風電機組動態特性研究

曾杰 朱宜飛 陳衛鵬

摘要：風電機組的安全、穩定運行是提高風電場經濟效益的基礎，而風電機組的安全、穩定運行又取決于對風電場外部影響因素的準確分析。因此，采用ADAMS軟件模擬分析了風電機組在單葉片槳距角系統故障、無槳距角系統調整控制和正常運行工況條件下的動態特性。結果表明：ADAMS軟件能快速高效地模擬風電機組動態運行工況。研究成果可為準確反映風電機組運行狀況提供技術支撐。

關鍵詞：風力發電機;動態特性;ADAMS;安全穩定性

中圖法分類號：TM315文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.10.013

文章編號：1006 - 0081（2021）10 - 0070 - 05

0 引 言

風電場的風速、風向具有不確定性，隨著時間變化具有動態變化特性，因此風電機組的運行也具有動態變化性，而風電機組的運行特性可以分為功率、推力和轉矩3類主要特性曲線，這些特性曲線隨時間變化而變化，具有不確定性。

隨著風力發電技術的進步和發展，目前陸上最大單機容量風電機組7.XMW機型已在成功下線，風電機組的葉輪直徑和輪轂高度也日益增大，因此，對風電機組的控制要求也就越來越高。正因為風速、風向具有不確定性和動態性，會隨時間變化而變化，同時受風電機組結構復雜等因素影響，很難組建反映風電機組準確運行的動態模型。因此，高效、準確地對風電機組功率、推力特性和扭矩等參數進行動態分析至關重要，這對于風電場的安全穩定運行有著重要意義。

國內外不少學者[1-3]通過仿真技術模擬了風電機組的運轉，如風電機組動態響應的有限元分析法[4]，模態疊加法求解結構動力方程[5]，大型水平軸風力發電機轉子和塔架的穩定性分析[6]，模態法分析葉片動態響應[7]。早期風電機組設計主要基于準穩態氣動計算，較少進行結構動力學方面的分析。目前，風電機組的動態分析的方法和模型較多，本文利用機械系統動力學自動分析（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems，ADAMS）對風電機組的動態特性進行分析模擬。

1 風電機組動態運行理論和主要動態參數

1.1 風電機組動態運行理論

風電機組的動態運行除受外部環境、地形等因素影響外，還取決于機組自身的結構特性。風電機組的葉輪和能量傳遞裝置的動態分析是風電機組動態過程分析的主要部分，需要建立與之相匹配的動態數學模型。目前，風電機組葉輪動態分析的方法主要有葉輪氣動力彈性模型;傳動機構動態分析方法有定速分析模型、柔性和剛性分析模型;能量傳遞裝置部分的動態分析方法主要有柔性和剛性模型兩種。

在建立動態分析模型過程中，需考慮外部因素和機組本身結構特性影響。為便于分析，將風電機組本身系統結構特性參數定義成離散參數系統，從而建立風電機組離散型模型。將風電機組分為有限數量的慣性元件、彈性元件和阻尼元件。考慮風速、風向等外觀影響因素，并結合風電機組自身系統的物理結構特性，建立相對準確的風電機組動態過程分析模型。

1.2 風電機組主要特征性能參數

風電機組的葉輪扭矩Qa為

[Qa=12πρU2∞R3CTλ]? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：U∞為風速;[CTλ]為當葉尖速度比為λ情況下的扭矩力系數;ρ為空氣密度;R為風電機組葉輪半徑。因此風電機組功率P為

P=Qa·[ωt]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中：[ωt]為風電機組葉輪角速度。

風能利用系數Cp值用于衡量風電機組捕獲風能大小的參數。若Cp值越大，說明風電機組可以捕獲更多的風能能量。但風能利用系數Cp值有最大值，根據貝茲定律（Betz' Law），風電機組可以接受通過葉輪流體的所有動能，且流體在無阻力，具備連續和不可壓縮性的狀況下，風電機組可將通過葉輪的風速減少至原來的1/3，即風能能夠轉換成動能的極限比值為16/27，約59%。

風電機組推力系數CT計算公式為

[CT=p12πρR2U2∞]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中：葉輪實度p是指風電機組葉片（風向投影）總面積與風所通過葉輪面積（掃風面積）的比值，是風電機組的重要參考特征系數。

