基于二次參數化技術的風電機組序列化建模

高青風， 孫振興， 滕 偉， 柳亦兵

（華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京 102206）

風電作為可再生綠色環保型清潔能源，是改善能源結構、應對氣候變化和能源安全問題的主要替代能源之一。我國風電產業已進入規模化發展的階段，但核心設計制造技術水平和自主創新能力還比較低下[1]，且設計周期較長、冗余工作量大。原因之一風電機組龐大而復雜，模型構建和使用等基礎技術不完善，而目前關于風電機組的建模多集中在物理和功能方面[2-5]，急需有效的解決方法。

風電機組序列化明顯，即同一種結構的機組，各零部件采用相應的幾何尺寸可獲得一定功率范圍（如現在的主流功率范圍1MW～5MW）內不同額定功率的多臺機組。如對同一序列機組中所有型號均進行建模并使用，不但會造成大量信息冗余、存儲空間浪費；而且一旦結構改進，需修正所有模型，重復工作量大、錯誤風險率高。論文基于二次參數化技術將風電機組序列作為整體進行建模能有效解決這些問題，并研發了相應的建模系統，從模型新建、修改等方面驗證了序列化建模的正確性與合理性。

1 風電機組全參數化建模

單臺風電機組全參數化模型是風電機組序列化建模的基礎。全參數化模型即建模對象所有相關信息均用參數表示而形成的模型，隨功能的不同而有所不同。風電機組全參數化模型主要包含各零部件的幾何信息（含約束）和運動信息，并通過層次模型和數學模型逐步得到。

1.1 風電機組層次模型

建立層次模型是對一個復雜系統進行分解、簡化的有效方法。風電機組作為系統層根據外部結構可以分為基礎、塔架、機艙、風輪、其他子系統等5個子系統；風輪子系統依據功能不同可以分為葉片、輪轂、變槳系統、連接件、其他部件等5個部件；部件層可以繼續分解為組件層，直至最后的屬性層，如圖1所示，即可得結構明了、描述方便的風電機組層次模型。

圖1 風電機組層次模型

1.2 風電機組數學模型

層次模型中的幾何屬性描述部件的形狀、位置和擺放方向，運動屬性描述其運行性質、方向和大小；確定葉片、輪轂、塔架等零部件的幾何屬性與運動屬性后，將它們按一定規則組合起來就成了所要描述的系統，其數學模型可以由式(1)表示

式中：S——風電機組系統；G——幾何屬性；V——運動屬性；

i——組件序號；n——組件個數；∑——元件有機組合規則；

F——形狀屬性；D——擺放方向屬性；P——位置屬性；

K——運動類型；A——運動方向屬性；N——速度大小屬性。

將幾何屬性F、D、P繼續數字化可得幾何屬性的數學模型見式(2)

式中：f1、f2、f3——形狀尺寸；

x、y、z——沿X、Y、Z軸位置；

θ、φ、ψ——與X、Y、Z軸的夾角。

將運動屬性K、A、N繼續數字化，即將宏觀物體運動進行分解為平動、轉動，并將這兩種運動繼續分解成運動方向和大小的組合，可得到運動屬性的數學模型如式(3)所示

式中：Md——平動方向參數；Mn——平動大小參數；

Rd——轉動方向參數；Rn——轉動大小參數；

α、β、γ——沿X、Y、Z軸方向；δ、λ、ω——繞X、Y、Z軸方向；

u、v、w——平動或轉動速度大小。

將式(2)和式(3)代入式(1)可得風電機組完整數學模型如式(4)所示

1.3 風電機組全參數化模型

由層次模型和數學模型可知，明確風電機組所有零件f1、f2、f3、θ、φ、ψ、α、β、γ、δ、λ、ω等參數及其相互位置和運動關系即可得風電機組全參數化模型。

以風電機組塔架與機艙連接面中心為坐標原點、垂直向下方向為X軸、水平指向輪轂方向為Z軸建立笛卡爾坐標系，則幾何屬性方面，各零部件位置、尺寸和方向可以確定；運動屬性方面，滾動、平動還是混合運動也可以確定。為節省篇幅，僅以風電機組重要部件變槳軸承為例，全參數化后可得如圖2所示模型，其中左邊部分為幾何屬性，右邊部分為運動屬性。

