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大型风电机组传动链地面试验工况模拟技术研究综述

更新时间:2009-03-28

0 前言

风电机组传动链主要由主轴、齿轮箱、发电机、变流器等组成,是风电机组的核心部分。风电机组传动链也是机组中故障率较高,故障停机时间最长的部分,对于整机性能的影响至关重要[1]。随着风电技术的快速发展,风电机组大型化已成为发展趋势。大功率风电机组的运行环境复杂恶劣,运维难度大,对机组及其传动链部分的试验要求越来越高[2]

风电机组传动链试验通常以现场试验为主,但现场试验受制于试验环境影响,试验成本较高、试验风险较大,且很难为传动链的设计优化改进提供及时、完整的数据支撑。近年来,国内外对传动链地面试验更加重视和依赖,拟通过地面试验,确保传动链性能满足要求,同时为传动链各个设计研发环节提供技术支撑。许多国家研制建设了功率等级更大、功能更完善的传动链地面试验平台,这些试验平台已在大功率风电机组的试验环节中发挥了重要作用[3]~[5]

4.黄河口资源优势的再审视。通过以上分析不难发现,黄河口旅游资源具有两大优势,一是自然资源优势——黄河口原生湿地生态优势,二是文化资源优势——黄河入海口深厚的文化底蕴。目前在产业发展与学术研究中,都认识到了黄河口湿地生态资源的优势,在规划和营销中都强调和应用到了这一优势,但对文化优势缺乏应有的认识和利用,基于“文化是旅游本质”的认识,有必要对黄河口旅游资源优势做一基本界定:

传动链工况模拟是地面试验中的关键环节,在地面试验平台上准确模拟出传动链各种运行工况是确保试验效果的前提和关键。由于地面试验平台与实际机组物理结构的差异以及传动链运行工况的复杂多变,使工况模拟技术一直以来都是地面试验技术中的难点。本文针对国内外近年来在传动链工况模拟技术方面的研究进行调研总结,并提出了未来研究方向和展望。

1 传动链地面试验工况

受风况、电网等因素作用,风电机组传动链的运行工况复杂。德国劳氏船级社(Germanischer Lloyd)、国际电工委员会(IEC)等发布的相关标准,对风电机组的设计工况进行了详细的定义说明,这是选取传动链地面试验工况的重要依据[6],[7]

早期的传动链地面试验大多采用拖动平台,部分配有电网故障发生装置,只具备对叶轮气动转矩以及部分电网故障的模拟功能。后来,随着五自由度非扭矩载荷加载装置的研制与应用以及电网模拟系统功能的不断完善,使地面试验平台已能实现完整风载荷和不同电网条件等复杂工况的模拟[3]~[5]

2 叶轮转矩模拟技术

2.1 叶轮转矩模拟系统

叶轮转矩模拟是地面试验平台具备的基本功能,采用风力机模拟系统模拟是常规的方法。目前,国内外试验平台风力机模拟系统的主体结构方案分为“永磁同步电机”方案和“异步交流电机+减速齿轮箱”方案(图1)。文献[8]对两种方案进行了详细的分析比较。由于永磁同步电机方案整体可靠性较高,刚性较好,运行噪声相对较小,因此,近年来,国内外更倾向于采用永磁同步电机方案。值得注意的是,在国外,8 MW级以上的试验平台,通常以双电机串并联驱动替代大功率单电机驱动,这是因为大功率电机设计制造难度大,且体积和重量较大。采用双电机方案的控制过程更加灵活简单,可根据被试传动链功率等级合理地进行转矩和功率分配,能够提高模拟精度。国外的相关方案可为我国未来建设同功率地面试验平台提供借鉴。

  

图1 传动链地面试验平台风力机模拟器结构形式Fig.1 The structural of wind turbine simulator on the drive-train ground test bench

