:考虑到三维模型在客观反映传动链暂态特性的同时不影响后续仿真速度，因此对三维模型进行适当简化，建立的传动链部件主要包括:主轴、齿轮系统和输出轴，其中齿轮系统主要包括:各级齿轮、行星架和齿轮轴。忽略暂态特性影响不明显的传动链部件的建模，如:齿轮箱体和销轴部件。将传动链部件按照精确的定位关系装配成传动链整机三维模型。
[0024]采用有限元软件ANSYS建立传动链有限元模型。将传动链三维模型导入有限元软件ANSYS中，定义模型材料属性并对模型进行有限元网格划分。其中，齿轮啮合区域的网格需要细化，而其他部件的网格不宜过细，否则会影响后续仿真速度。网格划分结束后，对齿轮啮合部位和部件接触部位定义接触对，探究齿轮啮合应力和部件接触应力的暂态影响。
[0025]建立传动链刚柔耦合模型。将传动链三维模型导入到多体动力学软件ADAMS中。定义模型的材料属性。考虑传动链刚性较低的部件如:主轴、行星架、齿轮轴和输出轴的弹性变形对传动链暂态特性的影响，将上述部件等效为柔性体，分别在有限元软件中进行子结构分析，提取各部件的主要模态并通过模态中性文件导入到ADAMS中替换之前的刚性体部件，形成传动链刚柔耦合模型。为便于在ADAMS中对柔性部件施加载荷和运动副约束，在进行子结构分析时，需要将载荷和运动副施加面上的节点绑定到中间节点上，并通过中间节点施加相关载荷和运动副约束。
[0026](2)在上一步骤的基础上建立风机整机模型。采用美国NREL的开源程序FAST建立风电机组气动模型、传动链模型和塔架模型。在FAST初始输入文件中输入风机运行参数和基本几何参数，同时建立塔架文件、叶片文件、Aerodyn文件、ADAMS指定文件和控制系统文件。其中传动链模型采用简化质量块模型，传动链刚度通过对传动链模型进行有限元计算或者对传动链实体进行刚度测试获得。本发明采用有限元计算，其具体技术方案是:设定传动链主轴初始位置，对该位置处传动链有限元模型进行全约束，在主轴受载面上施加50Nm的扭矩，运行静态仿真。仿真结束后，读取主轴受载面上的最大变形量，计算扭转刚度。将传动链主轴顺时针旋转一个角度，再次进行刚度计算。重复上述过程获得传动链在一个旋转周期内多组扭转刚度值，对所有数据取平均获得传动链平均扭转刚度值，并作为最终参数。
[0027]采用仿真工具Matlab/Simulink建立风电机组电气模型，建立的电气模型主要包含:变桨系统模型、发电机变流器系统模型和控制系统模型，同时建立跌落发生器模型。其中，变桨系统模型以一阶惯性环节等效。发动机模型能够反映转子磁链的暂态特性。变流器模型包括机测变流器模型和网侧变流器模型，并分别以电压源和电流源等效。控制系统依据实际控制策略进行建模，包括最大功率跟踪、恒功率运行控制、有功和无功功率调节、桨距控制以及与低电压穿越相关的控制模块。跌落发生器模型采用电抗器分压式产生电网电压跌落，可设置电网跌落深度和跌落类型。
[0028]设定Simulink模型和FAST模型之间的交互变量，采用S-Function的方式建立动态链接，将FAST模型导入到Simulink模型中，从而生成风机整机模型。图2是基于FAST和Simulink的风电机组联合仿真模型构架图,FAST模型和Simulink模型之间的交互变量包括桨距角、风力机角速度、输出轴角速度和电磁转矩。其中，FAST模型将每一仿真步长内计算获得的输出轴角速度实时传递给Simulink模型中发电机变流器模块，同时将风力机角速度实时传递给保护模块和控制系统模型。电气模型将仿真得到的电磁转矩和浆距角实时反馈回FAST模型，进行下一仿真步长的计算。
[0029]进行电网瞬时故障时传动链载荷联合仿真计算。基于Simulink环境进行Simulink和FAST模型的联合仿真，仿真完成后将传动链载荷数据以txt的形式出来，形成传动链载荷文件。传动链载荷主要包括传动链主轴和输出轴上扭矩一时间历程，即传动链扭矩随时间变化的离散数据。仿真工况主要包括:正常运行，电网故障和故障恢复状态，从而可实现电网故障期间和电网故障前后传动链暂态特性的对照分析。电网故障通过设置跌落发生器模型进行模拟。故障类型主要考虑电网电压跌落和相位跳变两种类型。故障深度主要考虑20%，30%, 50%, 75%四类深度。故障持续时间主要考虑625ms, 900ms, 1200ms, 1700ms 四段时间。
[0030](3)进行电网瞬时故障下传动链机械暂态特性的仿真分析。将上一步获得的传动链扭矩一时间历程数据以创建Spline的形式导入到ADAMS传动链刚柔耦合模型中，并通过调用Spline函数的方法将载荷数据添加到传动链模型主轴和输出轴的Marker点上。运行ADAMS动力学仿真，仿真结束后提取传动链部件的暂态振动响应，包括扭转角速度和角加速度，分别进行时域和频域分析，对照比较电网故障前后传动链部件的振动幅值和振动频率，评估其是否对部件造成损害和是否激起传动链的共振。提取传动链部件的应力、应变，分析电网瞬时故障前后传动链部件的应力变化，并对传动链部件进行强度校核和疲劳寿命预测。
