风力发电机动力学仿真研究.pdf
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新疆农业大学学报2010,33
(2):
177-181Journalo|XinjiangAgriculturalUniversity文章编号:
10078614(2010)02017705风力发电机动力学仿真研究付长江,崔新维(新疆农业大学机械交通学院。
鸟鲁木齐830052)摘要:
采用FAST程序进行风力发电机的动力学仿真分析,通过子程序TurbSim生成湍流风文件,调用子程序AeroDyn计算气动载荷并加载到风力发电机的仿真模型上,实现风力发电机的动力学响应计算。
通过FAST程序建立了ADAMS的风力发电机模型,对以FAST实现动力学响应分析进行了探索性的研究。
关键词:
FAST;风力发电视i动力学响应中图分类号:
TK83文献标识码:
AStudyonDynamicSimulationofWindTurbineFuChang-jiangCUIXin-wei(CollegeofMechanicalEngineeringandCommunication,XinjiangAgriculturalUniversity,Uru-mqi830052,China)Abstract:
TheFASTcodewasIntroducedandemployedtOsimulatethedynamicresponseofwindturbine;thewindturbinemodelwasbuiltbythesubroutineTurbSimAfterloadingtheaerodynamicsloadscalculatedfromAeroDynonthewindturbinemodel,thedynamicresponseofwindturbinewasachievedTheADAMSwindturbinemodelwascreatedbyFASTcodeTheresponseanalysis0ndynamicsimulationofwindturbinewerediscussedbyFASTcodeKeywords:
FAST;windturbine;dynamicresponse风力发电机组系统是一个非常复杂的强非线性流一刚一柔耦合的周期时变多体系统。
建立精确的动态模型是困难的。
由于风载荷具有交变性和随机性,叶片作为弹性结构发生振动是必然的。
在正常工作时,叶片在绕转轴作大范围的空间旋转运动时,会产生出旋转平面的挥舞振动、旋转平面内的摆振振动及绕叶片轴线的扭转振动。
叶片振动引起的非周期动载荷通过轮毂直接作用于机组系统。
而机组系统本身就是一个复杂的耦合非线性振动系统,影响系统振动因素较多,包括传动轴的柔性以及电机特性等。
同时轴系在运转过程中将轴系动载荷通过轮毂反作用于叶片,影响叶片的运动形态,进而又影响叶片的受载。
因此,建立风力发电机模型时需要考虑如何简化及求解。
仿真技术广泛吸收了数值计算、力学等学科的理论基础,借助于计算机技术而发展起来的学科。
利用这项技术,可对许多工程中的实际问题进行数值建模仿真。
Wendeh推导了适用于风轮桨叶的气动载荷,用非耦合的非旋转模态研究了其气动弹性稳定性问题1。
Chopra2用非线性半刚性模型研究了桨叶气动弹性响应和稳定性问题。
李立本等3建立风力发电机转子叶片的非线性运动方程,采用模态法求解挥舞、摆振、扭转微分方程并应用了数值结果对风力发电机的气动弹性稳定性进行了分析。
李德源和叶枝全等51对旋转叶片进行有限元离散,采用凯恩(Kane)方法,建立了一般形式的大型风力机叶片柔性多体动力学方程,导出了旋转叶片的空间梁单元动力矩阵的显式形式。
计算了叶片的固有频率。
但上述仿真研究的重点是考察叶轮的气动弹性收稿日期:
20091220基金项目:
新疆金风科技股份有限公司项目(2006BAA01A02)通讯作者:
崔新维,E-mail:
cuixinwei126corn万方数据178新疆农业大学学报2010年稳定性问题,并没有进行风力发电机的动力学仿真分析。
目前国内对风力发电机性能的研究主要借助于GHBladed软件来完成。
本研究采用FAST程序进行风力发电机的动力学仿真分析,通过子程序TurbSim生成风文件,调用子程序AeroDyn计算气动载荷并加载到风力发电机的仿真模型上,实现风力发电机的动力学响应计算。
1模型构建11风力发电机模型风力发电机模型包括风模型、空气动力模型、结构动力学模型和控制模型。
空气动力模型计算叶轮气动性能和气动载荷,结构动力学模型包括叶轮、塔架和传动系统的结构动力学:
控制模型包括变桨控制、偏航控制、发电机变速控制。
空气动力模型根据风模型输入计算出叶片载荷作用到结构动力学模型上,同时结构动力学模型又将结构的变形反馈到空气动力模型上;控制模型获取当前各控制参数信息,根据来流情况及其他需要,对机组进行控制,使风力发电机最大限度捕获风能6。
