（機械電子工程專業(yè)論文）mw級風力發(fā)電機組液壓變槳距機構(gòu)的運動分析和研究.pdf

m w 級風力發(fā)電機組液壓變槳距機構(gòu) 的運動分析和研究 摘要 運用s o l i d w o r k s 三維設(shè)計軟件，建立了風力發(fā)電機組變槳機構(gòu)的三維模 型，并對該機構(gòu)的運動特性進行了分析。為了得到該機構(gòu)的運行原理簡化圖， 將調(diào)節(jié)架簡化為帶速度參數(shù)的滑塊，變槳輪盤簡化為搖桿。依據(jù)平面機構(gòu)運 動分析的矩陣法，根據(jù)變槳過程中控制油缸和安全油缸動作的先后次序，在 變槳初期，對處于靜止狀態(tài)的安全油缸進行簡化，建立控制油缸的運動學方 程組；在順槳期間，對處于靜止狀態(tài)的控制油缸進行簡化，建立安全油缸動 作的運動學方程組；聯(lián)立兩方程組后，則建立了變槳機構(gòu)的運動模型。 對該模型求一次導數(shù)，則得出該機構(gòu)的變槳角速度矩陣；對其求二次導 數(shù)，則得出機構(gòu)變槳角加速度矩陣。以m a t l a b 軟件為工具，依據(jù)牛頓辛 普森數(shù)值方法編寫計算程序，對變槳機構(gòu)運動學方程組進行求解，得到變槳 角速度、角加速度數(shù)值解，并繪制出變槳角速度、角加速度隨時間的變化規(guī) 律曲線。 研究結(jié)果表明：在給定工況下，該變槳機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)風力發(fā)電機組葉片 在o 。9 0 。槳距角范圍內(nèi)的變化；變槳機構(gòu)運動學建模時，將調(diào)節(jié)架簡化為帶速 度參數(shù)的滑塊，并按照油缸運動先后次序分步建模的方法是可行的；控制油 缸、安全油缸變速階段，葉片變槳加速度比較大，且波動劇烈；經(jīng)過輸入?yún)?數(shù)優(yōu)化后，加速度波動明顯平緩。 根據(jù)葉素理論，分析了槳葉截面的受力情況，分析了該力對葉根產(chǎn)生的 扭矩情況。將該扭矩沿槳葉軸向進行積分，建立了風力發(fā)電機組槳葉對變槳 機構(gòu)的載荷模型。依據(jù)變槳機構(gòu)簡化原理圖，得到了控制油缸的負載計算方 程式。研究發(fā)現(xiàn)，對變槳控制精度及風機輸出功率有較大影響的因素有：控 制油缸受液壓油擠壓作用產(chǎn)生的縱向變形、液壓油受活塞桿施加的軸向載荷 產(chǎn)生的軸向變形、液壓缸結(jié)構(gòu)原理性泄漏和機構(gòu)運動副間隙等因素。 分析結(jié)果表明，控制油缸的受載變形甚微，對變槳精度的影響可以忽略 不計；液壓油受載產(chǎn)生的軸向壓縮變形和運動副間隙，對變槳精度控制產(chǎn)生 了一定的影響。因此，導致m w 級風力發(fā)電機輸出功率有輕微的波動，但相 對誤差不大，在誤差允許范圍內(nèi)。 關(guān)鍵詞：風力發(fā)電機，變槳機構(gòu)，運動分析，精度分析 t h ek i n e m a t i ca n a l y s i sa n dr e s e a r c ho nt h e h y d r a u l i c p i t c h co n t r o l l e dm ec h a n i s m o fm ww i n dt u r b i n e a b s t r a c t m e d i m e n s i o n a lm o d e lo ft h ep i t c h c o n t r o l l e dm e c h a n i s mw a si n v e s t i g a t e d b ym e a n so fs o l i d w o r k st h r e ed i m e n s i o n a ld e s i g ns o f t w a r e ，a n di t so p e r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c sw e r ea n a l y z e d t h ek i n e m a t i cp r i n c i p l eo ft h em e c h a n i s mw a s o b t a i n e d ，a f t e rt h ep i t c ha d j u s t e rw a ss i m p l i f i e di n t oas l i d e rw i t hp a r a m e t e ro f s p e e d ，a n dt h ep i t c hw h e e lw a ss i m p l i f i e di n t oar o c k e r b a s e do nt h em a t r i x m e t h o do ft h ep l a n em e c h a n i s mm o t i o na n a l y s i sa n dt h ep k c ho p e r a t i o no r d e r , i n w h i c ht h ec o n t r o lc y l i n d e ro p e r a t ea tf i r s ta n dt h es a f e t yc y l i n d e ro p e r a t es e c o n d l y , t h ek i n e m a t i ce q u a t i o no fc o n t r 0 1c y l i n d e rw a se s t a b l i s h e da f t e rt h eq u i e s c e n t s a f e t yc y l i n d e rw a ss i m p l i f i e di nt h ei n i t i a lo p e r a t i o no fp i t c h - c h a n g i n g ，a n dt h e k i n e m a t i ce q u a t i o no fs a f e t yc y l i n d e rw a se s t a b l i s h e dw h e nt h eb l a d ei sf e a t h e r i n g 腸e l lt h e e q u a t i o n s a b o v ew e r ec o m b i n e d 。