圖2 風電機組變槳軸承全參數化模型

2 二次參數化技術研究

所謂二次參數化方法就是在原有參數模型的基礎上，根據需要僅保留模型操作和修改時一定會發生變化的參數、并設置為用戶所熟悉的名稱以簡化模型的方法。可有效降低模型參數操作數量和用戶使用難度。

2.1 二次參數化的必要性

全參數化模型中有些參數，如果齒輪的模數、軸承的內徑等，可能隨載荷的增加而增大；而有些參數，如六角螺母兩側面夾角、某對齒輪的傳動比，還有絕大多數約束關系等，在模型操作和修改過程中均不會發生變化，故可以將其忽略而形成更簡單的參數模型。

同時，任何三維造型軟件對其中的三維模型所有參數均有一套自己的命名方法，但無論那種命名方法，均與國家標準、行業標準、日常名稱等無法聯系起來，如SolidEdge中某圓柱體直徑被命名為“V715”，與我們熟悉的“D”相差甚遠。故應根據需要將上面簡化后的參數模型中部分或全部參數名改成日常使用、意義明確的名字，便于對模型的操作和修改。

風電機組結構復雜，零部件數量眾多，且非標準件數量占相當比例，全參數化模型非常龐大，使用和修改困難，必須進行簡化。

2.2 二次參數化實現方法

由前文中全參數化模型可知，所有參數最終分為幾何參數和運動參數兩大部分，其中幾何參數，含約束關系，均由三維模型攜帶；而運動參數，一般在幾何參數上經用戶定義，存儲在數據庫中。

2.2.1 幾何參數的二次參數化

為保證零件和裝配體信息的完整性，現常用三維造型軟件代替二維繪圖軟件進行幾何造型，形狀、尺寸和相互之間的約束均在造型時形成并存儲在模型信息中。其中形狀和約束在進行序列化設計時一般不會修改，尺寸參數也不是所有的都需要修改，如絕大多數角度、比例參數，故對于幾何參數的二次參數化集中在部分尺寸參數上即可。

具體方法主要借助造型軟件中的“參數列表”或“屬性列表”，通過選擇性輸出和重命名可以完成模型的二次參數化。以SolidEdge軟件中國家機械行業推薦標準（JB/T10705-2007[6]）零件“風電機組變槳軸承”為例，其參數列表及二次參數化結果如圖3所示。

圖3 變槳軸承參數列表及二次參數化示例

某尺寸參數是否成為二次參數模型的成員由“Expose”列是否被選中決定；而參數名稱可以在“Name”列直接修改，也可以直接新建參數后在“Formula”列輸入公式建立和原有參數的關系，直觀簡便。

2.2.2 運動參數二次參數化

運動信息無法在三維模型中直接體現，需由模型設計者指定某零件在機器中可能的運動性質和方向，如圖2中所示的變槳軸承，相對于輪轂，其外圈沒有運動，內圈只能繞軸線轉動，滾動體則即有可能繞軸線轉動也可能在滾道里滑動；至于速度大小則由實際運行時決定，定義相關參數即可。

這些運動參數，從模型設計者的角度，可以在構建數據庫時主動選擇必須的參數并命名，或經對三維造型軟件二次開發通過界面選擇并命名參數后由程序自動建立和維護相關數據庫；從模型使用者的角度，可以通過人機交互形式進行選擇和重命名，均可實現運動參數的二次參數化。

3 風電機組序列化建模

單臺機組的全參數模型經過二次參數化后，需對各參數進行序列化處理得到風電機組序列化模型，該模型能代表和生成該序列風電機組所有型號的模型。

3.1 建模流程

序列化建模整體流程如圖4所示。需先對單臺機組建立層次模型，依據數學模型建立其全參數化模型；然后利用二次參數化技術建立二次參數化模型，并對該模型中所有參數根據實際需求進行序列化；最后為保證通過修改參數值生成新的三維模型時參數不至于相互矛盾，需確定相互間有關聯參數的修改順序，最終得到序列化模型。

圖4 風電機組序列化建模流程

如果不能正常生成新的模型，則需要檢查模型的正確性，如關聯參數的順序是否正確、參數序列化是否完整、二次參數化模型是否完整等，并返回相應階段進行修改。其中關聯參數的修改順序主要和實際使用軟件有關，在此不做闡述。