2.2 叶轮转矩模拟控制

在对叶轮气动转矩的模拟控制方面,国内外较多地采用转矩控制和转速控制两种控制模式[9]。理论上这两种控制模式可以实现相同的模拟效果,在某种情况下,采用转速控制更为稳定。但是,进行转速控制须要建立并实时求解机组整机运动方程,而电磁转矩等部分参数通常较难直接获得[10]。另外,转速控制对拖动电机的转速环带宽要求较高,并且与机组控制目标产生重合[10],[11]。鉴于上述原因,德国亚琛工业大学、德国弗朗霍夫研究所等许多研究机构都以转矩控制作为主要控制模式。尽管美国国家可再生能源实验室(NREL实验室)采用两种控制相结合的方式进行控制,但仍采用转矩控制来模拟关键工况。我国对于转矩控制技术也有大量研究成果,但主要应用在电机对拖平台上,针对传动链试验平台的相关应用报道不多。

国内外研究人员较早地开展了针对叶轮转动惯量模拟方法的研究。目前,广泛采用基于加速度反馈的转矩补偿方法,以实时修正驱动电机的转矩参考值,实现对叶轮转动惯量的虚拟补偿。该方法原理明确,实现简单[11]。但是,大量试验表明,应用该方法的模拟系统存在失稳现象,并表现为明显的补偿转矩振荡[13]。因此,为提高模拟稳定性和准确性,国内外针对模拟系统失稳原因进行了深入研究,发现用于求取传动轴加速度而引入的微分环节是导致模拟系统失稳的主要原因,而且被试机组叶轮与试验平台转动惯量差异越大,系统失稳越严重[10],[14]。目前,针对微分环节的影响机理问题,主要存在两种观点。其中一种观点认为,微分环节对中、高频扰动信号产生了放大作用,引起系统不稳定,须要在补偿回路中增加低通滤波器[15],[16]。但是,当模拟较大转动惯量时,低通滤波器的时间常数也必须相应增加,这样影响了系统模拟带宽,甚至影响对由塔影效应等因素引起的脉动转矩的模拟效果。另一种观点认为,微分环节的时滞性使补偿转矩出现了滞后偏差,进而导致模拟系统不稳定。南京理工大学的研究发现,微分计算环节比驱动电机转矩输出滞后1个时间步长,这将激发一个偏差响应分量;再加之通讯时滞的影响,使得当机组叶轮与试验平台转动惯量比大于2时,偏差响应分量将无法收敛,进而导致系统振荡[17]。对此,设计了一种考虑通讯时滞的高阶数字滤波器,有效地抑制了系统振荡问题,但须要对滤波器中的偏差抑制参数进行试取[18],[19]。另外,试验平台通讯时滞可能会发生动态变化,因此还须进一步提高数字滤波器的鲁棒性。除上述研究之外,有的学者通过设计观测器获取加速度参数,避免了微分环节的应用,但也相应增加了系统的复杂程度,其模拟效果也有待于进一步验证。因此,未来研究重点仍集中于如何通过物理优化、硬件优化和控制优化等提高模拟稳定性。目前主要采用仿真方法验证模拟效果,未来将要开展现场试验验证,对模拟效果做出更加全面客观的评价。

《结婚十年》是苏青最具代表性的一部带有自传体性质的长篇小说。书中主要描写了女主人公苏怀青与丈夫徐崇贤十年以来的平淡而又辛酸的婚姻生活,揭示了一个渴望追求新生活的都市女性,在新旧思想交替的战争年代与男权压抑之下的漫长而又曲折的心路历程。

在转矩控制模式下,基于矢量控制、直接转矩控制等方法可使驱动电机快速、准确地输出目标值[12]。但采用风力机模拟系统替代机组叶轮部件,使地面试验平台的转动惯量、扭转刚度及阻尼等机械参数,与实际机组相比发生了较大变化。这样,即使驱动电机输出和实际机组的动态转矩相同,被试传动链动态响应特性也将存在明显差异。因此,在进行动态叶轮转矩模拟时,须要同时考虑对叶轮特性的模拟补偿。

