泵与风机仿真研究

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1、泵与风机的仿真研究风机的仿真研究1引言随着国际、国内社会对环境关注程度的不断提高，风力发电越来越受到各国的重视。近年来，风力发电技术得到迅猛发展，兆瓦级变速恒频风力发电机组已成为当今国际社会风力发电机组的主流产品，变桨距控制也已广泛应用于大型风力机。电动变桨系统响应快,不存在液压变桨漏汕问题，受到各风电厂商的青睐。采用电动变桨系统需要调试张动器和变桨控制器的控制参数，传统的变桨系统控制参数调试是在风场完成。风机现场调试控制参数受风场环境、安全因索等诸多影响，而且不利于风机的安全。利用仿真技术完成变浆系统的控制参数设计，不受风场环境限制，并可提高变桨系统的稳定性，

2、延长风机使用寿命。国外对风机变桨技术研究早，已有一定研究成果［1］［2］,国内在这方面的研究还比鮫少。本文在对文献［1］中惯性负载、升力扰动详细分析基础上，结合国内风机叶型现状分析重力负载影响，并完善文献［1］中气动负载扰动分析，实现变桨系统扰动负载的数值仿真。基于变桨系统数V建模、扰动分析和直流电动变桨系统控制结构完成变桨系统的计算机建模并搭建变桨系统仿真平台，通过对变桨系统进行仿真得出满意的控制参数范围，仿真结果可指导实际风机变桨系统控制参数调试。2风机变桨系统仿真平台风机变桨系统仿真平台rti变桨系统和工况模拟系统组成。如图I所示，变桨系统包括变桨控制器、

3、变桨驱动器和变桨电机，通过编码器反馈实现对变桨电机的速度和位置控制；工况模拟系统包括工况模拟控制器(PLC)、交流带载电机、驱动器、变流器。为使工况模拟系统接近实际变桨系统工况，选取与计算出的变桨系统折算至变桨电机轴侧惯量接近的交流伺服电机，将交流电机设置为力矩控制模式，通过PLC控制其力矩大小。仿真时交流带载电机通过联轴器与变桨电机联接并被变桨电机拖动进入发电状态，所发电量通过变流器回馈电网。变桨系统和工况模拟系统通过Profibus进行通倍，利用IEC61131-3编程语言完成变桨控制软件和工况模拟软件。由风机变桨系统的数学模型、扰动力矩分析和计算机模型指导

4、变桨系统仿真平台的搭建。圏丨变莱粟烷仿真丰台堵构匿3风机变桨系统数学模型典型的风力机电动变桨系统由变桨控制器、变桨电机、传动系统、风机桨叶构成。根据变桨电机、传动系统和风机桨叶的力矩平衡关系，得到变桨系统数学模型：J(13dt+b3+Td=TM(1)其中:J=JB+JM+JTTd=Ta+Tg+Ti+T{f式(1)中J表示折算到电机轴的变桨系统转动惯量，包括变桨电机的转动惯量JM,折算后传动系统的转动惯量JT,折算后风机桨叶的转动惯量JB;⑴表示变桨电机转速;b表示与变桨转速侑关的阻尼系数;Td表示折算至电机轴的变桨系统的扰动力矩，包括折算后的气动负载Ta、重力负

5、载Tg、惯性负载Ti、摩擦负载Tf扰动力矩;TM表示变桨电机的输出力矩。4变桨系统扰动负载分析根据风力机变桨系统的空气动力学和运动学分析，将变桨系统的扰动力矩分为4类：气动负载、重力负载、惯性负载、摩擦负载。文献［1］对变桨系统造成扰动的离心力、升力、空气阻尼进行了分析，将其分别归类为惯性负载和气动负载。4.1气动负载风力机是一种从风中吸取能量的装置，现代风力机全都采用风力机叶片的升力來带动叶轮转动［3］,风力机的风能转换系统，变桨系统都与空气动力有紧密的关系。如图2所示，V0为原始风速，a为反映风速轴向变化的轴向诱导因子，/为反映风速切向变化的切向诱导因了，Q

6、为风伦转速，Vrel为入流风速，a为攻角，［3为桨矩角，2为入流角，L为升力，D为阻力。阻力与弦的夹角为a,升力与阻丿J垂直。升力在弦的法向分力LN大小为Lcos(a),阻力在弦的法向分力DN人小为Dsin(a)o升力、阳•力在弦的法向上的分力将会对变桨产生影响。oniu)[7zWWTBI■图2叶片戡;面气动负载示意图Mlift=/RR0P2Vrcl2cClcos(a)addx=ZP2Vrel2cClcos(a)adAr(2)Mdrag=fRROP2Vrel2cCdsin(Q)addx=EP2Vrel2cCdsin(a)adAr(3)上式表示升力、阻力对变桨系统

7、产牛的扰动力矩，其中P表示空气密度，c表示弦长，C1表示攻角对应的升力系数，Cd表示攻角对应的阻力系数，ad表示升力作用点沿弦长到变桨轴的距离，R0表示叶根距风轮旋转中心的距离，R表示叶尖距风轮旋转中心的距离。气动负载扰动力矩可表示＞V：Ma=Mlift+Mdrag(4)4.2重力负载实际风力机桨叶的重心并不在变桨轴上，这样风伦旋转时由于风力机的3片桨叶在空屮所处位置不同，3片桨叶的重力对3台变桨电机造成的扰动力矩也不同。变桨系统所受的重力负载与桨叶随风轮旋转所处的位置有关。如图3所示，设坐标系(X,Y,Z)位于机舱，不旋转，Z轴竖直向上，Y轴指向机舱尾部，X轴

8、与Y、Z轴垂直；处标系(