t h ek i n e m a t i c e q u a t i o no f p k c h c o n t r o l l e dm e c h a n i s m w a so b t a i n e d m a t r i x e so fp i t c ha n g l es p e e da n da c c e l e r a t i o nw e r ed e d u c e db ym e a n so ft h e d e r i v a t i o no ft h ek i n e m a t i c e q u a t i o n b a s e do nt h en u m e f i c a l s o l u t i o no f n e w t o n s i m p s o n a n dt h em e t h o do fm a t r i x e s c a l c u l a t i o n ，t h ec a l c u l a t i o n p r o c e d u r ew a se s t a b l i s h e d t h er e s u l t so fp i t c ha n g l es p e e da n da c c e l e r a t i o nw e r e g i v e nb ym e a n so f m a t l a bs o f t w a r e i nt h em e a n t i m e ，t h ec u r v e so ft h ep i t c ha n g l e s p e e da n da c c e l e r a t i o nw e r ed r a w n o u t 。 t h er e s e a r c hr e s u l t ss h o w e dt h a tt h e o 。- 9 0 。r a n g eo ft h ep i t c ha n g l ec o u l d b ea c h i e v e da c c u r a t e l yb yu s i n gt h i sm e c h a n i s m t h em e t h o do f s i m p l i f y i n gt h e h y d r a u l i cc y l i n d e r s i n t os l i d e r sw i t h p a r a m e t e ro fs p e e da n dt h em e t h o do f m o d e l i n gb ys t e p so nm o v e m e n to r d e r so fh y d r a u l i cc y l i n d e r sw e r et u r n e du pt ob e f e a s i b l e w h e nt h eh y d r a u l i cc y l i n d e r sm o v ev a r i a b l y , t h ep i t c ha c c e l e r a t i o ni sb i g a n dt h ef l u c t u a t i o ni s v i o l e n t ，b u ti tb e c o m e sm o r es t a b l et h a nb e f o r e ，a f t e r o p t i m i z e d b a s e do nt h eb l a d ee l e m e n tt h e o r y , t h e1 0 a do ft h eb l a d es e c t i o nh a d r e s e a r c h e da n dt h et o r q u eo ft h el o a dt ob l a d er o o tw a so b t a i n e d t h el o a dm o d e l o fp i t c h c o n t r o l l e dm e c h a n i s m sw a se s t a b l i s h e db ym e a n so ft h ei n t e g r a t i o na l o n g i i i t h ed i r e c t i o no fb l a d ea x i s s u b s e q u e n t l y , t h el o a dm o d e lo fc o n t r o lh y d r a u l i c c y l i n d e rw a sd e d u c e d a f t e rc o m p r e h e n s i v ea n a l y z i n ga n dr e s e a r c h i n g ，t h e r ew e r e s o m ef a c t o r sw h i c hh a do b v i o u se f f e c tt op i t c h - c o n t r o la n dp o w e ro u t p u t ，s u c ha s t h el o n g i t u d i n a ld e f o r m a t i o ne f f e c to ft h ec o n t r o lh y d r a u l i cc y l i n d e r , t h ea x l a l d e f o r m a t i o ne f f e c to ft h eh y d r a u l i co i l ，t h es t r u c t u r a ll e a k a g e e f f e c to ft h e h y d r a u l i cc y l i n d e r , t h eg a p so fk i n e m a t i c sp a i r sa n ds oo n t h ea n a l y s i sr e s u l t ss h o w e dt h a tt h eh y d r a u l i cc y l i n d e ri n f l u e n c eo np i t c h p r e c i s i o nc o u l db en e g l e c t e db