目前,国内外尚未全面开展以下两个方面研究,在后续的工作中应进一步考虑:一是液压缸加载力优化方法研究;二是塔筒刚度影响机理及其补偿方法研究。由于加载装置液压缸数量较多,各液压缸加载未知力数量可能超过加载约束方程数量,因此须要对液压缸加载力进行合理分配和优化,以提高加载效率,降低加载能耗及控制难度。由于试验平台支撑部件刚度与塔筒刚度的不同,导致地面试验时传动链内部承载特性发生变化。因此,须要深入研究塔筒刚度对传动链承载特性的影响机理及其虚拟补偿方法。

3 五自由度非扭矩载荷模拟技术

3.1 五自由度非扭矩载荷加载装置

德国亚琛工业大学等研究机构采用的加载装置如图2(a)所示。该装置液压缸呈集中式分布,并铰接在轴承座上,通过滚动轴承传递载荷。该加载装置的最大优点是总体结构简单、成本较低,且加载精度更容易得到保障。但是,滚动轴承的使用使系统可靠性有所降低,同时对被试传动链产生了一定的位移约束。美国克莱姆森大学等研究机构采用的加载装置如图2(b)所示。该加载装置液压缸数量较多,均布在承载盘上,液压缸与承载盘之间通过液压滑动轴承进行浮动连接,承载盘与被试传动链刚性连接并随之转动。该加载装置的最大优点是可有效模拟因风切变、叶轮覆冰等因素引起的叶轮不平衡载荷,同时承载盘可起到一定的叶轮惯量物理补偿作用。但是,该结构相对复杂,控制难度较大,加载精度影响因素较多。

ITIC曲线最早在1980年由美国的敏感设备生产组织提出。为了预防计算机等敏感设备受到电能质量问题的影响,ITIC曲线用于直观地描述计算机设备承受电力系统的电压变化持续时间和幅值的能力,而最早的ITIC曲线绘制参考了大量的实验数据、计算机的记录等。对于其他敏感设备曲线,可参照ITIC曲线并视实际情况制定[26,27]。

采用风力机模拟系统仅能够模拟叶轮转矩载荷,随着对传动链可靠性要求的提高,须开展完整风载荷作用下的地面试验。对此,美国NREL实验室首次采用液压式五自由度非扭矩载荷加载装置,用于对非扭矩风载荷进行模拟。近年来,国外许多科研机构在其新建立大功率试验平台上也相继配备了载荷加载装置,在系统集成度、动态模拟性能等方面均有较大提高,其结构形 式各 具特 点[3]~[5],[22]

  

图2 传动链地面试验平台加载装置结构Fig.2 The structural of load application device on the drive-train ground test bench

高压变频器H桥级联方案在主电路中采用多个低压功率单元串联叠加实现高压输出,输出电压的大小由功率单元串联个数决定。该方案优点在于技术相对成熟,成本较低,输出电压范围灵活可调,但其输出端每次只能测试一种设备。高压多电平方案采用模块化多电平拓扑,逆变部分采用3个单独的逆变器以共直流母线联接。该方案优点在于输出电压精度较高,且谐波含量少,但其控制相对复杂,成本较高。

3.2 五自由度非扭矩载荷模拟控制

在对非扭矩载荷的模拟控制方面,由于加载装置包含复杂的电液系统,因此在进行控制器设计时,须要考虑诸如零位死区、油膜粘性、油液泄漏等非线性和不确定因素的影响,使其具备较好的加载跟踪性能和加载精度。这可以从两个方面加以考虑:一是选取线性度及动态响应较好的电液阀部件;二是在控制模型设计过程中,对非线性及不确定因素影响进行有效处理,以降低其影响。浙江大学采用了零开口四边滑阀,消除零位死区因素的干扰,后来又采用一种内部自带反馈的电液比例阀系统,降低控制器设计难度[25],[26]。但是,这类电液阀部件价格昂贵,且实际控制精度也有待于进一步验证。浙江大学还对复杂系统进行了线性化处理,并设计PI控制器[27]。但是,模拟加载之前须要对PI参数进行多次试取,以达到最佳模拟效果。当进行长时间模拟加载时,由于油温、供油压力等因素发生变化,必须对PI参数重新进行选取,降低了模拟效率和模拟稳定性。美国克莱姆森大学设计了滑模控制器,该控制器对于非线性及不确定因素具有较强的鲁棒性,但该控制器容易产生输出抖动,从而对模拟载荷造成高频干扰[28]。鉴于载荷模拟影响因素较多,未来还须深入分析不同因素的影响机理,优化改进现有控制方法,使其对各种扰动因素影响具有更好的自适应性。目前,国内外对载荷模拟精度验证和误差来源分析方面的研究报道不多。美国克莱姆森大学通过仿真方法初步验证了模拟误差可控制在5%以内,并对几种重要的误差来源及其对总误差的贡献率进行了分析[29]。但是,仿真模型通常会对部分难以建模的非线性和不确定因素进行简化,因此,加载误差的分析结果并不完全可信。未来应基于地面试验,进一步验证模拟精度,并研究减少误差影响的相关措施。