本研究采用NREL的WindPACTl5MW三叶片变速风力发电机模型,叶轮直径70m,叶片是NREL采用S系列翼型设计,长度为3325m。
塔筒高度8239m,机舱质量51170kg,叶轮质量15148kg。
12采用FAST建立风力发电机模型FAST(Fatigue,Aerodynamics,Structures,Turbulence)程序现由NREL开发和维护,是一个复杂的气弹仿真器,具备计算水平轴两叶片、三叶片风力发电机的极限载荷和疲劳载荷7。
FAST程序由两、三叶片水平轴风力发电机和气动子程序AeroDyn组成。
同时开发了与GHBladed的数据接口8。
2005年,FAST与AeroDyn通过Germa-nischerLloydWindEnergie的评估,认为适合“为设计和认证陆上风力发电机计算载荷”91。
121FAST程序输入、输出文件说明FAST程序的输入、输出文件总体结构示意见图1。
FAST用主程序描述风力发电机运行参数和基本几何尺寸参数。
这些参数包括仿真控制、风力发电机控制、重力环境条件、自由度选择、风力发电机初始条件、风力发电机配置、各部件的质量和转动惯量、传动系、发电机模型、基础模型、塔架模型、机头偏航动力学参数、叶片模型、气动模型、ADAMS数据接口、线性化控制和输出参数说明。
AeroDyn程序是计算气动载荷的子程序。
程序中包含叶片参数,风模型及采用的计算模型。
TurbSim程序是用来生成全域湍流风模型。
Modes程序是用来计算柔性体的固有频率和振型,为FAST输入参数作准备。
图1FAST程序输入、输出文件Fig1FASTinputandoutputfiles122风力发电机的ADAMS模型FAST可以生成ADAMS模型数据,导人数据即可生成风力发电机的模型。
FAST的功能类似于ADAMS的前处理器,此前处理器可以通过简单的指定FAST输入文件来建立模型,方便和简化了使用ADAMS建立风力发电机模型。
但FAST只能建立中等复杂的风力发电机模型,一旦FAST的风力发电机模型建成,只需再添加一些工作,就可建立复杂的ADAMS风力发电机模型。
从FAST传递到ADAMS的风力发电机模型包含了所有FAST中的参数i也夹带了FAST中的一些缺陷,如叶片和塔架的模态截断近似。
而许多FAST模型中无法计算的量,在ADAMS模型中仿真却是常规的,如叶片和塔架的扭转和拉伸自由度、预弯叶片、叶片的质量和弹性中心的偏置、塔架质量中心的偏置、变桨电机的动力学响应分析及ADAMS拥有强大的图形处理能力。
13叶片模型FAST采用线性模态方法来描述风力发电机组的柔性单元,如塔筒和叶片。
FAST使用两阶的挥舞模态和一阶的摆振模态,模态受叶片的结构影响。
在建立变速风力发电机叶片模态模型时,选择一个转速设计点下求解叶片模态振型。
叶轮转速对叶片的模态振型的影响没有对振动频率的影响严重。
影响叶片模态的因素有叶根的约束形式,单位长度质量,挥舞方向和摆振方向的刚度。
柔性较大的叶片在空间做大范围的运动,运动产生的变形使刚度发生变化,轮毂对叶片模态也存在影响。
同时万方数据第2期付长江,等:
风力发电机动力学仿真研究179叶轮转速和桨距角也影响叶片模态。
在发生振动时,叶片的低阶模态响应的贡献率要高于高阶模态响应。
Modes程序计算叶片模态时将叶片分成柔性段和刚性段,不仅考虑以上的一些因子,同时也把叶尖质量也作为一个考虑因子。
通过程序Modes计算叶片挥舞方向和摆振方向的前五阶固有频率见表1。
其振型见图2和图3。
14风模型TurbSim程序生成全域湍流风模型,用IECKAI。
拦王三E三丑言11-11萋一E王三E王丑姿#=王三二=F=;习一lL_-_j__一L-上L_J_1L玉广矗忑1赉广袁矿喇0叶片径向位置(m)圈2挥舞方向五阶振型Fig2Flapwisefivemodeshapesoftheblade时间(s)圈4轮毂高度三个方向的风速Fig43Dwindspeedofthehubheight2结果与分析FAST程序可以作风力发电机的动力学响应仿真分析,可以仿真IEC中规定的工况。
风力发电机的起动、正常顺桨停机、叶片顺桨失败停机、叶片突然顺桨、停机、空转等工况。
本研究所仿真的工况为在13s时叶片1停止正常的变桨,在15s到达指定角度。
通过FAST计算,叶尖出平面位移量的瞬时响应见图6,叶尖平面内位移量的瞬时响应见图7。
从分析结果来看,在此工况下,叶片1叶尖出平面和平面内的位移响应方向较其余叶片总体上不同,叶尖位移响应量大,从图6可知,叶片1的叶尖位移响湍流风模型,IEC规定的A级湍流强度,轮毂高度平均风速为12ms,分析时间为99199s,生成模型见图4和图5。
襄1叶片挥舞方向和摆振方向前五阶固有频率Table1FivefrequenciesofflapwiseandedgewiseofbladeHzojE王三巨王丑言一E壬,t同i-ii羲一;iII二iIIliI萋一j目ii干ii嗣ii寻i干i;i翮il1I-!
