小型风力机动态偏航平台应用与塔筒振动试验

2020-05-19汪建文米兆国赵元星

可再生能源 2020年5期

张杲，汪建文，2，米兆国，赵元星

（1.内蒙古工业大学能源与动力工程学院，内蒙古呼和浩特 010051； 2.风能太阳能利用技术教育部重点实验室（内蒙古工业大学），内蒙古呼和浩特 010051）

0 前言

作为新能源，风能在保护环境方面具有重要作用。在早期国内小型风力机研究中，采用CFD等数值模拟技术研究居多，且多为定常工况。王枭[1]利用数值模拟技术对动态偏航下的工况进行研究，但缺少实验数据对动态入流条件下的风力机相关结论进行支持。周文平[2]采用三维非稳态CFD 方法对风力机动态失速特性进行分析，同时得出偏航条件下，动态失速现象会增加叶片动态负荷的结论。蒋祥增[3]研究了风轮与塔架之间的动态特性，得出了风轮上旋转基频及叶片上对称与反对称频率在塔筒上振动相关的结论。Cheng Z[4]对垂直轴风力机的气动特性做了相关研究，并得出相关翼型优化结论。陈涛[5]利用B&K 振动测试技术对小型风力机塔架的横向、轴向振动进行分析，并得出相关实验结论。石磊[6]利用 GH Bladed对风力发电机组进行模拟仿真，提出协同控制功率与载荷的风力发电机组偏航系统控制策略，有效控制了偏航轴承的极限载荷，提高了风力发电机的发电量。凌新梅[7]设计出了一种基于模型预测的新型偏航控制策略，该模型包括电流环、速度环和位置环的三闭环偏航控制系统，采用该模型预测偏航效果较好。曹弘[8]通过仿真模糊控制偏航重启对风策略，在总偏航次数不变的前提下，增加功率增长较快的中风速区间发生偏航的次数，从而保持较高功率输出。叶昭良[9]采用数值模拟方法，在风向非定常变化的条件下，对风轮的功率、推力系数等进行分析，并得出风轮整体载荷随着偏航角度的增加而逐渐减小、气动力系数变化波动更大等规律；同时得出关于动态偏航下流场尾迹出现速度延迟、宽度逐渐增加等结论。

目前，国内外小型风力机相关研究中，多采用CFD 等数值模拟软件通过UDF 编译来模拟风速、风向同时变化等动态偏航下的实验工况。实验多为静态偏航，既先固定风力机偏航角度，再进行侧风条件下的风力机实验，无法达到风速、风向同时变化，与自然风的变化有一定的差距。本文采用的装有动态偏航平台的小型风力机，在有直流风的条件下可以实现风速、风向同时变化的动态入流条件[10]，[11]。

1 工作原理与平台结构

1.1 工作原理

小型风力机动态偏航平台工作环境为带变频器可调节风速直流风洞内，通过四轴控制器输出脉冲信号到带驱动器的高惯量伺服电机，进而改变偏航平台水平转动，最终实现动态偏航平台上的风力机受到风速、风向同时变化的入流风。动态偏航平台的工作流程如图1 所示。

图1 动态偏航平台工作流程图Fig.1 Platform flowchart

1.2 平台结构与工作过程

该平台主要由变电模块、控制模块、偏航平台模块组成。变电模块负责为整套装置提供稳态电流。控制模块通过将变电模块提供的电信号转为脉冲信号提供给带驱动器的伺服电机，进而改变偏航平台的转动。偏航平台模块包括旋转平台、底座和小型风力机。

1.3 平台涉及的装置及主要参数

小型风力机动态偏航平台主要涉及的装置及技术参数、外形尺寸如表1 所示。

表1 主要技术参数和外形尺寸Table 1 Main technical parameters and dimensions

2 主体部件设计

2.1 电机功率选型计算

为满足旋转台与实验工况基本要求，考虑到市场上现有旋转台型号与自身风力机重量和相关经验系数，以及电机最大转速等参数的匹配，平台参数如表2 所示。

表2 平台规格Table 2 Platform specification

电机轴端等效惯量为

式中：J1为旋转台转动惯量，N·cm2；J2为风力机转动惯量，kg·m2；J3为减速比。

由表2 可知：电机轴端等效惯量为1.8×10-4kg·m2；该平台稳定最大旋转速度为 60 °/s，加速过程中角加速度恒定为∈，行程为3°；计算所得电机功率为770 W。根据经验数值，计算所得设计功率需小于电机额定功率的0.8 倍。因实际工况中不同风载荷下对风力机叶片所产生的气动力影响很大，故设计功率小于额定功率0.3 倍，因此，本电机的额定功率为3 kW，相关主要计算公式为