通过对转动惯量的模拟能够使被试传动链动态变化过程更加真实。但是,采用风力机模拟系统替代叶轮部件后,试验平台与被试传动链总体扭转刚度降低,其耦合固有频率相对于实际叶轮-传动链系统发生了明显偏移,导致被试传动链动态响应特性仍未反映机组传动链的真实耦合特性,甚至所模拟的叶轮转矩频率范围超过试验平台自身1阶固有频率。这将加剧被试传动链的动态响应波动,并可能导致试验平台过早发生疲劳损伤[20]。因此,须要进一步对叶轮-传动链耦合固有频率进行复现,并对试验平台自身扭振进行抑制。德国亚琛工业大学和德国弗朗霍夫研究所等机构通过设计线性二次高斯控制器,并对试验平台状态方程进行最优反馈的方法实现上述模拟目标[20],[21]。仿真验证结果表明,线性二次高斯控制器具有较理想的固有频率模拟效果及扭矩抑制效果,但其对于通讯滞后等不确定性因素扰动的抑制作用,仍有待于进一步改善。另外,在进行控制器设计时所建立的机组叶轮-传动链虚拟动态模型为简化质量块模型,该模型在求取机组固有频率时存在一定偏差。因此,在不影响模拟跟踪性能的前提下,须要对叶轮-传动链虚拟动态模型进行细化完善。

4 电网模拟技术

4.1 电网模拟系统

除风载荷工况之外,电网工况是传动链另一重要运行工况。风电机组并网运行特性一直以来都受到国内外的广泛关注,对不同电网条件进行模拟也是传动链地面试验平台具备的基本功能。国内外早期较多采用基于阻抗形式或变压器形式的电压跌落发生器,可按照预定指令输出各种电压跌落波形,主要用于验证被试机组是否具备相关标准所要求的低电压穿越能力。随着对风电机组电网适应性要求的提高,这种对单一电压跌落故障的被动模拟方式已不能很好地满足试验需求。近年来,基于电力电子变换器形式的大功率电网模拟器被普遍采用,通过结合硬件在环技术实现对电网实际运行工况的真实模拟,包括电网正常运行条件及低电压、高电压、谐波、频率波动等异常及故障运行条件[3]~[5],[30]。 目前,国内外所采用的电网模拟器拓扑结构方案主要有两种:一种是高压变频器H桥级联方案[图3(a)],另一种是高压多电平方案[图 3(b)]。

  

图3 传动链地面试验平台电网模拟器拓扑结构Fig.3 The topology scheme of grid simulator on the drive-train ground test bench

我国关于这方面的研究起步较晚,华锐风电公司和浙江大学等曾分别提出过大功率试验平台加载装置设计方案,但尚未研制出样机[23],[24]。由于国外的加载装置产品价格高昂而没有引进,使国内大功率试验平台暂不具备非扭矩模拟功能,不能开展全工况地面试验,因此亟须加快加载装置国产化的研制进程。

将相位屏仿真的在轴闪烁指数结果与理论公式计算的在轴闪烁结果进行对比可得到图3所示结果,该理论结果与文献[15]相一致.图3为贝塞尔高斯涡旋光束在轴闪烁指数随光束宽度的变化情况,其中参数设置为从图3中可以得出贝塞尔高斯涡旋光束在轴闪烁指数相位屏仿真结果与理论计算结果相差无几,且随着光束宽度的增大,贝塞尔高斯涡旋光束的在轴闪烁指数变化呈现先增大后减小再增大的情况,其中w0≈0.012 m附近处的在轴闪烁指数呈现最大值,w0≈0.044 m附近处闪烁指数呈现最低值.