e c a u s eo ft h el i t t l el o n g i t u d i n a ld e f o r m a t i o n b u tt h e d e f o r m a t i o no ft h eh y d r a u l i co i la n dt h eg a p so fk i n e m a t i c sp a i r sh a dm o r ee f f e c t o np i t c hp r e c i s i o nt h a nh y d r a u l i cc y l i n d e r , t h e r e f o r eas l i g h tf l u c t u a t i o no fp o w e r o u t p u tw a sc a u s e d ，h o w e v e rt h ep i t c he r r o rc o u l db ea c c e p t e d k e yw o r d s ：w i n dt u r b i n e ，p i t c h c o n t r o l l e dm e c h a n i s m ，k i n e m a t i c sa n a l y s i s ， p r e c i s i o na n a l y s i s i v m w 風力發(fā)電機組液壓變槳距機構(gòu)的運動分析和研究 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學位論文，是本人在導師的指導下，獨立 進行研究所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含 任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的科研成果。對本文的研究做出 重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到 本聲明的法律責任由本人承擔。 論文作者簽名：p 年，抽 e l 期： 至q q 孕每：月 關(guān)于學位論文使用授權(quán)的聲明 本人完全了解陜西科技大學有關(guān)保留、使用學位論文的規(guī)定，同意 學校保留或向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復印件和電子版，允許論 文被查閱和借閱；本人授權(quán)陜西科技大學可以將本學位論文的全部或部 分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或其他復制手段 保存論文和匯編本學位論文。同時授權(quán)中國科學技術(shù)信息研究所將本學 位論文收錄到中國學位論文全文數(shù)據(jù)庫，并通過網(wǎng)絡(luò)向社會公眾提供 信息服務(wù)。 ( 保密論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定) 論文作者簽名：碟札導師簽名：燃日期：墊業(yè)阻 m w 風力發(fā)電機組液壓變槳距機構(gòu)的運動分析和研究 1 緒論 1 1 風力發(fā)電機發(fā)展概述 人類利用風能的歷史比較久遠，早在公元前數(shù)世紀，我國人民和波斯人就開始利用 風能提水，灌溉，碾米。歐洲到中世紀才廣泛利用風能，荷蘭人發(fā)展了水平軸的風車， 1 8 世紀荷蘭曾利用近萬座風車將海堤內(nèi)的水排干，造就的良田相當于國土面積的三分之 一，成就了著名的風車之國。1 9 世紀中葉以后，美國大規(guī)模開發(fā)西部，為了解決人畜飲 水問題，制造了金屬葉片的風輪，驅(qū)動活塞泵用于提水，成為有名的美國農(nóng)場風車，擁 有量曾達到6 0 0 萬臺。中國沿海沿江地區(qū)的風帆船和用風力提水灌溉或制鹽的做法，一 直延續(xù)到2 0 世紀5 0 年代，僅在江蘇沿海利用風力提水的設(shè)備曾達到2 0 萬臺。在蒸汽機 出現(xiàn)之前，風力機械是動力機械的一大支柱，對當時的世界經(jīng)濟發(fā)展作出了不可忽視的 功績【- 】。 隨著風力機械的廣泛應(yīng)用，人們對風能發(fā)電奠定了一定的理論基礎(chǔ)，1 8 9 1 年，丹麥 p l c o u r 教授設(shè)計制造了世界上第一臺風力發(fā)電實驗站，采用蓄電池充放電方式供電， 獲得成功，并得到推廣應(yīng)用【l l ，從此以后風力發(fā)電得到長足發(fā)展。風力發(fā)電機同水力機 械一樣，作為動力源替代人力、畜力，對生產(chǎn)力的發(fā)展發(fā)揮過重要作用。近代機電 動力的廣泛應(yīng)用以及二十世紀5 0 年代中東油田的發(fā)現(xiàn)，使風力機的發(fā)展緩慢下來， 其中也受到戰(zhàn)爭和發(fā)電成本的影響一度停滯不前。但是自從1 9 7 3 年秋，爆發(fā)了全球性的 石油危機，很多國家面臨能源短缺的困境，為了實現(xiàn)能源應(yīng)用多樣化，風能的開發(fā)研究 又重新得到各國的重視1 2 1 。加之火力發(fā)電的環(huán)境污染和二氧化碳排放，以及燃料資源的 日益減少，發(fā)電成本的提高，迫使各國開始尋找低成本，可靠性大的可再生能源，風能 此時便倍受世界各國的關(guān)注。 1 2 風力發(fā)電機研究的意義 風能資源是清潔的可再生能源，風力發(fā)電是新能源中技術(shù)最成熟，最具規(guī)模開發(fā)條 件和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一【3 】。風力發(fā)電是利用風能來發(fā)電，而風力發(fā)電機組 是將風能轉(zhuǎn)化為電能的機械。世界上很多國家，尤其是發(fā)達國家，已經(jīng)充分認識到風電 在調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，緩解環(huán)境污染等方面的重要性，對風電的開發(fā)給予了高度的重視。 全球可利用的風能資源非常豐富，風能總量比地球上可開發(fā)利用的水能總量要大l o 倍以上。風力發(fā)電在新能源和可再生資源行業(yè)中增長最快，平均年增長達到3 5 ，而美 國、意大利和德國的年增長高達5 0 以上。