一种风机变桨电机选型参数获取方法、系统及选型方法

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，涉及变桨系统设计领域，具体涉及一种风机变桨电机选型参数获取方法、系统及选型方法。

背景技术

目前，兆瓦级变桨型风力发电机在额定风速以上运行时，主要通过改变叶片的桨距角去调整风机叶片的受力情况，进而控制风力发电机的功率和转速在额定值附近。但是，由于自然界的风具有随机多变不稳定的特性，致使叶片上受到的风载不停变化，叶片的桨距角亦时刻在变化，而叶片桨距角的改变主要通过变桨电机驱动变桨减速装置去实现，这就导致作用在变桨电机轴上的转矩值也是在时刻变化。所以，对风力发电机变桨电机转矩参数的选取与其他稳定负载类型传动系统的电机转矩选择有很大的差别。

变桨电机的转矩参数(额定转矩和极限转矩)是电机一个重要技术参数，该参数若选取过大，则会使电机的利用率降低，造成一定的资源浪费，增加风机成本，不经济划算。若选取过小，则风机在变桨运行过程中，电机发热比较严重，大大缩短变桨电机的使用寿命。因此，根据风力发电机变桨电机实际受力情况，选择合适的变桨电机转矩参数对风力发电机的长期稳定运行十分重要。

现有技术中对变桨电机参数的计算有一定的研究，如参考文献《基于最大均方根的变桨电机额定转矩》(作者：李涛等)，其公开了一种变桨电机额定转矩的计算方法。该计算方法仅仅研究了变桨电机额定转矩的计算方法，并不涉及对变桨电机极限转矩的计算，并且该方法在选取变桨电机额定转矩时，仅仅简单的选择额定转矩最大值作为选择依据，并未考虑其对应的变桨电机的转速情况，该方法有一定的局限性；

发明内容

本发明提供了一种风机变桨电机选型参数获取方法、系统及选型方法，以解决现有的变浆电机选型参数单一、不全面，从而导致变浆电机选型不合适的问题。

为解决上述技术问题，本发明风机变桨电机选型参数获取方法包括：

1)利用仿真软件及风机模型计算所有运行工况下的叶片根部实时风载、变桨轴承摩擦转矩、叶片转动惯量及叶片变桨角加速度；

2)根据叶片根部实时风载、变桨轴承摩擦转矩、叶片转动惯量及叶片变桨角加速度，计算变桨电机各个运行工况下的叶片根部原始驱动转矩；

3)根据叶片根部原始驱动转矩、整个变桨系统的减速比及传动效率，计算变桨电机各个运行工况下的实时转矩值；

4)对变桨电机各个叶片的各个运行工况下的实时转矩值进行最大值统计分析，最终得到风机变桨电机转矩的最大值；

5)对正常发电工况下变桨电机的实时转矩值及其对应的实时转速进行均方根处理，得到变桨电机在正常发电工况下的转矩均方根值和转速均方根值对应关系，得到变桨电机机械特性曲线。

所述桨叶根部原始驱动转矩M_p的计算公式为：

M_p＝M_z-M_f+J*ω

其中，M_z为叶片根部实时风载，M_f为变桨轴承摩擦转矩，J为叶片转动惯量，ω为叶片变桨角加速度。

变桨电机各个运行工况下的实时转矩值M_e的计算公式为：

M_e＝M_p/n/η

其中，n为整个变桨系统的减速比，η为传动效率。

所述步骤4)中，对变桨电机各个叶片的各个运行工况下的实时转矩值进行最大值统计分析，并按照GL2010规范中的相关规定乘以特定的安全系数，利用GH Bladed仿真软件生成风机叶片的变桨电机转矩极限载荷报告，从而得到叶片极限载荷报告，根据叶片极限载荷报告，最终得到风机变桨电机转矩的最大值。

均方根值统计计算的计算周期为600s。

本发明风机变桨电机选型参数获取系统包括参数计算模块、叶片根部原始驱动转矩计算模块、变桨电机实时转矩值计算模块、变桨电机最大转矩计算模块和变桨电机机械特性曲线获取模块；

所述参数计算模块，用于利用仿真软件及风机模型计算输出所有运行工况下的叶片根部实时风载、变桨轴承摩擦转矩、叶片转动惯量及叶片变桨角加速度；

所述叶片根部原始驱动转矩计算模块，用于根据叶片根部实时风载、变桨轴承摩擦转矩、叶片转动惯量及叶片变桨角加速度，计算变桨电机各个运行工况下的叶片根部原始驱动转矩；

所述变桨电机实时转矩值计算模块，用于根据叶片根部原始驱动转矩、整个变桨系统的减速比及传动效率，计算变桨电机各个运行工况下的实时转矩值；

所述变桨电机最大转矩计算模块，用于对变桨电机各个叶片的各个运行工况下的实时转矩值进行最大值统计分析，得到风机变桨电机转矩的最大值；

变桨电机机械特性曲线获取模块，用于对正常发电工况下变桨电机的实时转矩值及其对应的实时转速进行均方根处理，得到变桨电机在正常发电工况下的转矩均方根值和转速均方根值对应关系，得到变桨电机机械特性曲线。

