风力发电机组变桨电机的扭矩确定方法、选型方法及装置

摘要

本发明涉及风力发电机组变桨电机的扭矩确定方法、选型方法及装置，属于风力发电技术领域。通过建立风机仿真模型，进行风力发电机组工况设置，计算叶片根部力矩、倾覆力矩、轴向力、径向合力、功率、转速和变桨轴承加速度；搭建数学模型，确定变桨轴承的摩擦力，然后求解变桨轴承驱动扭矩及制动扭矩；根据变桨电机额定驱动扭矩、最大驱动力矩及刹车力矩最终选定变桨电机。装置包括变桨电机扭矩计算模块、变桨电机最大扭矩及额定转矩计算模块和变桨电机选型模块。本发明具有原理简单、易操作、精度高的优点，在保证大型风电机组变桨系统正常运行的前提下合理选择变桨电机，有利于降低变桨系统故障概率及大型发电机组制造成本，提高市场竞争力。

说明书

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种风力发电机组变桨电机的扭矩确定方法、变桨电机选型方法及装置。

背景技术

随着风力发电技术向着单机大容量大叶片的方向发展，对整机设计尤其是变桨系统提出了更高的要求。风机变桨控制系统是风力发电机组控制系统的重要组成部分，对机组安全稳定高效地运行有着十分重要的作用；然而近来变桨系统故障频发，某一风场统计结果显示其概率占整机所有故障约20％，主要故障模式有电机振动、过热、轴断裂等。其中变桨电机直接决定了变桨系统工作的可靠性，如果风机无法收桨则可能导致倒塔、飞车等，引发严重安全事故，经济损失巨大。

变桨电机驱动扭矩和制动力矩是选取变桨电机的依据，因此，选择较为准确的驱动扭矩和制动力矩计算方法对变桨电机选型至关重要。由于轴承间摩擦力的不确定性，其对电机的影响很大，在计算变桨电机扭矩时时需要将此考虑进去，然而目前一般通过bladed软件设置pitch actuator模块(变桨执行器)直接得到变桨电机相关参数，并未考虑轴承间的摩擦力，因而风力发电机组变桨电机扭矩计算并不准确，进而造成变桨电机选型不合适，使变桨系统工作不可靠。

发明内容

本发明提供了风力发电机组变桨电机的扭矩确定方法、选型方法及装置，以解决现有的方法不能准确计算风力发电机组变桨电机扭矩，进而造成变桨电机选型不合适，变桨系统工作不可靠的问题。

为解决上述技术问题，本发明的方法包括如下步骤：

1)根据风力发电机组叶片、传动链、发电机及塔筒部件参数，建立仿真模型；

2)按照风机设计认证规范进行风力发电机组工况设置并提交计算，求解出风力发电机组变桨轴承各个时间点对应的叶片根部力矩M_z、倾覆力矩M_xy、轴向力F_z、径向合力F_xy、功率P、转速ω_P和变桨轴承加速度α_P；

3)根据各个时间点对应的倾覆力矩M_xy、轴向力F_z、径向合力F_xy、功率P和转速ω_P，计算各个时间点对应的变桨轴承摩擦力M_fic；

4)根据计算得到的变桨轴承摩擦力M_fic、叶片根部力矩M_z、功率P、转速ω_P和变桨轴承加速度α_P，求解变桨轴承的驱动扭矩M_dt和制动扭矩M_bt。

步骤3)中变桨轴承摩擦力M_fic的计算公式为：

其中，D_L轴承滚道直径，μ为摩擦系数，M_pre为轴承滚道预紧力，T₁为判断条件；当ω_P≥0时，T₁＝1，否则，T₁＝-1。

步骤4)中变桨轴承的驱动扭矩M_dt和制动扭矩M_bt的计算公式分别为：

M_dt＝(M_z+M_{fic_max}+M_acc)*T₂；M_bt＝(M_z+M_{fic_max})*T₃

其中，M_{fic_max}为最大轴承摩擦力，M_acc为轴承惯性力矩，M_{fic_min}为最小轴承摩擦力，T₂、T₃为判断条件；为变桨轴承自身惯性及变桨电机转换至变桨轴承端总的转动惯量。

当P≥0.1&ω_P≥0.01或P＜0.1&ω_P≥0.01时，T₂＝1，否则，T₂＝0；

当ω_P＜0.01&{ABS(M_z)≥M_{fic_min}}时，T₃＝1，否则，T₃＝0。

最大轴承摩擦力M_{fic_max}＝A*M_fic，A的取值范围为1～1.25；最小轴承摩擦力M_{fic_min}＝B*M_fic，B的取值范围为0.75～1。