德國風電量已占全國總發(fā)電量的4 7 以上， 丹麥風電已超過總發(fā)電量的2 0 。丹麥是全世界大型風力發(fā)電裝機量最多的國家，出口 量居世界首位。 陜西科技大學碩士學位論文 我國風力發(fā)電于2 0 世紀8 0 年代才開始發(fā)展。我國可開發(fā)利用的風能總量為2 5 3 億 k w ，僅次于俄羅斯和美國，居世界第三【4 】。 近1 0 年，我國風電裝機以年均5 5 的速度增長。2 0 0 0 年，風電總裝機為3 4 4 萬k w ； 2 0 0 2 年，風電總裝機增加到4 6 8 4 萬k w ，增長3 6 2 ，已占全國電力總裝機( 3 5 3 億 k w ) 的0 1 3 。截止2 0 0 3 年底，我國除臺灣省外，已建成風電場達4 0 個，風力發(fā)電機 組達1 0 4 2 臺，累計裝機總規(guī)模為5 6 7 萬k w 。截止到2 0 0 5 年底，全國風能資源豐富的 1 5 個省、市、特別行政區(qū)及自治區(qū)( 除臺灣省外) 已建成風電場5 9 座，累計運行風力 發(fā)電機組1 8 6 9 臺，總?cè)萘? 2 4 6 3 1 5 m w 。2 0 0 7 年，全球風力發(fā)電的累計裝機容量已達 9 4 1 萬兆瓦，比上一年的7 4 2 萬兆瓦增加2 7 。2 0 0 7 年，中國風電裝機為6 0 5 萬千 瓦，提前3 年實現(xiàn)2 0 1 0 年的規(guī)劃目標；2 0 0 1 年到2 0 0 7 年的6 年間，中國風電裝機 增長了1 4 倍；僅2 0 0 7 年一年，中國風電裝機就增加3 4 4 9 萬千瓦，比中國風電有 史以來的累積總量還多。隨著風電產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，風電設(shè)備供不應(yīng)求。 2 0 0 6 年，中國共有風電機組6 4 6 9 臺，其中兆瓦級機組占2 1 2 ，2 0 0 7 年，這 個比例躍升為3 8 1 ，提高了1 6 9 個百分點。 近年來，新興市場的風電發(fā)展迅速。在國家政策支持和能源供應(yīng)緊張的背景下， 中國的風電特別是風電設(shè)備制造業(yè)也迅速崛起，已經(jīng)成為全球風電最為活躍的場所。 2 0 0 6 年全球風電資金中9 投向了中國，總額達1 6 2 億歐元( 約1 6 2 7 億元人民幣) 。 2 0 0 7 年，中國風電裝機容量己排名世界第五。 如果說1 9 世紀是蒸汽機時代，2 0 世紀是信息時代，那么，從資源環(huán)境與經(jīng)濟社會 相制衡的角度考慮，有人相信2 1 世紀將是新能源時代。在這個世紀，誰掌握了領(lǐng)先的新 能源利用技術(shù)，誰就能在國際競爭中最終立于不敗之地。 按照我國的發(fā)展規(guī)劃，2 0 2 0 年以前，我國風電發(fā)展主要是培育本國的風電設(shè)備制造 產(chǎn)業(yè)，努力降低占風電項目投資7 0 的風電機組成本。 由于自主知識產(chǎn)權(quán)的風電技術(shù)沒有成長起來，近2 0 年來，我國風電設(shè)備制造陷入 帶料加工、合作生產(chǎn)或購買許可證國內(nèi)組裝的困境。而且，在這條道路上，我國也走得 比較失敗。一方面因為外商風電設(shè)備制造技術(shù)保護非常嚴格，國內(nèi)難以掌握風電機組的 核心技術(shù)：同時，由于人才、技術(shù)、工藝和材料原因的制約，國內(nèi)企業(yè)消化、吸收引進 技術(shù)的能力薄弱。 基于這種情況，對風力發(fā)電機組的研制開發(fā)迫在眉睫。配合國家積極的風電發(fā)展政 策，國內(nèi)多家大型制造企業(yè)紛紛上馬研制風力發(fā)電機組，掌握其核心技術(shù)，為我國能源 結(jié)構(gòu)比例調(diào)整提供堅實的技術(shù)裝備支持。 1 3 風力發(fā)電機研究現(xiàn)狀 近二十年，國際上大型風電技術(shù)的日趨成熟，發(fā)電成本持續(xù)下降，產(chǎn)業(yè)不斷成長壯 2 m w 風力發(fā)電機組液壓變槳距機構(gòu)的運動分析和研究 大。在技術(shù)上，國際風電界長期致力于提高風電機組系統(tǒng)安全性和可靠性，提高發(fā)電效 率，開發(fā)更大型風電機組和超大型近海專用風電機組，采用新型機組結(jié)構(gòu)和控制方法以 及材料，改善風電場選址和設(shè)計技術(shù)，以不斷降低風力發(fā)電成本和擴大可經(jīng)濟利用風能 資源量。 基于風力發(fā)電機組的迅猛發(fā)展，國際國內(nèi)研究機構(gòu)、企業(yè)、院校等都紛紛投身于該 前景明朗的事業(yè)中來，發(fā)表了大量的科研學術(shù)文章。 1 3 1 變槳機構(gòu)研究方向 根據(jù)文獻【1 4 】，變槳距機構(gòu)是變槳距型風力發(fā)電機組的核心，目前國際上大型的風 力發(fā)電機組的變槳距機構(gòu)主要有兩種實施方案：齒輪傳動變槳距和液壓驅(qū)動變槳距。 a 齒輪傳動變槳距系統(tǒng) 齒輪傳動變距結(jié)構(gòu)簡圖如圖1 1 所示，利用伺服電機作為原動機，經(jīng)過減速器和齒 輪副，帶動槳葉旋轉(zhuǎn)。這種變距方案，每一片槳葉都由一套獨立的電動機、減速器和齒 輪副驅(qū)動，可以實現(xiàn)獨立槳葉控制，也可以實現(xiàn)三個槳葉同步控制，此種結(jié)構(gòu)需要的變 距力大，電氣布線困難，并且如果實現(xiàn)三個電機的同步運行，同樣增加了控制上的難度。 由于電動機、減速器、齒輪等部件均在輪轂內(nèi)，增加了風輪重量和輪轂制造的難度，而 且維護也不方便。 圖l l 齒輪傳動變槳距機構(gòu)嘲 f i g 1 1g e a rd r i v i n gp i t c h - c o n t r o l l e dm e c h a n i s m 劉光德【5 】在國內(nèi)外研究基礎(chǔ)上，分析了電動變槳距系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，從機械和伺服驅(qū)動 兩部分，分別研究了風力發(fā)電機組的電動變槳距系統(tǒng)，設(shè)計了以三相永磁同步電機為伺 服電機的電動變槳距系統(tǒng)。 