所述叶片根部原始驱动转矩计算模块计算桨叶根部原始驱动转矩M_p的数学模型为：

M_p＝M_z-M_f+J*ω

其中，M_z为叶片根部实时风载，M_f为变桨轴承摩擦转矩，J为叶片转动惯量，ω为叶片变桨角加速度。

所述变桨电机实时转矩值计算模块计算变桨电机各个运行工况下的实时转矩值M_e的数学模型为：

M_e＝M_p/n/η

其中，n为整个变桨系统的减速比，η为传动效率。

所述步骤4)中，对变桨电机各个叶片的各个运行工况下的实时转矩值进行最大值统计分析，并按照GL2010规范中的相关规定乘以特定的安全系数，利用GH Bladed仿真软件生成风机叶片的变桨电机转矩极限载荷报告，从而得到叶片极限载荷报告，根据叶片极限载荷报告，最终得到风机变桨电机转矩的最大值。

本发明的风机变桨电机选型方法为：将待选变浆电机的机械特性曲线与仿真计算得到的变浆电机的机械特性曲线进行比较，将待选变桨电机转矩的最大值与仿真计算得到的变桨电机转矩的最大值进行比较，若待选变桨电机的机械特性曲线将仿真计算得到的变桨电机机械特性曲线完全包络且待选变桨电机转矩的最大值大于或等于仿真计算得到的变桨电机转矩的最大值，选取该待选变桨电机作为风机变桨电机。

本发明的有益效果是：本发明根据风机风力发电机在各种所需工况下变桨电机的实时受力情况，推导出变桨电机的转矩计算公式，并利用该公式在GH Bladed仿真软件中计算出各个必需工况下变桨电机的转矩值，最后对仿真计算得到的数值进行统计分析，进而得出变桨电机的极限转矩值，从而为变桨电机的转矩参数选取提供指导。该方法简单可靠，并且与风机实际运行情况比较符合，结果可信度比较高，可以更加合理地进行风力发电机变桨电机的选型。

本发明根据计算得到的各个正常运行工况下的变桨电机实时转矩值和实时转速值，对该实时转矩值和实时转速值进行均方根值计算，最终得到变桨电机的机械特性曲线，在进行变桨电机选型时，只需待选变桨电机的机械特性曲线能够将计算得到的电机机械特性曲线完全包络即可。该选型方法考虑其对应的变桨电机的转速情况，与风机实际运行情况比较符合，可信度比较高，为变桨电机的转矩选型提供更加全面可靠的依据。

附图说明

图1为风力发电机中变桨系统受力示意图；

图2为变桨电机转矩选型计算流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案作进一步详细的说明。

本发明风机变桨电机选型参数获取方法的实施例

本实施例的风机变桨电机选型参数的获取方法为：

1)利用仿真软件及风机模型计算输出所有运行工况下的叶片根部实时风载、变桨轴承摩擦转矩、叶片转动惯量及叶片变桨角加速度；

2)根据叶片根部实时风载、变桨轴承摩擦转矩、叶片转动惯量及叶片变桨角加速度，计算变桨电机各个运行工况下的叶片根部原始驱动转矩；

3)根据原始驱动转矩、整个变桨系统的减速比及传动效率，计算变桨电机各个运行工况下的实时转矩值；

4)对变桨电机各个叶片的各个运行工况下的实时转矩值进行最大值统计分析，最终得到风机变桨电机转矩的最大值。

5)对变桨电机正常发电工况下的实时转矩值和电机转速值进行均方根值统计计算，进而得到变桨电机正常运行工况下的转矩和转速对应曲线，即机械特性曲线。

下面对上述方法各个步骤作进一步详细阐述：

如图1所示，目前在所有电动变桨风力发电机中，由于变桨电机的转矩输出能力有限，不能直接驱动叶片进行变桨，必须通过一套减速装置去驱动叶片进行变桨，所以在计算变桨电机转矩之前，必须先计算出叶片根部原始驱动转矩(M_p)，然后通过整个变桨系统的减速比(n)和传动效率(η)换算而得到变桨电机的实际转矩值(M_e)。

风机在正常变桨运行过程中，叶片根部主要受到以下转矩作用：叶片根部原始驱动转矩(M_p)、叶片根部实时风载(M_z)(含重力作用)和变桨轴承摩擦转矩(M_f)，其参考正方向与GH>

