大型风电机组变桨距载荷计算与特性分析.pdf

中国科学:技术科学2010年第40卷第7期:778~785
《中国科学》杂志社
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论文

大型风电机组变桨距载荷计算与特性分析

戴巨川①②*,胡燕平①,刘德顺①②,龙辛③

①湖南科技大学机电工程学院,湘潭411201;
②中南大学机电工程学院,长沙410083;
③湘电风能有限公司,湘潭411000
*E-mail:[e-mail]

收稿日期:2009-08-01;接受日期:2009-10-10
国家自然科学基金(批准号:50975086)和国家高技术研究发展计划(”863”计划)(批准号:2006AA05Z401)资助项目

摘要以大型水平轴式风电机组电动变桨距系统为研究对象,对其因离心力引起的变桨距关键词
载荷、气动力引起的变桨距载荷、重力引起的变桨距载荷等进行深入研究,建立了变桨距载荷计变桨距载荷
风电机组
算数学模型.以某1.2MW风电机组为典型算例,对前述变桨距载荷进行了独立和综合的计算与
独立变桨距
特性分析.结果表明,在叶轮转速、来流风速和节距角一定时,叶轮旋转一周过程中变桨距载荷
变桨轴线
波动呈相似余弦曲线变化,在不同节距角时波动幅值差异较大.文中提出的风电机组变桨距载荷
计算思路与方法具有一定普适性,可为独立变桨距系统深入分析和研究提供理论基础.

在当前大型风电机组设计中,桨叶节距角同步中,多集中于对风电机组变桨距系统控制方法研究,
调整的统一变桨距技术(策略)已被普遍采用[1,2].近鲜见对大型风电机组变桨距载荷计算方法与特性的
年来,通过单独控制每支叶片以缩减风电机组叶片系统研究与分析报道.在国际著名的风电机组仿真
载荷波动的独立变桨距技术(策略)也引起了众多研软件GHBladed中,利用转移函数来近似模拟变桨距
究者的关注[3~10].然而,无论是采用统一变桨距策略执行机构特性,考虑了空气动力桨叶力矩、轴摩擦等
还是独立变桨距策略,每支叶片采用独立的变桨距的影响[5];SelvamK等人[6,7]在独立变桨距研究中,忽
驱动机构已成为主要方式之一.在变桨距过程中,变略变桨距执行机构动力学特性,建立了叶片—塔架
桨距载荷随节距角、旋转位置角的变化不可避免会影动力学方程;林勇刚、郭洪澈等人[8~10]进行变桨距系
响其平稳性.在采用统一变桨距策略时,这种波动甚统结构设计与分析,采用近似计算公式,分析了离心
至会造成不同叶片间的不同步现象;对独立变桨距力引起的变桨距载荷.论文以电动变桨距系统为研
策略来说,风电机组变桨距过程更加频繁,变桨距载究对象,对大型风电机组变桨距过程中离心力引起
荷的时变性给变桨距过程的平稳性和有效性造成的的变桨距载荷、气动力引起的变桨距载荷、重力引起
影响更为显著,也增加了变桨距系统动力特性分析的变桨距载荷等进行深入研究,建立了变桨距载荷
的难度.因而,掌握变桨距过程中的载荷特性,是理计算模型,对各种载荷特性进行了独立和综合的计
解整个变桨距系统内部耦合机理,优化变桨距系统算与特性分析,为独立变桨距系统的设计、分析提供
结构、控制策略的基础.在现有变桨距系统研究文献了良好的理论基础和准备.

引用格式:DaiJC,HuYP,LiuDS,etal.Calculationandcharacteristicsanalysisofbladepitchloadsforlargescalewindturbines.SciChinaTechSci,2010,53:
1356−1363,doi:10.1007/s11431-010-0058-8
中国科学:技术科学2010年第40卷第7期

1独立变桨距传动系统2变桨距载荷计算模型

图1所示为一种电动独立变桨距传动系统结构2.1离心力引起的变桨距载荷计算模型
模型,当变桨距控制器发出变桨距控制指令后,驱动
取叶片上一段长度为dr,与叶片变桨距轴线z垂
电机输出转矩,经过传动轴和减速机构,最后经主动
直的叶素为研究对象,建立离心力引起的变桨距载
齿轮传递至桨叶轮毂内齿圈上,从而带动回转支承
荷计算模型如图2所示.图中点B位于叶素的质心处,
的内环与叶片一起旋转,实现了改变桨叶节距角的
轴y为风电机组叶轮转轴,叶片以角速度ω绕其旋转.
目的,桨叶节距角的变化值由位置传感器进行反馈.
面xOz′′与叶轮转轴y垂直,点O为变桨距轴线z与y
设电机输出转矩为Ta,传递至内齿圈z6上的转
′′
轴的交点;面xOz与叶轮转轴y垂直,交于O1点,且
矩为To,叶片上产生的变桨距载荷(阻力矩)为Tl,各1
′
传递齿轮的齿数分别为z1,z2,…,z6,则有(1)和(2)式变桨距轴线z与当前截取叶素的交点L在轴z上;面

成立