林勇剛【6 】等設(shè)計出獨立槳葉控制系統(tǒng)的機構(gòu)方案，依據(jù)空氣動力學分析，提出模糊 陜西科技大學碩士學位論文 控制結(jié)合以槳葉方位角作為主體因素的加權(quán)系數(shù)的控制策略，建立了系統(tǒng)模型，并仿真 運算。 程榮香 7 1 闡述了風力機組的調(diào)速問題和變槳距調(diào)速原理，從簡化變槳裝置機構(gòu)、提 高風力機調(diào)速的可靠性入手，介紹了中央主彈簧離心變槳裝置的設(shè)計特點。該研究的特 色和創(chuàng)新之處就是介紹了一種風力機中央主彈簧離心變槳裝置如圖1 2 所示。 l 一彈簧，2 - 回轉(zhuǎn)軸，3 嘲絲繩。4 韶轂，5 - 導向銷釘，6 - 葉柄支承軸，7 - 葉柄， 8 葉片，9 旋轉(zhuǎn)槽，1 0 彈簧座，11 風力發(fā)電機 圖1 - 2 中央主彈簧離心變槳裝置門 f i g 1 - 2c e n t e rm a i ns p r i n gc e n t r i f u g a lp i t c h c o n t r o l l e dm e c h a n i s m b 液壓傳動變槳距系統(tǒng) 液壓驅(qū)動變距是利用液壓缸作為源動機，通過曲柄滑快機構(gòu)推動槳葉旋轉(zhuǎn)，由于液 壓系統(tǒng)輸出力大，變距機構(gòu)可以做得很緊湊。 液壓驅(qū)動變距也有兩種結(jié)構(gòu)： 一種是通過輪轂內(nèi)三個液壓缸和三套曲柄滑塊機構(gòu)分別驅(qū)動三片槳葉，這種方案變 距力很大，能夠比較靈敏的實行變槳操作，在準確變槳和減少槳葉震動方面都優(yōu)于其他 變槳機構(gòu)，并且易于并網(wǎng)，對并網(wǎng)沖擊較小。因為是多液壓缸共同協(xié)作，所以對單個液 壓缸的壓力要求不是太高，故可以減小對液壓缸的成本投入，并可以達到緩解機艙輪轂 布局密度。但是由于統(tǒng)一變槳，所以存在三個液壓缸同步控制難、電氣布線復雜、輪轂 制造難度大、維護不便等問題。 另一種結(jié)構(gòu)是液壓站，如圖1 3 液壓站放在機艙內(nèi)，通過一套曲柄滑塊機構(gòu)同步推 動三片槳葉旋轉(zhuǎn)，雖然這種結(jié)構(gòu)電氣布線方便，降低了輪轂制造困難，維護比較容易， 但是這種結(jié)構(gòu)要求傳動機構(gòu)的強度和剛度比較高，在剎車制動和準確變槳上不易控制， 對槳葉和并網(wǎng)沖擊較大，并且需要比較大的液壓缸推力。 田會方 8 1 介紹了風力發(fā)電機組變槳距控制原理，在此基礎(chǔ)上對變槳距機構(gòu)進行分析 與設(shè)計，并應(yīng)用p r o e 建立了變槳距機構(gòu)的三維實體模型，結(jié)合a d a m s 對該機構(gòu)進行 動態(tài)仿真和運動學分析，為進一步對風力機組變槳距機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。該研 4 m w 風力發(fā)電機組液壓變槳距機構(gòu)的運動分析和研究 究設(shè)計采用的變槳距機構(gòu)原理如圖1 4 所示。 圖1 3 液壓站式變槳距機構(gòu)例 f i g 1 - 3h y d r a u l i cs t a t i o np i t c h - c o n t r o l l e dm e c h a n i s m 尚一歲 蓁 阿 一。7 曩 ! 蚓潞枰一 心 圖1 - 4 液壓變槳距機構(gòu)簡圖 f i g 1 - 4f i g u r eo fh y d r a u l i cp i t c h - c o n t r o l l e dm e c h a n i s m 單光坤 9 1 研究確定了變槳機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式，通過精練設(shè)計校核變槳距機構(gòu)的技術(shù)參 數(shù)，論證變槳距機構(gòu)的合理性。其變漿距機構(gòu)圖如圖1 3 所示，變槳距機構(gòu)運動簡圖如 圖1 5 所示。 吳永忠 1 0 3 、k a t h r y n t l 針對當前同步變槳距式風力機的變槳特點，總結(jié)同步變槳距式 風力機缺點，提出要使葉片始終處于最佳升阻比狀態(tài)必須實現(xiàn)風力機的異步變槳這一觀 點，并通過對風力機組工作狀態(tài)的理論分析，得出實現(xiàn)這一目標變槳系統(tǒng)所應(yīng)達到的要 求。 李強 t z l 等以國產(chǎn)化1 m w 風力發(fā)電機組為研究對象，利用葉素理論，對變槳距機構(gòu) 進行了分析并對驅(qū)動力進行了計算，為風力發(fā)電機組的部件選擇及進一步分析計算提供 了參數(shù)，為國產(chǎn)化風機的設(shè)計提供了一定的參考。 崔冉【1 3 】等在國內(nèi)外研究基礎(chǔ)上分析了電動變槳距系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，從機械和伺服驅(qū)動兩 部分分別研究了風力發(fā)電機的電動變槳距系統(tǒng)，設(shè)計了以三相永磁同步電機為伺服電機 的電動變槳距系統(tǒng)。 陜兩科技大學碩士學位論文 叫_ _ _ - l d 圖1 5 變槳距機構(gòu)運動簡圖 f i g 1 - 5f i g u r eo fp i t c h - c o n t r o l l e dm e c h a n i s mo p e r m i o n 周欣榮【t 4 】等設(shè)計出螺旋槳變距系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，該設(shè)計保證了機構(gòu)的運行不發(fā)生干 涉和一定的變槳速度、變槳范圍，基本實現(xiàn)了變槳的功能需要。吳永忠【- s 】等則著重研究 了采用風輪正面風壓作為變槳距的控制信號，實現(xiàn)最大的功率跟蹤變槳距，并設(shè)計制造 了風壓式全程變槳距風能轉(zhuǎn)換裝置。汪涌泉f 1 6 】等具體分析調(diào)距槳推進裝置的工作特性和 特點，并將其與定距槳進行分析和對比。 1 3 2 變槳控制研究方向 高文元【7 】針對風速風向非線性變化的特點，采用了一種變論域自適應(yīng)模糊控制研究 在風速變化下的兆瓦級風力發(fā)電機組偏航和變槳距系統(tǒng)聯(lián)合互補工作的控制技術(shù)。 