本发明的风力发电机组变桨电机选型方法为：根据计算得到的变桨轴承的驱动扭矩M_dt和制动扭矩M_bt，求解变桨电机的最大驱动扭矩M_{mt_max}、最大制动扭矩M_{mb_max}及额定转矩M_{mt_rate}；

根据最大驱动扭矩M_{mt_max}、最大制动扭矩M_{mb_max}及额定转矩M_{mt_rate}选取风电机组的变桨电机。

根据计算得到的额定转矩M_{mt_rate}，初步选取变桨电机；接着，判断初步选取的变桨电机的最大驱动扭矩是否大于最大驱动扭矩M_{mt_max}计算值，且判断初步选取的变桨电机的最大制动扭矩是否大于最大制动扭矩M_{mt_max}计算值；选取最大驱动扭矩大于最大驱动扭矩M_{mt_max}计算值且最大制动扭矩大于最大制动扭矩M_{mt_max}计算值的电机作为风电机组变桨电机，变桨电机选型结束。

变桨电机的最大驱动扭矩M_{mt_max}、最大制动扭矩M_{mt_max}及额定转矩M_{mt_rate}的计算公式为：

M_{mt_ma}x＝M_{dt_max}/(i_teeth*η_teeth*i_gbx*η_gbx)

M_{mb_max}＝M_{bt_max}/(i_teeth*η_teeth*i_gbx*η_gbx)

M_{mt_rate}＝RMS[M_dt]/(i_teeth*η_teeth*i_gbx*η_gbx)

其中，i_teeth为变桨轴承齿数或变桨小齿齿数，η_teeth为变桨轴承小齿传动效率，i_gbx为齿轮箱传动比，η_gbx为齿轮箱传动效率，RMS[M_dt]为驱动扭矩M_dt的均方根值。

本发明的风力发电机组变桨电机选型装置包括变桨电机扭矩计算模块、变桨电机最大扭矩及额定转矩计算模块和变桨电机选型模块；

所述变桨电机扭矩计算模块，用于根据风电机组叶片、传动链、发电机及塔筒部件参数，建立仿真模型；按照风机设计认证规范进行风机工况设置并提交计算，求解出风机变桨轴承各个时间点对应的叶片根部力矩M_Z、倾覆力矩M_xy、轴向力F_z、径向合力F_xy、功率P、转速ω_P和变桨轴承加速度α_P，进而计算各个时间点对应的变桨轴承摩擦力M_fic，根据计算得到的变桨轴承摩擦力M_fic、叶片根部力矩M_Z、功率P、转速ω_P和变桨轴承加速度α_P，求解变桨轴承的驱动扭矩M_dt和制动扭矩M_bt；

所述变桨电机最大扭矩及额定转矩计算模块，用于根据变桨轴承的驱动扭矩M_dt和制动扭矩M_bt，求解变桨电机的最大驱动扭矩M_{mt_max}、最大制动扭矩M_{mb_max}及额定转矩MM_{mt_rate}；

所述变桨电机选型模块，用于将变桨电机最大驱动扭矩、最大制动扭矩及额定转矩与最大驱动扭矩M_{mt_max}计算值、最大制动扭矩M_{mb_max}计算值及额定转矩M_{mt_rate}计算值分别比较，选择出风电机组的变桨电机。

变桨电机的最大驱动扭矩M_{mt_max}、最大制动扭矩M_{mb_max}及额定转矩M_{mt_rate}的计算公式为：

M_{mt_max}＝M_{dt_max}/(i_teeth*η_teeth*i_gbx*η_gbx)

M_{mb_max}＝M_{bt_max}/(i_teeth*η_teeth*i_gbx*η_gbx)

M_{mt_rate}＝RMS[M_dt]/(i_teeth*η_teeth*i_gbx*η_gbx)

其中，i_teeth为变桨轴承齿数或变桨小齿齿数，η_teeth为变桨轴承小齿传动效率，i_gbx为齿轮箱传动比，η_gbx为齿轮箱传动效率，RMS[M_dt]为驱动扭矩M_dt的均方根值

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明的变桨电机扭矩的确定方法原理简单，计算变桨电机的扭矩时考虑了轴承间摩擦力的不确定性；该方法计算结果更加精确，在保证大型风电机组变桨系统正常运行的前提下合理选择变桨电机，有利于降低变桨系统故障概率及大型发电机组制造成本和维护成本，提高市场竞争力。