2 研究方法與模型構建

2.1ADAMS

機械系統動力學自動分析（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems，ADAMS）是一款虛擬仿真分析軟件。ADAMS軟件使用交互圖形環境和零件庫、力庫和約束庫，可創建參數化的機型系統模型，再通過求解器建立系統動力學關系，可實現機械系統模型與動力學模型的仿真。利用ADAMS軟件能對風電機組（兩葉片、三葉片水平軸式）的極限疲勞載荷進行模擬和分析。ADAMS軟件可模擬目前主流風電機組動態響應特征，實現風電機組的機械結構與控制系統結構的模擬和分析。在進行風電機組模型構建過程中，軟件將葉片和機組塔筒定義為柔性體。此柔性體是沿翼展方向特定分布的剛性和質量特性，并采用等效多項式方法來建立的模型。風電機組的機艙、葉片和輪轂采用的是慣量和質量組成的剛體結構;風電機組傳動系統彈性體采用的是等效阻尼和彈簧模型方式[8]。

2.2 風電機組ADAMS模型構建

收集風電機組的基本特性參數、功率曲線、推力曲線和相關的空氣動力等參數。將收集到的相關參數組成風電機組的動力結構數據。這些參數數據是ADAMS建立風電機組機械模型所需的相關結構動力文件。同時，風電機組的葉輪、塔筒和空氣動力參數等數據資料需要參照ADAMS要求，形成風電機組機械模型所需的輸入文件。利用ADAMS軟件構建風電機組機械模型的流程如圖1所示。

構建風電機組ADAMS機型模型中，作為輸入文件的風電機組空氣動力特性數據和機組結構數據如下所示。

2.2.1 風電機組空氣動力參數

不同風電機組都有其特定的空氣動力特性，風電機組空氣動力特性數據是ADAMS軟件中所需的機型模型結構空氣動力數據。風電機組空氣動力特性數據有兩類數據文件，一種是有風電場風切變參數和輪轂高度處的風資源數據;另一種是風電場測風數據文件，采用的是二進制形式，可以用SNLWIND-3D SNwind或者TurbSim等程序來生成。

2.2.2 風電機組葉輪參數

風電機組葉輪參數用于定義風電機組ADASM模型中機械和結構數據特性，主要包括葉片長度、掃風面積、葉輪尺寸等數據。若定義葉片為均質特性，只需要設定單個位置相關參數;若定義葉片為非均質特性，需要設定不少于兩個位置的相關參數。

2.2.3 風電機組塔筒參數

風電機組塔筒作為獨立且主要的結構部分，在風電機組ADAMS模型中需進行單獨定義。類似葉輪參數文件，塔筒數據文件也需定義模型的機械和結構特性。同樣，若定義塔筒為均質特性，只需要設定單個位置相關參數;若定義塔筒為非均質特性，需要設定不少于兩個位置的相關參數。

2.2.4 其他ADAMS軟件輸入參數

其他ADAMS軟件輸入參數主要用于實現軟件模擬和計算。

3 風電機組ADAMS模型動態實例分析

采用三葉片、上風向水平軸、單機容量2 000 kW風電機組進行實例分析。風電機組的主要技術參數如表1所示。

結合上述風電機組參數，利用ADAMS構建單機容量為2 000 kW機型的模型。在此結構模型中，單葉片長度為56.5 m，對葉片進行20等分處理。風電機組ADAMS模型模擬平均風速為10 m/s，葉片槳距角為6°，風電機組初始轉速10 r/min條件下，采用簡單變速調整，通過調整槳距角大小來實現轉子轉速的控制。通過風電機組ADAMS模型來分析風電機組在單葉片槳距角系統故障、無槳距角系統調整控制和正常運行工況等不同條件下的風電機組運行特性。

3.1 單葉片槳距角系統故障情況

在風電機組運行過程中，由于機械故障或外部環境影響，可能會出現葉片槳距角控制系統故障。設定葉片槳距角初始為6°情況下，第5 s時啟動機組葉片槳距角系統，假定在第10 s時，某葉片槳距角控制系統故障，導致槳距角迅速增大至50°。在這種情況下，采用ADAMS軟件對此風電機組模型進行時長為40 s的動態仿真模擬。

由于葉片槳距角控制系統故障，風電機組的轉速開始迅速變化，首先風電機組轉速逐漸減小，導致風電機組的轉矩減少，使得機組功率逐漸減小。風電機組轉速、轉矩變化情況如圖2，3所示。發電機轉矩變化情況如圖4所示。風電機組功率變化情況如圖5所示。