夏長亮【培】、mak h a n 1 9 等則深入的研究了變速恒頻風力發(fā)電機的變槳距控制系統(tǒng)的 自抗擾能力，以及預測控制方面的問題，從理論和實驗兩方面論證了變槳控制系統(tǒng)的可 行性和可靠度。 林勇剛mz t 】m o h d t 2 j 等在風力發(fā)電機空氣動力學特性分析的基礎(chǔ)上，討論了變速恒頻 風力機組變槳距機構(gòu)在低于額定風速階段和高于額定風速階段的不同控制策略。并采用 支持矢量回歸( s v r ) 算法對風力機非線性模型進行擬合。 朱濤【：，】、s m m u y e e 抖l 、d a n i e l 2 5 1 等結(jié)合風電場的實際情況，對比分析了變槳距和定 槳距葉片氣動性能上的差別，尋找風力發(fā)電機組在運行中的問題，并提出了解決辦法， 以及研究了兩種風力發(fā)電機的功率控制方法。 j a m e l t 2 6 j 、r o n n y t 2 n 、xh l i a o 【2 8 】、mg e y l e r t 2 9 1 等研究了變風速情況下，采用不同的控 制方法對風力發(fā)電機組模型進行對比，力求在減小風力載荷、維持風機運行穩(wěn)定性等方 面達到理想狀態(tài)。 1 3 3 變槳液壓系統(tǒng)研究方向 林勇l j 3 0 1 針對風力機功率控制的重要性，設(shè)計了電液比例變槳距執(zhí)行機構(gòu)，并結(jié)合 風力機設(shè)計軟件b l a d e d 組建成了半物理仿真實驗臺。戴贊，- 】、l u c i a n 3 2 1 對變速恒頻風力 發(fā)電機變槳距系統(tǒng)的傳動裝置進行了研究。 陳曉、波【，等介紹研究了利用多任務(wù)控制方法來設(shè)計風力發(fā)電機液壓測試系統(tǒng)。系統(tǒng) 6 m w 風力發(fā)電機組液壓變槳距機構(gòu)的運動分析和研究 根據(jù)不同的要求來模擬風力發(fā)電機實際運行中遇到的各種情況，并對其液壓系統(tǒng)進行了 測試，以確保其安全性。 ee j i r i t 3 4 j 、m a k h a r t t 3 s 、a ib i n v , l 貝, l j 對變速風力發(fā)電機的技術(shù)進行了深入的探討，并 且對發(fā)電機的總體性能進行了研究和對比，提出了在總體設(shè)計中應(yīng)該注意的一些問題， 并對此給出了建議。 車麗娟【朔、潘忠秀【3 8 ，對液壓機械普遍存在的泄漏對機械的正常使用所造成的不良影 響進行了分析，找出了泄漏的主要部位和原因，并給出了改進措施。 孫海平1 3 9 、穆程明 4 1 】等研究液壓系統(tǒng)中油液在管道中流動時發(fā)生壓力瞬變的物理特 征。張鳳蘭【舶】則應(yīng)用邁克爾遜干涉儀測量液體的體積彈性模量，得出與理論值相符合的 結(jié)果。 1 3 4 風力發(fā)電機建模和仿真研究方向 劉思永【4 2 】等利用雷偌平均n a v i e r - s t o k e s 方程，采用高數(shù)值穩(wěn)定性的b a l d w i n - l o m a x 湍 流模型，模擬可變槳距水平軸風力渦輪在給定工況下全三維混合型流場。林勇剛【4 3 】等針 對變槳距風力機模型非線性很強的特點，采用支持向量回歸( s v r ) 算法進行辨識，結(jié)果 表明，s v r 算法在變槳距風力機非線性模型辨識上具有很高的準確性。 t 1 0 m a s m 、葉杭冶【4 5 】等討論了額定風速以下的變速運行控制和額定風速以上的變槳 距控制以及變速與變槳距兩種控制策略的相互禍合關(guān)系；提出了轉(zhuǎn)矩控制對傳動系統(tǒng)扭 轉(zhuǎn)振動和變槳距控制對塔架前后振動的影響力及控制方案。t e db r e k k e n 晰 等建立了包含 風力機、雙饋發(fā)電機及發(fā)電機電氣控制部分的變速恒頻風力發(fā)電機組的整體動態(tài)數(shù)學模 型并進行了仿真。 張青雷【4 刀等針對兆瓦級風力發(fā)電機組的變槳系統(tǒng)，在s o l i d w o r k s 和a d a m s 中建立變槳 系統(tǒng)的機械系統(tǒng)模型，并在m a t l a b 中建立控制系統(tǒng)模型，通過a d a m s c o n t r o l 接口將二者連 接起來，實現(xiàn)風力驅(qū)動下的變槳運動在軟件系統(tǒng)環(huán)境下的交互仿真，通過對變槳過程研究， 為大型風力機及其控制系統(tǒng)的研制開發(fā)與國產(chǎn)化提供指導。 高文元【刪、趙文珍例等建立了變速變槳距風機風輪的數(shù)學模型，分析了風速和槳距角 的變化對風機擾動的影響，同時找到了風輪動態(tài)運行中需要控制的參數(shù)。在控制部分，提 出了用擾動法解決了風機在低于額定風速時，為尋求功率最大化的風機轉(zhuǎn)速控制。 張小芳 5 0 1 、邢蘭興( 5 1 1 、s t e nf r a n d s e n t 5 2 】等以雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)為研究對象，利用 m a t l a b s i m u l i n k 建立了雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)仿真數(shù)學模型，包括風速、風力機、雙 饋發(fā)電機以及補償電容器四個部分。 通過以上幾方面的分析和回顧可知，目前對兆瓦級風力發(fā)電機組變槳機構(gòu)的研究主 要集中在機構(gòu)的設(shè)計研究、機構(gòu)液壓系統(tǒng)的控制設(shè)計和機構(gòu)建模仿真等方面，大部分研 究都沒有深入的對機構(gòu)的運動特性進行分析，沒有綜合考慮各種因素對變槳控制精度的 7 陜西科技大學碩士學位論文 影響。然而，對于一個工程實際問題，需要深入的了解變槳機構(gòu)各部件的運動狀況以及 產(chǎn)生的變槳控制誤差。因此，基于機構(gòu)運行的可靠性要求，還需要做深入細致的研究工 作。 