3.2 模型參數序列化

序列化建模及模型管理的核心在于利用不同的參數序列構建不同的實際模型。故經過上述過程確定參數后，需進一步確定各參數的序列化值，由如下兩步可得：

1）以二次參數化模型中各參數名稱為列標題建立二維數據表，一般可通過人工手動或軟件自動完成；

2）確定各參數序列值，并填入數據表中。對于國家標準、行業標準和企業標準零件，系列值均已知，從標準中選擇與列標題對應的值填入即可；對于非標準件，需根據實際需求建立序列值并輸入。

以風電機組中標準變槳軸承為例，其模型參數根據圖3所示風電軸承國家機械行業標準序列化后二維數據表如圖5所示。其中InGear表示內齒式軸承、D表示軸承外徑、T表示軸承寬度等。

圖5 風電機組變槳軸承參數序列化數據表

4 序列化建模系統研發與應用

對風電機組某個序列來講，序列化建模一旦完成即為該序列中所有機組均建立了相應的模型，整體建模效率非常高；但從圖4建模流程可知，該過程如完全由人工手動完成將耗費不少時間，需借助建模系統。課題組利用Visual C++對某三維造型軟件進行二次開發，實現對風電機組序列化建模原型系統。

4.1 系統構架

系統的使用過程實際上是用戶輸入基本信息和需求信息，然后獲得所需要的結果信息的過程，經歷了信息界面輸入、功能模塊信息處理、數據庫讀寫、提取所需輸出信息、結果信息界面顯示等5個步驟，具體構架如圖6所示。

圖6 風電機組序列化建模系統構架

其中“參數驅動”模塊是指在三維造型軟件中，根據參數序列化庫中相應的數值對三維模型參數值進行更改從而實現模型修改或新模型生成的功能。

4.2 應用實例

風電機組龐大且外形相近，序列化顯示效果不明顯，故在此選擇圖5所示變槳軸承為例。系統現有一個500kW風電機組上用的標準變槳單排四點接觸球軸承二次參數化模型，其三維幾何信息如圖7(a)所示；如要生成一個同序列2MW標準變槳軸承，通過簡單界面操作即可自動生成如圖7(b)所示的初步設計模型。

5 結 論

從風電機組序列化建模研究、系統實現和實例應用可知：

1）研究提出的二次參數化技術可有效減少風電機組模型中需操作的參數量、提高模型友好性，降低了用戶使用難度，也為風電機組序列化建模奠定了基礎；

2）風電機組序列化建模方法可提供高效的模型管理，以該技術為核心的建模系統可快速完成同序列新風電機組的初步設計，設計效率高、錯誤率低、冗余工作量小，為風電機組模型建立和管理提供了一個有效的解決方案。

圖7 標準變槳軸承序列化建模應用實例

[1]劉 江.“風電”疾速擴張，國家目標提前兩年完成[J]. 中國經濟周刊, 2008, 40: 34-36.

[2]Kojabadi M, Chang Liuchen, Boutot T. Development of a novel wind turbine simulator for wind energy conversion systems using an inverter-controlled induction motor [J]. IEEE Trans.on Energy Conversion,2004, 19(3): 547-552.

[3]解 大, 張延遲, 張 琪, 等.大型風電機組試驗及仿真系統II.建模和仿真[J]. 實驗室研究與探索,2009, 28(6): 22-26.

[4]李 輝, 韓 力, 趙 斌, 等. 風電機組等效模型對機組暫態穩定分析結果的影響[J].中國電機工程學報, 2008, 28(17): 105-111.

[5]Rui Xiaoming. Fundamentals of a power splitting driving chain for large wind turbines [C]//The 7th World Congress on Intelligent Control & Automation.Chongqing,China, 2008: 9347-9350.

[6]JB/T10705-2007, 中華人民共和國機械行業標準－風力發電機軸承[S].

[7]Gao Qingfeng, Wang Yang, Rui Xiaoming. Research and application of faster design support technology of wind turbine pitch bearing [J]. Applied Mechanics and Materials, 2012: 130 -134, 2855-2860.