3.2 無槳距角系統調整控制情況

利用ADAMS構建單機容量為2 000 kW機型的模型。利用風電機組ADAMS模型模擬葉片槳距角為6°，風電機組初始轉速10 r/min條件下，風電機組在50 s周期中的動態運行狀況。風電機組轉速、轉矩和與發電機轉矩、風電機功率大小隨時間變化關系分別如圖6～9所示。由于沒有槳距角系統控制，風電機組轉速、轉矩和功率都隨著風速增加而增大。

3.3 正常運行工況

風電機組在正常運行工況條件下運行，設定葉片槳距角為6°，風電機組初始轉速10 r/min條件下，在運行5 s后開始葉片槳距角控制，通過建立的風電機組ADAMS模型模擬風電機組在50 s運行周期中的機組動態特性。隨著風速的變化，風電機組轉速不斷變化，在槳距角控制系統調節下，風電機組轉速由不時波動而逐漸趨于額定轉速運行。風電機組的轉速、轉矩隨時間變化情況如圖10～11所示發電機轉矩與風電機組功率變化情況如圖12～13所示。由于開始沒有槳距角系統控制，風電機組轉速、轉矩和功率都隨著風速增加而增大，而有了槳距角系統的控制調節后，風電機組的轉速等參數也趨于穩定運行狀況。

4 結 語

風電機組技術日益進步和發展為國家的碳達峰、碳中和提供了技術手段。在風電場實際運行過程中，風電機組的安全穩定運行至關重要。風隨時間變化而變化，具有不確定性，這將影響風電機組的安全。目前對于風電機組的動態穩定分析手段相對較少，如何高效準確地對風電機組進行動態分析成為關鍵。

本文采用ADAMS軟件對風電機組在單葉片槳距角系統故障、無槳距角系統調整控制和正常運行工況等不同條件下的運行特性進行了動態模擬分析，具有較大的實用性和有效性。但是，考慮到風電機組受外部環境和自身結構影響，后續還需建立更完善的模型體系進行更為準確的模擬。

參考文獻：

[1] 高本鋒，崔意嬋， 邵冰冰，等. 直驅風電機組全運行區域的次同步振蕩特性分析[J]. 電力建設，2020，41（2）： 85-93.

[2] 孫群麗， 劉長良，周瑛 .基于狀態曲線的風電機組運行工況異常檢測[J]. 熱力發電，2019，48（7）：110-116.

[3] 江順輝， 方瑞明，尚榮艷，等. 采用動態劣化度的風電機組運行狀態實時評估[J]. 華僑大學學報（自然科學版），2018， 39（1）：86-91.

[4] 陳彥. 大型水平軸風力機結構動力響應與穩定性研究[D].北京：清華大學，1999.

[5] 劉雄，李鋼強. 水平軸風力機結構動力響應分析[J].機型工程學報，2010，46（12）：128-134.

[6] WILLIAM W ， PERETZ F. Coupled Rotor/ tower Aero elastic Analysis of Large Horizontal Axis Wind Turbines[J]. AIAA Journal ，1980 ，18 （9）： 1118-1124.

[7] 鄭黎明，姜桐.大型水平軸風力機動態分析[J].機電工程，1998，15（2）：34-36.

[8] 鄭黎明，葉枝全.具有失速調節的變轉速風力機的動態分析與控制策略[J].太陽能學報，2001，22（3）：351-354.

（編輯：江 文）

Analysis on dynamic characteristics of wind turbine

ZENG Jie，ZHU Yifei，CHEN Weipeng

（Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.， Wuhan 430010，China）

Abstract： The safe and stable operation of wind turbine is the basis of improving the economic benefit of wind power plants， and the safe and stable operation of wind turbine depends on the accurate analysis of the external influencing factors of wind power plants. Therefore， ADAMS software was used to simulate and analyze the dynamic characteristics of the wind turbine under the conditions of failure of single blade pitch angle system， without pitch angle control system and normal operation of the system . The results showed that ADAMS software could simulate the dynamic operating conditions of wind turbine quickly and efficiently and the analysis results can provide technical support for accurately reflecting the operating condition of wind turbine.

Key words： wind turbine; dynamic characteristics;ADAMS;safety and stability