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1、泵与风机的仿真研究风机的仿真研究1引言随着国际、国内社会对环境关注程度的不断提高，风力发电越来越受到各国的重视。 近年来，风力发电技术得到迅猛发展，兆瓦级变速恒频风力发电机组已成为当今国际社会 风力发电机组的主流产品，变桨距控制也已广泛应用于大型风力机。电动变桨系统响应快, 不存在液压变桨漏汕问题，受到各风电厂商的青睐。采用电动变桨系统需要调试张动器和 变桨控制器的控制参数，传统的变桨系统控制参数调试是在风场完成。风机现场调试控制 参数受风场环境、安全因索等诸多影响，而且不利于风机的安全。利用仿真技术完成变浆 系统的控制参数设计，不受风场环境限制，并可提高变桨系统的稳定性，延长风机使用寿 命。
2、国外对风机变桨技术研究早，已有一定研究成果1 2,国内在这方面的研究还比 鮫少。本文在对文献1中惯性负载、升力扰动详细分析基础上，结合国内风机叶型现 状分析重力负载影响，并完善文献1中气动负载扰动分析，实现变桨系统扰动负载的 数值仿真。基于变桨系统数V建模、扰动分析和直流电动变桨系统控制结构完成变桨系统 的计算机建模并搭建变桨系统仿真平台，通过对变桨系统进行仿真得出满意的控制参数范 围，仿真结果可指导实际风机变桨系统控制参数调试。2风机变桨系统仿真平台风机变桨系统仿真平台rti变桨系统和工况模拟系统组成。如图I 所示，变桨系统包括变桨控制器、变桨驱动器和变桨电机，通过编码器反馈实现对变桨电机
3、的速度和位置控制；工况模拟系统包括工况模拟控制器(PLC)、交流带载电机、驱动器、 变流器。为使工况模拟系统接近实际变桨系统工况，选取与计算出的变桨系统折算至变桨 电机轴侧惯量接 近的交流伺服电机，将交流电机设置为力矩控制模式，通过PLC控制其 力矩大小。仿真时交流带载电机通过联轴器与变桨电机联接并被变桨电机拖动进入发电状 态，所发电量通过变流器回馈电网。变桨系统和工况模拟系统通过Profibus进行通倍，利 用IEC61131 -3编程语言完成变桨控制软件和工况模拟软件。由风机变桨系统的数学模 型、扰动力矩分析和计算机模型指导变桨系统仿真平台的搭建。圏丨变莱粟烷仿真丰台堵构匿3风机变桨系统数
4、学模型典型的风力机电动变桨系统由变桨控制器、变桨电机、传动系统、 风机桨叶构成。根据变桨电机、传动系统和风机桨叶的力矩平衡关系，得到变桨系统数学 模型：J(13 dt+ b3 +Td = TM ( 1)其中:J = JB + JM + JTTd = Ta + Tg + Ti + T f 式(1)中 J 表示折算 到电机轴的变桨系统转动惯量，包括变桨电机的转动惯量JM,折算后传动系统的转动惯 量JT,折算后风机桨叶的转动惯量JB;表示变桨电机转速;b表示与变桨转速侑关的 阻尼系数;Td表示折算至电机轴的变桨系统的扰动力矩，包括折算后的气动负载Ta、重力 负载Tg、惯性负载Ti、摩擦负载Tf扰动力
5、矩;TM表示变桨电机的输出力矩。4变桨系统扰动负载分析根据风力机变桨系统的空气动力学和运动学分析，将变桨系统的 扰动力矩分为4类：气动负载、重力负载、惯性负载、摩擦负载。文献1对变桨系统 造成扰动的离心力、升力、空气阻尼进行了分析，将其分别归类为惯性负载和气动负载。4.1气动负载风力机是一种从风中吸取能量的装置，现代风力机全都采用风力机叶片的升力來带动叶轮转动3,风力机的风能转换系统，变桨系统都与空气动力有紧密的关系。 如图2所示，V0为原始风速，a为反映风速轴向变化的轴向诱导因子，/为反映风 速切向变化的切向诱导因了， Q为风伦转速，Vrel为入流风速，a为攻角，3为 桨矩角，2为入流角，L
6、为升力，D为阻力。阻力与弦的夹角为a ,升力与阻丿J垂直。 升力在弦的法向分力LN大小为Lcos( a ),阻力在弦的法向分力DN人小为 Dsin( a) o升力、阳力在弦的法向上的分力将会对变桨产生影响。oniu) 7 zWWTBI图2叶片戡;面气动负载示意图Mlift = / RR0P 2Vrcl 2cClcos( a ) addx=Z P 2Vrel 2cClcos( a ) ad A r(2)Mdrag = f R ROP 2Vrel 2cCdsin( Q ) addx=E P 2Vrel 2cCdsin( a ) ad A r(3)上式表示升力、阻力对变桨系统产牛的扰动力矩，其中P表
7、示空气密度，c表示弦长，C1 表示攻角对应的升力系数，Cd表示攻角对应的阻力系数，ad表示升力作用点沿弦长到 变桨轴的距离，R0表示叶根距风轮旋转中心的距离，R表示叶尖距风轮旋转中心的距 离。气动负载扰动力矩可表示V： Ma = Mlift + Mdrag ( 4) 4.2重力负载 实际风力机桨叶的重心并不在变桨轴上，这样风伦旋转时由于风力机的3片桨叶在空中所处位置不同，3 片桨叶的重力对3台变桨电机造成的扰动力矩也不同。变桨系统所受的重力负载与桨叶 随风轮旋转所处的位置有关。如图3所示，设坐标系(X, Y, Z)位于机舱，不旋转，Z 轴竖直向上，Y轴指向机舱尾部，X轴与Y、Z轴垂直；处标系(