1 4 論文的選題 根據(jù)文獻 5 1 0 】，變速恒頻風力發(fā)電機主要由槳葉、輪轂、變槳機構(gòu)、偏航機構(gòu)、機 艙以及塔架等組成，其中變速恒頻控制的關(guān)鍵部位就是變槳機構(gòu)，該機構(gòu)決定著此風力 發(fā)電機組是否具備高性能、高精度、高可靠性的變速控制能力，以達到風力發(fā)電機組功 率輸出最大化、功率輸出穩(wěn)定化以及風力發(fā)電機組運行自我保護最優(yōu)化。因此國內(nèi)外除 對功率控制研究以外，對變槳機構(gòu)的研究和設(shè)計是各國研究人員的重中之重，同時它也 是各種風力發(fā)電機型在機械結(jié)構(gòu)方面區(qū)別最大的機構(gòu)之一。 若想擁有風電自主核心技術(shù)，對風力發(fā)電核心之一的變槳技術(shù)必須進行徹底的消化 和吸收，分析變槳技術(shù)的優(yōu)點所在以及各項性能指標參數(shù)，為自主核心技術(shù)的創(chuàng)新和改良 提供堅實的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。基于這種情況下，變槳技術(shù)的研究和分析理應(yīng)作為風電核 心技術(shù)攻關(guān)項目之一。 基于國內(nèi)外的研究狀況，大部分研究都注重在機構(gòu)的設(shè)計和仿真等方面，并沒有深 入的對機構(gòu)的運動特性以及控制誤差方面做出詳細的研究，這就不能不使人們對變槳機 構(gòu)的可靠性和功率輸出的穩(wěn)定性產(chǎn)生懷疑，故在對變槳機構(gòu)的設(shè)計和仿真基礎(chǔ)上，仍需 要對機構(gòu)的運動參數(shù)、控制精度進行研究。 綜上所述，變槳技術(shù)的研究存在著巨大的科研價值，潛在科研成果豐富；可參考的 國內(nèi)外文獻和資料比較齊全，故選擇“m w 級風力發(fā)電機組液壓變槳距機構(gòu)”作為論文 研究的方向，著重分析研究該機構(gòu)的運動情況和變槳控制精度問題。 1 5 本文的研究目標和內(nèi)容 本文的研究作為上海市重點科技攻關(guān)項目之一，受到“上海市重點科技攻關(guān)項目 以及“上海市重大技術(shù)裝備項目 的資助。 通過對目前國內(nèi)外風力發(fā)電機組變槳機構(gòu)的研究現(xiàn)狀的總結(jié)和分析，本人的研究目 標是在已有風力發(fā)電機組變槳機構(gòu)研究的基礎(chǔ)上，對引進m w 風力發(fā)電機組的變槳機構(gòu) 進行運動學分析以及變槳精度控制研究。圍繞上述目標，本文研究的主要內(nèi)容如下： ( 1 ) 基于引進m w 風力發(fā)電機組技術(shù)，在s o l i d w o r k s 軟件中建立變槳機構(gòu)模型， 分析其運行原理以及運動特性。 ( 2 ) 基于平面機構(gòu)運動分析的矩陣法，建立引進m w 風力發(fā)電機組的變槳機構(gòu)的 運動學方程、變槳角速度矩陣以及變槳角加速度矩陣，并運用m a t l a b 軟件進行方程 式、矩陣求解。分析運動軌跡以及運動參數(shù)，對風力發(fā)電機組變槳機構(gòu)進行參數(shù)優(yōu)化。 8 m w 風力發(fā)電機組液壓變槳距機構(gòu)的運動分析和研究 ( 3 ) 應(yīng)用葉素理論，建立風力發(fā)電機組槳葉對變槳機構(gòu)的載荷模型，以及控制油缸 的負載模型。綜合考慮控制油缸缸體、液壓油受載變形以及液壓缸結(jié)構(gòu)原理性泄露 因素，分析變槳控制的精度。 1 6 章節(jié)安排 第一章，緒論。從風力發(fā)電機的發(fā)展歷史、近期國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀等方面介紹了風 力發(fā)電機組的發(fā)展過程以及技術(shù)水平，指出我國風電技術(shù)自主研發(fā)的重要性和緊迫性。 并依據(jù)國內(nèi)外風電技術(shù)研究的現(xiàn)狀，提出了本文的研究課題。 第二章，對引進型1 2 5 m w 變速恒頻風力發(fā)電機組進行分析，建立變槳機構(gòu)的 s o l i d w o r k s 模型，并分析出其運行原理和運動特性。 第三章，運用矩陣法建立了變槳機構(gòu)的運動方程、變槳角速度矩陣以及變槳角加速 度矩陣，求解得出變槳機構(gòu)的多項運行指標參數(shù)。針對該運行參數(shù)，進行了相關(guān)的優(yōu)化， 使變槳機構(gòu)運行更加平穩(wěn)、安全。 第四章，采用葉素原理建立槳葉對變槳機構(gòu)的載荷建模，推導出控制油缸負載方程 式。并從控制油缸缸體受載變形、液壓油受載變形、運動副間隙等方面，研究變槳誤差 的大小。 第五章，全文總結(jié)及展望。 9 m w 風力發(fā)電機組液壓變槳距機構(gòu)的運動分析和研究 2m w 級風機液壓變槳機構(gòu)在s o l i d w o r k s 中的建模 風電技術(shù)發(fā)展突飛猛進，數(shù)十年間風力發(fā)電機組技術(shù)得到空前的進步。由2 0 世紀 3 0 年代小容量的風力發(fā)電機組技術(shù)到現(xiàn)在的兆瓦級大功率風力發(fā)電機組，由定槳距風力 發(fā)電機組到變槳距風力發(fā)電機組等等，風力發(fā)電機組機構(gòu)設(shè)計、控制方法等都得到翻天 覆地的變化。分類形式也多種多樣，按照電機類型分異步、同步型發(fā)電機，按照葉片形 式可分為水平軸式和垂直軸式風力發(fā)電機組，按照槳距角變化分類又可以分為定槳矩失 速型風機和變速恒頻變槳矩風機【“- ”】，按照槳距角變化控制方法則可以分為齒輪變 槳距和液壓變槳距等。 目前，m w 級大功率風力發(fā)電先進技術(shù)主要被數(shù)家大型國際化集團掌握著，其中全 球最大的風力機供應(yīng)商是丹麥的v e s t a sw i n ds y s t e m 公司，其次是德國的e n e r c o n 公司， 其他是丹麥的n e gm i c o n 公司、西班牙的g a m e s a 公司、美國的g ew i n d 公司、德國的 r ep o w e r 公司和西班牙的e c o n t e c n i a 等公司。