风电机组整机及关键部件仿真分析与优化设计研究

王文刚

国电联合动力技术（保定）有限公司， 河北省保定市， 071000

摘要：由于环境恶化，能源危机等因素，风能作为新型能源受到了越来越多的人的关注。随着风力机功率和复杂性的增加，以及海上风力机数量的增加，对风力机的设计和生产水平提出了更高的要求。我国和国际上先进的风力机设计水平之间仍然存在很大差距，尤其是在风电机组以及关键部件建模，性能模拟和负载计算方面。本文对风电机组整机及关键部件仿真分析与优化设计进行研究，以提供一点参考价值。

关键词：风电机组；关键部件；仿真分析；优化设计；研究

前言

从技术角度来看，当前的国际趋势是使用大型且技术更先进的风力机。大型风力机可随着风速变化而调整运行状态，将交流电直接传送至电网，具有更高的效率并降低成本，同时具有较高的可靠性。大型风力机在实际制造过程中要进行零件设计和制定整机制造计划，并利用空气动力学和流体动力学模型进行验证。

1.风力机的系统建模和仿真分析

1.1风机的稳态表现

风力机固定部件和运动部件之间的惯性、重力和空气动力相互作用产生的静态载荷实际上是准静态过程，对静态载荷进行计算是风力机设计中的重要一步，包括功率曲线的计算，稳态工作量、停机期间的仿真以及稳态条件下不同风速下的风力机特性曲线。在达到额定风速之前，发电机和风轮的功率和转矩分别以立方和平方功率增加，如果超过额定风速，则发电机和风轮的功率将保持恒定，并且使用变桨控制将风轮保持固定速度。叶片尖端的平面变形在额定风速下达到其最大变形，然后开始减小，这是由风轮在额定风速下的峰值力引起的。该峰值是变速和变桨风力机的典型峰值，因为在额定风速下，控制在转矩控制和变桨控制之间转换。尽管叶尖平面以及塔筒的前后变形、左右变形曲线并不明显，但仍可见该峰值。

1.2风力机类别

风力机的类别由风速和湍流参数确定，这些参数取决于风力机的预期安装地点和实际安装地点。风速和湍流参数值用于表示各个不同地点的特征值，但未给出任何特定地点的精确特征值。目标是通过风速控制和湍流参数稳定性的明显变化来完成风力机的分类。

1.3估算风速

空气动力学的不稳定性是叶片故障载荷不稳定的主要原因，但是如果不能很好地描述不稳定的风流入，则无法预测这些不稳定的载荷。风流入和叶片负荷与风力机这两个系统密切相关。例如：控制风力机可以有效减少有害负荷，但是如果这些负荷无法准确建模，那么如何执行有效的控制策略呢?从此示例中可以清楚地看到，准确的风采样对于改进风力机必不可少，这也是解决所有其他问题的关键。风力机的入流建模对风力机设计产生了直接而有效的影响。

2.大型风力发电机组设计优化的建模与分析

2.1冰负荷对风力发电机性能的影响

每年冬天，世界各地的山区都有良好的风能潜力，但是现阶段对这类风能的利用非常有限。主要是由于缺乏相关的理论研究和基础质量，因此目前对于特殊条件下应用的风力机解决方案的研究是有限的。针对这个问题，许多国家已采取措施，以促进在冰冷或寒冷的条件下应用风力机技术的研究。寒冷的天气条件直接影响设施利用率、运行条件、性能、负载、噪声、安全和发电。因此，对其进行研究可以使风能项目更具竞争力。

在寒冷气候下运行时，风力机的旋转和非旋转部件(例如风力机叶片、风速传感器、机舱等)的表面会粘附一些颗粒，例如冻雨、霜冻。 GL规范规定在设计风力机的运行条件时必须考虑冰负荷。冰负荷对风力机的影响包括：增加风轮上的静态负荷、改变风轮的动平衡，从而导致疲劳加速。由于叶片表面结冰的影响，引起叶片轮廓的空气动力学特性的变化以及风能的捕获减少；由于冰负荷的影响，风速计可能会给出错误的测量结果，导致偏航并进一步降低风力机的空气动力学特性；如果冰积聚在机舱和塔筒等固定部件上，将会影响到风机维护；风力机的效率也将大大降低，风力机的使用寿命受到影响。另外，大冰块的积聚会影响风力机的振动。

2.2风力机叶片优化

当叶片的一部分在处于更好的迎角时则其他部分则不会处于更好的迎角，从这个角度来看，增加叶轮的直径会导致机组组件的损坏，影响机组的寿命或效率。因此，研究风力发电机的额定功率与冲击面积(风力发电机的比功率)之间的关系对于批量生产具有重要意义。当增加叶片直径时，必须充分考虑未来的收益和潜在风险。对于已运营的风场，如果风场塔和风场的长期气象数据在选择风场的微型站点时出现严重偏差或错误，将II类风场分类为I类或III类风电场分为II类，而同时机组、塔筒、变速箱等的基础具有足够的设计余量。经过认真仔细的经济计算，才可以实施叶片扩展改装计划。至于从长远来看是否有可能最终降低电力成本，这仍需要在长期运行的风电场中进行测试。因此，通过叶片的伸长提高机组的效率，有必要综合考虑各种因素以最小化机组在其生命周期中的动力成本。

2.3基于风力机的整体气弹稳定性的塔筒结构优化

在优化设计中，首要任务是确定优化目标，并列出优化问题方程，选择优化参数并定义设计约束。在风力机塔筒的锥形结构中，必须根据设备的功率和风力特性确定塔筒高度H，因此，在优化设计中，塔筒高度被认为是已知值。塔筒的参数直接决定了塔筒的成本和安全性能。因此，在优化塔筒设计时，重点是在确保整个风力机的稳定性的同时，如何使塔筒更安全、更高效、更经济。在风力机系统中，塔筒支撑着重要组件的重量和风荷载，因此其稳定性设计是非常重要的部分。常见的塔筒包括锥型，桁架型，混凝土型等。现代大型风力机通常使用锥形塔。优化塔筒设计对优化风力机非常重要。优化方法分为两类：准则法和数学规划法。优化设计中的参数设计变量可以大致分为两类：一类是几何参数，例如厚度，直径等。另一个是物理参数，例如弹性模量和材料应力。在分析风力机的稳定性时，塔筒的固有频率和振动是其动态分析的核心，并且也可作为优化结构参数的参考。国内许多研究都是基于优化塔壁厚度的，但是并未考虑整个风力机的稳定性。针对此问题，对几何形状进行优化，以使塔的固有频率满足风力机系统的稳定性要求，同时达到减轻重量和降低成本的目的。

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