[0031]基于上一步仿真结果，选取传动链关键载荷点，在ANSYS中进一步实施静态强度校核分析。关键载荷点主要考虑传动链载荷峰值点和齿轮轴应力峰值对应的载荷点，其中传动链载荷峰值点可能会导致传动链部件产生断裂，齿轮轴应力峰值可能导致齿轮啮合应力的增加从而破坏轮齿。传动链载荷峰值点通过传动链载荷一时间历程文件进行选取，重点针对电网瞬时故障过程中输出轴电磁转矩波动峰值进行选取。齿轮轴应力峰值通过ADAMS应力仿真结果进行选取，并从载荷一时间历程文件中对应选取出应力峰值时刻的传动链载荷。分别将传动链载荷峰值点和齿轮轴应力峰值对应的载荷点作为ANSYS静态仿真分析的载荷边界条件。运行静态仿真分析，仿真结束后提取仿真结果并进行分析，评估传动链部件的强度。
【权利要求】
1.一种风电机组传动链机械暂态特性的建模与仿真方法，其特征在于:所述的建模与仿真方法为:首先建立传动链暂态动力学模型；其次建立风电机组整机模型并进行电网瞬时故障时传动链的载荷计算；再实施电网瞬时故障时传动链机械暂态特性的仿真分析，并对仿真结果进行评估。
2.按照权利要求1所述的风电机组传动链机械暂态特性的建模与仿真方法，其特征在于:所述的建立传动链暂态动力学模型的方法是: (1)采用CAD软件建立传动链三维模型，该传动链三维模型是关于暂态特性影响较为明显的传动链部件:主轴、齿轮系统和输出轴的三维模型，并装配成传动链模型； (2)建立传动链有限元模型，将步骤(1)得到的传动链三维模型导入有限元软件ANSYS中，对传动链三维模型划分有限元网格，形成传动链有限元模型； (3)建立传动链刚柔耦合模型，将传动链三维模型导入多体动力学软件ADAMS中，将刚性较低的部件:主轴、行星架、齿轮轴和输出轴等效为柔性体，将其他部件如:齿轮、销轴等效为刚性体，形成传动链刚柔耦合模型。
3.按照权利要求1所述的风电机组传动链机械暂态特性的建模与仿真方法，其特征在于:所述的建立风电机组整机模型的方法是: 采用美国NREL的开源程序FAST软件建立风电机组气动模型、传动链模型和塔架模型；在FAST初始输入文件中输入风机运行参数和基本几何参数，同时建立塔架文件、叶片文件、Aerodyn文件、ADAMS指定文件和控制系统文件；其中传动链模型采用简化质量块模型，传动链刚度通过对传动链模型进行有限元计算或者对传动链实体进行刚度测试获得；运行FAST初始输入文件生成风电机组气动模型，传动链模型和塔架模型； 采用仿真工具Matlab/Simulink建立风电机组电气模型,所述的风电机组电气模型主要包含:变桨系统模型、发电机变流器系统模型和控制系统模型；同时建立跌落发生器模型； 设定FAST和Simulink模型之间的交互变量，采用S-Function的方式建立动态链接，将FAST模型导入到Simulink模型中，生成风机整机模型。
4.按照权利要求1所述的风电机组传动链机械暂态特性的建模与仿真方法，其特征在于:所述的电网瞬时故障时传动链的载荷计算方法如下: 基于Simulink和FAST模型的联合仿真进行电网瞬时故障时传动链载荷联合仿真计算；仿真完成后将传动链载荷数据形成传动链载荷文件；传动链载荷主要包括传动链主轴和输出轴上扭矩一时间历程，即传动链扭矩随时间变化的离散数据；仿真工况设定为:正常运行，电网故障和故障恢复状态；电网故障通过设置跌落发生器模型进行模拟；故障类型主要考虑电网电压跌落和相位跳变两种，故障深度主要考虑20%, 30%, 50%, 75%四类，故障持续时间主要考虑625ms, 900ms, 1200ms, 1700ms四段。
5.按照权利要求1所述的风电机组传动链机械暂态特性的建模与仿真方法，其特征在于:所述实施电网瞬时故障时传动链机械暂态特性的仿真分析的方法为: 将所述步骤(3)提取的传动链扭矩一时间历程数据导入传动链ADAMS传动链刚柔耦合模型中，并将传动链扭矩一时间历程数据添加到输入轴和输出轴的Marker点上，作为传动链机械暂态特性分析的载荷边界条件；运行动力学仿真，仿真结束后提取传动链部件的暂态振动响应，包括扭转角速度和角加速度，分别进行时域和频域分析，对照比较电网故障前后传动链部件的振动幅值和振动频率，评估其是否对部件造成损害和是否激起传动链的共振；提取传动链部件的应力、应变，分析电网瞬时故障前后传动链部件的应力变化，并对传动链部件进行强度校核和疲劳寿命预测； 进一步选取传动链关键载荷点，在ANSYS中实施静态强度校核分析；关键载荷点主要考虑传动链载荷峰值点 和齿轮轴应力峰值对应的载荷点；分别将传动链载荷峰值点和齿轮轴应力峰值对应的载荷点作为ANSYS静态仿真分析的载荷边界条件；运行静态仿真分析，仿真结束后提取仿真结果并进行分析，评估传动链部件的强度。
【文档编号】G06F17/50GK103745070SQ201410041026
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2014年1月28日 优先权日:2014年1月28日
【发明者】宋斌, 胡书举 申请人:中国科学院电工研究所