附图说明

图1为变桨电机与轴承力矩传动示意图；

图2为风力发电机组变桨电机扭矩的计算流程图；

图1中，1为变桨电机2为变桨轴承。

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说明。

本发明的一种风力发电机组变桨电机的扭矩确定方法实施例

如图2所示，本发明的计算方法包括如下步骤：

1)根据风力发电机组叶片、传动链、发电机及塔筒部件参数，建立仿真模型；

2)按照风机设计认证规范进行风力发电机组工况设置并提交计算，求解出风力发电机组变桨轴承各个时间点对应的叶片根部力矩M_Z、倾覆力矩M_xy、轴向力F_z、径向合力F_xy、功率P、转速ω_P和变桨轴承加速度α_P；

3)根据各个时间点对应的倾覆力矩M_xy、轴向力F_z、径向合力F_xy、功率P和转速ω_P，计算各个时间点对应的变桨轴承摩擦力M_fic；

4)根据计算得到的变桨轴承摩擦力M_fic、叶片根部力矩M_z、功率P、转速ω_P和变桨轴承加速度α_P，求解变桨轴承的驱动扭矩M_dt和制动扭矩M_bt。

下面对上述步骤进行详细介绍：

对于步骤1)，根据风电机组相关参数在风电机组仿真软件中建立仿真模型，其中仿真软件优先选取bladed软件，也可以采用MATLAB与bladed软件相结合的方式进行仿真，或采用有限元分析等仿真方法。这里的相关参数包括叶片、传动链、发电机及塔筒等部件的参数，叶片的参数主要包括叶片的几何结构及各截面翼型数据。

对于步骤2)，建立好风机仿真模型后，按照风机认证规范进行工况设置，从而求解出变桨轴承变量M_z、M_xy、F_z、F_xy的时序载荷及各个时间点对应的功率P、桨距角θ_P、转速ω_P和变桨轴承加速度α_P等参数。其中，M_z为叶片根部力矩，M_xy为倾覆力矩、F_z为轴向力、F_xy为径向合力，风机认证规范优选采用风机GL认证规范或IEC规范，工况设置包括风载、重力等条件。

对于步骤3)，求解出风机变桨轴承的各个变量M_z、M_xy、F_z、F_xy、P、θ_P、ω_P和α_P后，利用上述各个变量搭建轴承摩擦力数学模型，即

利用bladed软件，求解变桨轴承的摩擦力M_fic。其中，D_L-轴承滚道直径，μ-摩擦系数，M_xy-倾覆力矩，F_z-轴向力，F_xy-径向合力，M_pre-轴承滚道预紧力，T₁-判断条件。M_fic的计算公式为球轴承计算公式，滚子轴承及其它类型计算公式需参照轴承厂家说明书进行确定。

其中，T₁值的确定方法为：当ω_P≥0时，T₁＝1，否则，T₁＝-1。

对于步骤4)，变桨轴承的驱动扭矩M_dt和制动扭矩M_bt的计算公式分别为：

M_dt＝(M_z+M_{fic_max}+M_acc)*T₂；

M_bt＝(M_z-M_{fic_min})*T₃

其中，M_{fic_max}为最大轴承摩擦力，M_acc为轴承惯性力矩，M_{fic_min}为最小轴承摩擦力，T₂、T₃为判断条件；

为变桨轴承自身惯性及变桨电机转换至变桨轴承端总的转动惯量

T₂值的确定方法为：当P≥0.1&ω_P≥0.01或P＜0.1&ω_P≥0.01时，T₂＝1，反之T₂＝0。其中，当ω_P≥0.01时叶片变桨，反之叶片未变桨。而且，当P≥0.1&ω_P≥0.01时，风力发电机组接通电网，电网直接驱动变桨电机进行变桨，此时的驱动扭矩定义为M_{dt_grid}；P＜0.1&ω_P≥0.01时，风力发电机组未接通电网，由备用电源驱动变桨电机进行变桨，此时的驱动扭矩定义为M_{dt_backup}。对于P和ω_P的具体临界值的选取可以根据风电机组的实际参数来确定，本申请优选0.1及0.01。

T₃值的确定方法为：当ω_P＜0.01&{ABS(M_z)≥M_{fic_min}}时，T₃＝1，否则，T₃＝0。

作为其他实施方式，上述T₂或T₃值在确定时，也可以采用桨距角θ_P与扭矩或功率等其它方式的组合条件来判断叶片是否变桨；

最大轴承摩擦力M_{fic_max}及最小轴承摩擦力M_{fic_min}的计算方式为：由于摩擦力存在不确定性，电机驱动变桨时需克服的最大轴承摩擦力M_{fic_max}＝A*M_fic，A一般取1～1.25；电机刹车阻止变桨时需采用的最小轴承摩擦力M_{fic_min}＝B*M_fic，B一般取0.75～1。