8、Xrot, Yrot, Zrot)为 关于Yrot轴旋转的旋转坐标系，Zrot轴作为变桨轴，Yrot轴与Y轴重合，(Xrot, Zrot)构成旋转平曲，旋 转坐标系关于坐标系（X, Y, Z）旋转的角度为e Wingo在坐标系（X, Y, Z）内，重力在X, Y轴上分量为0,进行如下朋标变换:cos B wing Osin Owing 0 1 0 sin 0 wing 0 cos 0wing XY 1 Z=Xrot YrotZrot Quof *1HY y zD -1-ru图3璽力负載示曹图= Znin（0 ;Z* = ZcOH（ Uj|t|于Zrot轴与变桨轴重合，重力沿Zrot轴平行方向的
9、分力不影响变桨系统。如图4所 示，将风机桨叶映射到旋转朋标系（Xrot, Yrot, Zrot）内，对变桨轴产纶影响的重力分力 打Xmt轴平行，用ag表示重心沿弦2到变桨轴距离，B表示桨矩角。匿4重力负载分析mgsinf ) tin( 0) dx则重力负载(5)= I rrisin( 0) in( fl) alx4. 3惯性负载风力机风轮旋转时桨叶上会产牛离心力，市于桨叶重心不在变桨轴，变桨时该离心力的分力会对变桨系统产生扰动，称为惯性负载。如图5所示，桨叶截面重心 为Sp,风轮旋转产牛的离心力可分解为两个分力：与变桨轴平行的分力FN,与变桨轴垂 直的分力FB,将FB分解到叶弦的法向和轴向上，
10、町知FPr为对变桨系统产生扰动的力, ag为力臂，有：Mi = FPrag如图6和图7所示，因风伦旋转造成的离心力：dFcen = Q 2Rdm,其中 R = agcos( 3 ) sin( 6 );而 FB = Fcensin( 6 ),则：图5桨叶惯性负载示意图dFf. = co( HI /m；如图 4：心=Fffsin( fi)贝片ilMj = ?sin( i cw( (f) dm图G憎性负載分析图叶片圏7惯性负載分析圏整个桨叶由于离心力对变桨系统造成的扰动力矩：Mk = I /a Min( fi) ! Fp分别表示电流环、速度环、位置环反馈系数。由图9知，变桨系统是一个典型的3闭环运动
11、控制系统。结合上述变桨系统扰动负载分 析，将变桨系统的扰动计算用程序实现，扰动计算程序主流程如图10所示。力何编化图山变桨系统扰动计算滦程图结合实际风机变桨系统，将电流环、速度环控制器设为PI控制器，位置环设置为PID控 制器，将实际变桨系统中驱动器、电机、控制器参数和风场工况设置进计算机仿真模型，进 行仿真，仿真结果如图11所示。5. 3变桨系统仿真平台仿真变桨控制器内的控制参数 设置的不合理，风机在变桨运动中如遇一阵强风将会使变桨电机发生震荡，无法完成变桨 任务，对风机的安全造成隐患。该变桨方案变桨控制器采用Bachmann变桨控制器，变桨 电机釆用直流伺服电机；工况模 拟控制器采用Bec
12、khoff控制器，控制交流电机力矩。如图 12所示，对变桨系统进行仿真分析前，变桨系统的转速在扰动力矩作用下改变为I. 2%, 变桨系统稳定性差。如图13所示，对变桨系统进行仿真分析，重新设置控制器参数，变桨系统对扰动力矩的抑制效果好，变桨系统的转速在扰动力矩作用下改变为0.2%,变桨系统的稳定性提高，S H变桨系统计算机仿真结果图12仿真分析前抚动负莪下变桨宅机转速可稳定的完成变桨任务。6结语本文研究了风力机变桨系统的仿真过程，根据风力机变桨系统的力学分析，建立了 变桨系统的数学模型，并对变桨系统数学模型中的变桨扰动负载做了力学分析。结合实际 的变桨系统画出了变桨系统的信号流图。在分析风力机
13、变桨系统数学模型、扰动负载和变 桨系统信号流图的基础上借助MATLAB软件实现了变桨系统在SIMULINK环境下的计 算机建模，并进行了变桨运动控制系统的仿真。根据变桨系统的计算机模型搭建变桨系统 地面仿真实验平台，使交流带载电机工作在力矩模式与变桨电机对拖进行仿真实验。利川 变桨系统地而仿真实验平台模拟风场工况，在地面完成变桨系统的仿真和控制参数调试。 根据木文的变桨系统仿真分析可指导实际变桨系统控制参数调试，因此具冇一定应用价泵的仿真研究作者：北京理工大学 仇滔刘兴华摘要：电控单体泵(EuP)燃油喷射系统是一种电磁阀溢流控制式供油系统。采用 AMESim4. 0通用液压分析软件对电控单体泵供油系统进行了建模仿真，将单体泵喷油试 验台架的试验结果与仿真结果进行了対比验证，结果表明，建立的模型具有较高的可信度。 关键词：柴汕机；