初中生长期接受传统的教学,在新型的课堂教学方式推行之初,学生可能没办法完全接受,所以我们在数学教学过程当中要根据学生的实际情况,选择科学合理的课堂教学方式方法,让学生能够愉快地接受教学方式的转变。只有这样,学生的数学能力才能得到有效提升,初中数学课堂的质效也能够得到提升。我们可以从以下三个方面提高初中数学课堂质量和课堂效率。

目前,我国针对大功率电网模拟技术的研究相对较少,尽管已有基于高压变频器H桥级联方案的相关产品,但其可靠性有待验证,并且鲜有大型风电机组传动链地面试验平台应用的相关报道。

4.2 电网模拟控制

在电网模拟控制方面,经过多年来的不断优化改进,电网模拟器整流侧及逆变侧所采用的控制策略已达到理想的控制效果。近年来,德国亚琛工业大学、美国NREL实验室及中国科学院电工所、中国电科院等开展了大功率电网模拟器电压模拟质量的仿真及试验验证工作[30]~[31]。德国亚琛工业大学也对国内外普遍关注的电网模拟器谐波影响问题进行了深入研究。通过计算发现,因电网模拟器滤波器件的重要作用,使机组并网口总谐波畸变率小于5%,满足相关标准对机组电能质量的要求,但对于电网模拟器谐波影响机理问题尚未进行深入研究。另外,德国亚琛工业大学研究发现,尽管电网模拟器能够模拟出符合标准要求的低电压波形,但当改变电压瞬态下降时间等模拟参数时,传动链高速轴电磁转矩会发生明显变化,进而影响传动链机械特性试验结果[4]。因此,在试验时须结合机组实际运行情况对相关模拟参数进行合理设定。目前,国内外所开展试验验证的重点是针对电压跌落故障,因相关标准的滞后,导致针对高电压、频率波动等工况的模拟效果尚未得到全面有效的试验验证。

论文扩展的四旋翼飞行器避障功能可以实现飞行过程中躲避空中的树枝等有空隙的障碍物,但由于设计的避障程序并没有考虑遇到没有空隙的障碍物的情况,因此如果遇到墙壁等没有空隙的障碍物时只能靠操作者自主躲避,曾想模仿二维走迷宫的算法使用堆栈存储路径做到自主寻路,但是由于空中环境的复杂性与四旋翼飞行器自身的限制,暂未发现高效算法来实现。四旋翼飞行器因其结构的对称性以及正反桨的应用使其对比其他飞行器具有相对优秀的平衡能力与较为简单的操作方法,可以预见随着无人机的发展,在未来生活中它将会越来越大众化,为人类带来越来越多的便利,因此对四旋翼飞行器的结构、原理以及飞行动作进行探讨具有较好的现实意义。

5 结论

在风电机组叶轮转矩模拟技术研究方面,要进一步优化完善叶轮转动惯量模拟控制方法,并深入开展对机组叶轮-传动链耦合固有频率的模拟复现研究,使被试传动链动态响应特性更接近真实机组。

在风电机组非扭矩载荷模拟技术研究方面,要深入研究各种非线性及不确定性因素对模拟控制器的影响机理,优化现有控制方法;同时要开展液压缸加载力优化方法研究及塔筒刚度虚拟补偿方法研究。另外,应加快载荷加载装置的国产化研制进程。

尽管电网模拟技术目前已相对成熟,但须要对电网模拟器与被试机组耦合影响机理问题进行深入研究,并对高电压、频率波动等工况的模拟效果开展试验验证。

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宋斌,胡书举,孟岩峰,李丰林
《可再生能源》 2018年第05期
《可再生能源》2018年第05期文献

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