M_p-M_z+M_f＝J*ω(1)

在公式中，M_z可由GH>f计算可根据通用的轴承摩擦力计算公式得到，J为叶片转动惯量，可根据风机模型得到，ω为叶片变桨角加速度，可由GH>

M_p＝M_z-M_f+J*ω(2)

变桨电机转矩计算公式为：M_e＝M_p/n/η(3)

根据所推导的变桨电机转矩计算公式(2)、(3)，通过GH Bladed仿真软件的后处理功能对风电机组所有正常运行工况(F和UN工况)和异常工况(UA)进行仿真计算，进而得到所有计算工况下的变桨电机实时转矩值。

对上述所有计算工况得到的变桨电机转矩值进行最大值统计分析，并按照GL2010规范中的相关规定乘以特定的安全系数，利用GH Bladed仿真软件生成风机三个叶片的变桨电机转矩极限载荷报告，从而得到三个叶片极限载荷报告，根据该报告，可以得到变桨电机转矩最大值T_{e_max}，该值即为风机在运行过程中所需的变桨电机最大转矩值，可以以此作为变桨电机极限转矩的选择依据。

下面介绍变桨电机额定转矩参数获取方法：

电机的额定转矩与其温升有关，该值若选取过小，则变桨电机在运行过程中发热比较严重，会缩减其使用寿命，若选取过大，则会造成一定的资源浪费，增加风机成本，如何根据仿真计算结果合理确定变桨电机额定转矩参数则显得十分重要。由于电机容量的限值，电机转矩输出能力与电机的转速有一定关系，其依据为电机的机械特性曲线，因此在进行变桨电机额定转矩选型时，必须首先通过计算得到电机的机械特性曲线。考虑到风机实际运行情况和电机的温升效应，本实施例只需对正常发电工况(F和UN工况)进行均方根值(RMS)统计计算，而异常工况、启机工况和停机工况由于运行时间相对比较短，对变桨电机的温升影响不大，所以不予考虑。通过计算得到变桨电机在正常发电工况下的机械特性曲线，该曲线可以作为风力发电机变桨电机额定转矩的选择依据。

在对正常发电工况(F和UN工况)进行均方根值(RMS)统计计算时，RMS计算周期优选为600s。

本发明风机变桨电机选型方法实施例

本实施例的选型方法是基于上述选型参数获取方法所得到的变浆电机转矩最大值及变浆电机机械特性曲线进行的，因此，这里不再对变浆电机转矩最大值及变浆电机机械特性曲线的获取过程进行详细阐述，仅详细介绍如何利用变浆电机转矩最大值及变浆电机机械特性曲线进行电机选型，具体为：将待选变浆电机的机械特性曲线与仿真计算得到的变浆电机的机械特性曲线进行比较，将待选变桨电机转矩的最大值与仿真计算得到的变桨电机转矩的最大值进行比较，若待选变桨电机的机械特性曲线将仿真计算得到的变桨电机机械特性曲线完全包络且待选变桨电机转矩的最大值大于或等于仿真计算得到的变桨电机转矩的最大值，选取该待选变桨电机作为风机变桨电机。

本发明风机变桨电机转矩参数的获取系统实施例

本实施例的获取风机变桨电机转矩参数的系统包括参数计算模块、叶片根部原始驱动转矩计算模块、变桨电机实时转矩值计算模块及变桨电机最大转矩计算模块；

所述参数计算模块，用于利用仿真软件及风机模型计算输出所有运行工况下的叶片根部实时风载、变桨轴承摩擦转矩、叶片转动惯量及叶片变桨角加速度；

所述叶片根部原始驱动转矩计算模块，用于根据叶片根部实时风载、变桨轴承摩擦转矩、叶片转动惯量及叶片变桨角加速度，计算变桨电机各个运行工况下的叶片根部原始驱动转矩；

所述变桨电机实时转矩值计算模块，用于根据原始驱动转矩、整个变桨系统的减速比及传动效率，计算变桨电机各个运行工况下的实时转矩值；

所述变桨电机最大转矩计算模块，用于对变桨电机各个叶片的各个运行工况下的实时转矩值进行最大值统计分析，得到风机变桨电机转矩的最大值。

所述变桨电机机械特性曲线获取模块，用于对变桨电机正常运行工况下的实时转矩值和电机转速进行均方根值统计计算，得到各个叶片在变桨电机正常运行工况下的机械特性曲线，将该机械特性曲线作为风机变桨电机额定转速的选择依据。

其中，叶片根部原始驱动转矩计算模块和变桨电机实时转矩值计算模块在计算叶片根部原始驱动转矩和变桨电机实时转矩值时，是按照上述方法实施例中的公式(2)、(3)进行的，这里不再详细介绍。