Iii一i0一lL广-r药一嚣万丐蠡广吲0叶片径向位置(m)图3摆振方向五阶振型H3FA2ewisefivedirectionshapesoftheblade11l言1昌l硝匿姐时间(s)圈5轮敦高度合风速F嘻5Totalwindspeedofthehubheight应影响了其余叶片的叶尖位移响应。
由图9知,通过FAST程序,叶片1的叶尖在挥舞方向上的加速度响应较大,在摆振方向上却影响了其余叶片叶尖的加速度响应,三支叶片叶尖摆振方向的加速度响应总体增加,叶片2和叶片3的增加量大于叶片1,可得叶片2和叶片3受叶片1的快速变桨在摆振方向上的影响较大。
叶片1挥舞方向的弯矩(RootMybl)和摆振方向的弯矩(RootMxbl)见图10,可知摆振方向的弯矩值变化不大,而挥舞方向的弯矩值急剧变化,这是因为叶片变桨后,气动推力减小(图11)。
同时叶片1叶根的变桨力矩也明显减小(图12)。
il一曼硝匿万方数据180新疆农业大学学报2010年罾嘲静g暄斗茁圈6叶尖出平面的位移响应Fig6Displacementresponeout-of-planebladetip产昌瑙制曩图8叶尖挥舞方向的加速度响应8Theacceleratedresponseofnapwisedirectionofbladetipll量Z邑嵌鲁一一l-1图10叶片1挥舞方向和摆振方向的弯矩Fig10Bendingmomentofbladeoneofflapwisedirec-tionandedgewisedirection皇Z邑墩R圈12叶片1叶根变桨力矩响应Fig12Blade1pitchingmomentatthebladeroot吕咖簿趟墨喧斗产昌越瑙量一叶片叶片:
|;叶片:
时间(a)圈7叶尖平面内的位移响应Fig7Displacementresponsein-planebladetip10Vr7129149。
9v189时间(s)图9叶尖摆振方向的加速度响应911Ie舳eelm-ated他畔ofedgewisedirectionofbladetipZ岜R。
撩瓤农;刚12蠓职图11低速轴推力和剪力响应Fig11ResponseofthrustforceandshearforceofLSS3结论本研究在介绍FAST程序的基础上,并选择了WindPACTl5MW风力发电机模型作为变桨失败的模型进行动力学响应分析。
先对叶片进行了模态分析,得到固有频率及前五阶振型。
通过TurbSim生成轮毂高度平均风速为12rns的风谱。
通过FAST程序计算,得到了叶尖出平面和平面内的位移响应,叶尖挥舞方向和摆振方向的加速度响应及叶片l挥舞方向和摆振方向的弯矩和叶根的变桨力万方数据第2期付长江,等:
风力发电机动力学仿真研究181矩的响应,低速轴推力和剪力响应。
FAST程序对风力发电机的仿真分析,可将分析结果与GHBladed相比较,而且FAST提供的自由度较多,并且对于传统机型而言,对建立动力学模型和利用ADAMS求解动力学响应提供了方便。
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xndxb163corn万方数据风力发电机动力学仿真研究风力发电机动力学仿真研究作者:
付长江,崔新维,FuChang-jiang,CUIXin-wei作者单位:
新疆农业大学机械交通学院,乌鲁木齐,830052刊名:
新疆农业大学学报英文刊名:
JOURNALOFXINJIANGAGRICULTURALUNIVERSITY年,卷(期):
2010,33
(2)被引用次数:
0次参考文献(9条)参考文献(9条)1.王介龙.陈彦.薛克宗风力发电机耦合转子/机舱/塔架的气弹响应期刊论文-清华大学学报(自然科学版)2002
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