在计算M_bt时，ω_P＜0.01时叶片未变桨，当ABS(M_z)≥M_{fic_min}时需通过电机刹车力矩保持桨距角不变，反之仅依靠变桨轴承间摩擦力。

当采用bladed软件为风力发电机组建模时，求解M_fic、M_dt力矩时运用bladed软件中的channel>

本发明的一种风力发电机组变桨电机选型方法实施例

本实施例是根据变桨电机的额定转矩、最大驱动扭矩及最大制动扭矩来进行变桨电机选型的。而额定转矩、最大驱动扭矩及最大制动扭矩是根据变桨电机的扭矩来计算得到的，因此，这就涉及到的变桨电机的扭矩的确定方法。本实施例在确定变桨电机的扭矩时，是采用上述风力发电机组变桨电机的扭矩确定方法实施例所述的方法来确定电机扭矩的，因此，该确定方法可参照上述实施例，这里就不再详细阐述。

按照上述方法确定好变桨电机的扭矩，即计算得到变桨轴承的驱动扭矩M_dt和制动扭矩M_bt后，按照以下公式计算变桨电机的最大驱动扭矩M_{mt_max}、最大制动扭矩M_{mb_max}及额定转矩M_{mt_rate}：

M_{mt_max}＝M_{dt_max}/(i_teeth*η_teeth*i_gbx*η_gbx)

M_{mb_ma}x＝M_{bt_max}/(i_teeth*η_teeth*i_gbx*η_gbx)

M_{mt_rate}＝RMS[M_dt]/(i_teeth*η_teeth*i_gbx*η_gbx)

其中，i_teeth为变桨轴承齿数或变桨小齿齿数，η_teeth为变桨轴承小齿传动效率，i_gbx为齿轮箱传动比，η_gbx为齿轮箱传动效率，RMS[M_dt]为驱动扭矩M_dt的均方根值。

作为其他实施方式，在确定额定转矩M_{mt_rate}时，也可以通过平均值及其它数学统计方式得到。

根据计算得到的额定转矩M_{mt_rate}，初步选取变桨电机；接着，判断初步选取的变桨电机的最大驱动扭矩是否大于最大驱动扭矩M_{mt_max}计算值，且判断初步选取的变桨电机的最大制动扭矩是否大于最大制动扭矩M_{mb_max}计算值；选取最大驱动扭矩大于最大驱动扭矩M_{mt_max}计算值且最大制动扭矩大于最大制动扭矩M_{mb_max}计算值的电机作为风电机组变桨电机，变桨电机选型结束。

本发明的一种风力发电机组变桨电机选型装置实施例

该装置包括变桨电机扭矩计算模块、变桨电机最大扭矩及额定转矩计算模块和变桨电机选型模块。

变桨电机扭矩计算模块，用于根据风电机组叶片、传动链、发电机及塔筒部件参数，建立仿真模型；按照风机设计认证规范进行风机工况设置并提交计算，求解出风机变桨轴承各个时间点对应的叶片根部力矩M_Z、倾覆力矩M_xy、轴向力F_z、径向合力F_xy、功率P、转速ω_P和变桨轴承加速度α_P，进而计算各个时间点对应的变桨轴承摩擦力M_fic，根据计算得到的变桨轴承摩擦力M_fic、叶片根部力矩M_Z、功率P、转速ω_P和变桨轴承加速度α_P，求解变桨轴承的驱动扭矩M_dt和制动扭矩M_bt。

变桨电机最大扭矩及额定转矩计算模块，用于根据变桨轴承的驱动扭矩M_dt和制动扭矩M_bt，求解变桨电机的最大驱动扭矩M_{mt_max}、最大制动扭矩M_{mb_max}及额定转矩M_{mt_rate}。

变桨电机选型模块，用于将变桨电机最大驱动扭矩、最大制动扭矩及额定转矩与最大驱动扭矩M_{mt_max}计算值、最大制动扭矩M_{mb_max}计算值及额定转矩M_{mt_rate}计算值分别比较，选择出风电机组的变桨电机。

其中，变桨电机扭矩确定模块、变桨电机最大扭矩及额定转矩计算模块和变桨电机选型模块的具体工作原理也可以参照以上的风力发电机组变桨电机选型方法实施例及风力发电机组变桨电机的扭矩确定方法实施例，这里不再一一介绍。