各公司在風力發(fā)電機組的設(shè)計上都遵循著 風能與機械能相互轉(zhuǎn)化的基本原理進行著，但是各家公司具體采納的實現(xiàn)形式又各有不 同，包括葉片翼型、變槳機構(gòu)、功率控制方式、偏航結(jié)構(gòu)等諸多技術(shù)方面，加上各國間 風電技術(shù)的封鎖，因而造成了風力發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面因公司不同而獨具特色。 鑒于上述情況，十分有必要對本研究中涉及到的引進型風力發(fā)電機組的基本機構(gòu)等 進行一個詳細的介紹和建模，一方面是便于直觀的熟悉風力發(fā)電機組的設(shè)計構(gòu)造，為后 續(xù)的研究打好堅實的視覺理解基礎(chǔ)；一方面建立好風力發(fā)電機組的三維模型，詳細的設(shè) 置好各部件結(jié)構(gòu)的參數(shù)，為準確的分析和研究打好牢固的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。 2 1 風力發(fā)電機基本組結(jié)構(gòu)組成 該引進型風力發(fā)電機組為德國的a e r o d y n ee n e r g i e s y s t e m eg m b h 公司1 2 5 m w 變 速恒頻風力發(fā)電機組，其組成基本包括槳葉、輪轂、機艙、塔架等，如圖2 1 風力 發(fā)電機組基本結(jié)構(gòu)。 其中機艙包容著風力發(fā)電機的關(guān)鍵設(shè)備，包括齒輪箱、發(fā)電機。維護人員可以通過 風力發(fā)電機塔進入機艙。機艙左端是風力發(fā)電機轉(zhuǎn)子，即槳葉和軸。槳葉為捉獲風，并 將風力傳送到轉(zhuǎn)子軸心的設(shè)備?，F(xiàn)代m w 級風力發(fā)電機上，每個轉(zhuǎn)子葉片的測量長度均 超過2 0 米，而且被設(shè)計得很象飛機的機翼。而軸分高速、低速軸，風力發(fā)電機的低速軸 將轉(zhuǎn)子軸心與齒輪箱連接在一起，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較慢。軸中有用于液壓系統(tǒng)的導管，來激發(fā) 空氣動力閘的運行。高速軸以大約1 5 0 0 轉(zhuǎn)每分鐘運轉(zhuǎn)，并驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電進行功率輸出。 并且它裝備有緊急機械閘，用于空氣動力閘失效時，或風力發(fā)電機被維修時進行制動。 偏航裝置的作用是借助電動機轉(zhuǎn)動機艙，以使轉(zhuǎn)子正對著風，以便獲取最大的風能。偏 航裝置由電子控制器操作，電子控制器可以通過風向標來感覺風向。通常，在風改變其 陜西科技大學碩士學位論文 卜輪轂，2 一槳葉，3 一轉(zhuǎn)子軸心，4 一塔架，5 一齒輪箱，6 一高速軸及機械閘 7 一偏航裝置，8 一發(fā)電機，9 一風速計及風向標，1 0 一機艙 圖2 1 風力發(fā)電機組基本結(jié)構(gòu)1 1 7 1 f i g 2 - 1b a s i cs t r u c t u r eo f w i n dt u r b i n e 方向時，風力發(fā)電機一次只會偏轉(zhuǎn)幾度。風力發(fā)電機塔架載有機艙及轉(zhuǎn)子，通常高的塔 具有優(yōu)勢，因為離地面越高，風速越大?，F(xiàn)代m w 級風力發(fā)電機組的塔高為4 0 至6 0 米。 它可以為管狀的塔，也可以是格子狀的塔。管狀的塔對于維修人員更為安全，因為他們 可以通過內(nèi)部的梯子到達塔頂，格狀的塔的優(yōu)點在于它比較便宜陋，s l 。圖2 2 是在 s o l i d w o r k s 2 0 0 6 軟件中機艙的模型圖。 輪轂是連接槳葉和轉(zhuǎn)軸軸心的部件，中間安裝有變速恒頻風力發(fā)電機組關(guān)鍵的機 構(gòu)變槳機構(gòu)。它根據(jù)風速改變風力發(fā)電機組槳葉的槳距角，以保證風力發(fā)電機組 在任何風速情況下，都能獲得該風速下最大的風能。圖2 3 是在s o l i d w o r k s 2 0 0 6 軟件 中風力發(fā)電機組總成后的模型圖。 通過圖2 2 機艙的三維模型可以很清楚分辨各部件的位置情況和相互的連接關(guān)系。 直觀的三維視覺十分清晰明確的表現(xiàn)出實際風力發(fā)電機機艙的具體情況。圖2 3 風力發(fā) 電機組總成圖是所有部件組裝完成后的三維模型，從模型上可以看出實際情況中，風力 發(fā)電機組槳葉、塔架以及機艙的具體大小比例以及裝配關(guān)系。 2 2 變槳機構(gòu)的三維建模 變槳機構(gòu)做為變速恒頻風力發(fā)電機組的核心之一，在槳葉槳距角控制和功率調(diào) 節(jié)上發(fā)揮巨大的作用。變槳機構(gòu)功能優(yōu)良與否，直接關(guān)系著該風力發(fā)電機組的品質(zhì) 水平。變槳控制的形式主要分齒輪變槳和液壓變槳，按照變槳控制形式又分為獨立 變槳和統(tǒng)一變槳兩種【6 1 9 2 0 ，論文課題涉及到的引進型1 2 5 m w 風力發(fā)電機組采用 的是液壓統(tǒng)一變槳機構(gòu)，故本文主要針對該形式變槳機構(gòu)進行研究分析。 根據(jù)德國的a e r o d y n ee n e r g i e s y s t e m eg m b h 公司1 2 5 m w 變速恒頻風力發(fā)電機組 提供的技術(shù)參數(shù)，在s o l i d w o r k s 2 0 0 6 軟件中建立該機型的變槳機構(gòu)的三維模型，如圖 2 - 4 輪轂與液壓統(tǒng)一變槳機構(gòu)三維模型。 1 2 m w 風力發(fā)電機組液壓變槳距機構(gòu)的運動分析和研究 囤2 - 2 機艙的三雛模型圖 f i g2 2t h e3 dm o d e lf i g u r eo f t h ee n g i n er o o l 3 t l 1 _ 輪轂2 調(diào)節(jié)架3 - * 2 制油缸，4 一導向桿 5 變菜輪盤，g - 安全油缸。7 - 蓄能器 ，一圖2 - 4 輪轂與液壓變菜機構(gòu)的三雛模型 囤2 - 3 風力發(fā)電機總成 f i g 2 - 4 t h e3 d m o d e l f i g u r eo f f i g2 - 4 t h e3 d m o d e l f i g u r eo f w