式中：θ，θ1分别为电机、旋转台的行程度数，rad；ω，ω1分别为电机、旋转台的旋转速度；ε 为角加速度，rad/s2；T 为转矩，N·m；η 为满载效率。

2.2 平台底座设计

平台（图2）底座外形近似为四棱台，棱台上底板为边长260 mm 的正方形钢板，厚度为16 mm；平台下底板为宽500 mm，长600 mm 的矩形钢板，厚度为16 mm。上底板进行攻丝打孔与旋转台采用螺丝连接，在下底板四周进行打孔，留出固定螺栓位置，四周采用梯形钢板进行焊接。

图2 平台底座设计与实物图Fig.2 Platform base design and physical drawing

3 测试方案及结果分析

3.1 测试设备

实验在内蒙古工业大学风能太阳能利用技术教育部重点实验室中进行，在低速直流风洞开口端进行小型风力机动态偏航平台下的塔筒模态振动测试。研究对象为装有塔筒、旋转台和底座的有、无动态偏航平台的小型风力机，两者高度均为1.7 m，同时选用新制S 翼型叶片，叶片表面附有玻璃纤维，相比于木质叶片强度更高，风轮直径为1.4 m。采用东华振动测试设备对塔架振动信号进行采集和分析，该套设备还包括收集单向、三向加速度信号的传感器，采集的振动频率为0～400 Hz。通过NORMA5000 高精度功率分析仪检测风力机的功率、转速。

3.2 测试方案

3.2.1 偏航平台静模态测试

测试方案包括无风载荷条件和有风载荷条件。无风载荷的模态测试为测量带有偏航平台的小型风力机的固有频率，并与无偏航平台的小型风力机的相关模态参数进行对比分析。考虑实验误差，在有风载荷条件下，通过实验所对应频谱图找出叶片旋转基频波峰，并与计算理论值相对比，并以此频率分析塔筒振动。加速度传感器布置于底座，竖直方向2 只，旋转台1 只，塔筒5 只。由于本实验须要测出风力机整体的横向和轴向振动，故在横向及轴向均有等量传感器，加速度传感器从下到上共16 只。

3.2.2 偏航平台动态测试

动态测试主要包括对传统不加偏航平台的风力机塔筒振动测试与增加偏航平台的风力机塔筒振动测试。在风轮旋转工况下，以不同风速v（6，7，8，9 m/s）、不同尖速比 λ（4.5，5.0，5.5，6.0）及增加与非增加偏航平台两种风力机共32 种工况，以此分析风力机叶片旋转基频下装有偏航平台风力机横向振动和轴向振动动态特性。以正对来流风方向振动为轴向振动，垂直来流风向振动为横向振动。通过控制风洞变频器进而改变风速，传感器收集到的振动信号经过数据收集器进入DHDAS 动态信号采集分析系统进行频谱分析。

3.3 测试结果分析

3.3.1 模态测试结果分析

采用模态力锤法，对装有新型偏航平台的风力机整机和传统无偏航平台的风力机整机（塔筒直接与地面相连接）进行模态参数对比分析。经分析可知：两者的频率变化主要集中在一阶频率，有偏航平台比无偏航平台一阶频率减少0.695 Hz，相当于一阶频率减小5%；二阶、三阶频率变化近似0.1%，可忽略不计。造成该现象的主要原因是相比较二、三阶频率变化，一阶频率变化最为敏感，且有、无偏航平台下的风力机塔筒质量发生改变，造成一阶频率的变化更为明显。实验结果见表3。

表3 有、无偏航平台参数对比Table 3 Comparison of parameters with and without yaw

3.3.2 动态测试结果分析

在实验中，根据转速n 与v、风轮半径R 及λ之间关系λ=πnR/30v 可知，风轮转速除受风轮自身半径影响外，主要受v 与λ 影响。因为是同一副叶片，故不考虑R 的影响。因本文振动频率选择振动最大的旋转基频，故由转速与基频公式f=n/60 可得不同 v 和 λ 下的旋转基频（表 4）。

表4 不同工况下风轮旋转基频Table 4 Wind wheel rotation fundamental frequency under different working conditions

对数据分析可知：在v=6 m/s 时，随着λ 的增加，有、无偏航平台的风力机塔筒横向、轴向振动均增加，其中装有偏航平台的风力机塔筒轴向振动、横向振动均小于无偏航平台的风力机塔筒，且装有偏航平台的风力机塔筒横向振动大于轴向振动，与无偏航平台的风力机塔筒振动走势相同；随着λ 的增加，有、无偏航平台的风力机塔筒的相差振动幅度也在增加，且变化明显[图3（a），（b）]；在λ 相同的条件下，随着风速的增加，装有偏航平台的风力机塔筒与无偏航平台的风力机塔筒振动均呈现增加趋势，但增加幅度均小于无偏航平台的风力机；在风速变化的过程中，装有偏航平台的风力机塔筒振动工况均小于无偏航平台的风力机塔筒振动工况，在变风速下，装有偏航平台的风力机塔筒振动与无偏航平台的风力机塔筒横向振动与轴向振动走势接近相同[图3（c），（d）]。