张广兴

作为一种低成本、可再生、无污染的能源，风能在短时间内世界范围中获得了飞速的发展和进步。风能的发展潜力巨大，且随着风力发电技术的进步，其发电机组的运用范围也在不断扩展。目前，该技术广泛运用于大型风力发电机组中。本文分析了大型风力发电机组的国内运行现状，分析大型风力发电机组变桨控制系统特点，以仿真荷载角度进行研究分析，希望能够为优化机械系统建设有所参考借鉴。

1 大型风力发电机组变桨系统结构特点

作为当代常见的能源转换装置，风力发电机组是风能转换为电能的重要装置。目前，风力发电机组主要由发电机组、变桨系统以及控制系统、风轮等几个部分构成。其中变桨系统是风力机组控制变桨距离，保证其能源转换的重要装置。其主要有以下几个特点。首先，当风速但低于额定风速时候，发电机组处于在稳定的功率环境中，且风速若随之增加，高于额定风速时候，整个发电机机组的输出功率也会增加。若输出功率超过了额定功率，整个机组的电气转速和输出功率都会发生变化；可见，随着风速的变化，变桨系统的装置内部能源吸收和转换效率都会发生明显的改变。对应的技术人员可通过观察变桨系统风速的变化，不断提升和优化机组的运行效率，以此来调整，优化其发电量。

2 在S lo lid Wo rk s 仿真模拟变桨系统

轮毂是安装变桨系统的关键位置，通过固定变桨的位置，可以调节整个控制油缸；执行下，桨叶和变桨轴承都有较大变化，且这些零件依次连接后，通过法兰与主轴连接进而进行风力发电机组的变桨机构仿真研究。在SolidWorks 建模中，应当将模型简易化，且保留具有运动特征零件。且按照对应的装配关系，将这些零件进行依次连接，装配后，主要零件之间需要重新固定，通过加强副连接状态控制，进而保证仿真控制的真实性和有效性。针对变桨转盘组件、轮毂组件等零部件，可以简化一些微小，非重要的零部件模型。尽量保存零部件、齿轮等结构。

为了保证变桨调节动作顺利完成，模型设计单位需要针对实际的安装生产需求连接各个零部件，保证零部件的导向杆和调节架都能满足变桨调节的位置需求，且桨叶转盘的中间连接轴和回转孔的轴线也应当沿着桨叶盘旋转。此外，模型要保证调节架、轮毂、连杆机构与变桨转盘等连接紧密，且其他两组的配合关系应当要稳定，相位上保持120°的距离。分析大型风力发电机组变桨系统Adams 中建模完成SolidWorks 变桨机构三维模型建模后，需要将模型及时导入的到Adams，进而设置其约束、驱动值。零部件之间实现约束控制后，可以根据实际的工作状态，及时转换实际工作的关系，并观察桨叶转盘的几何中心、其他参考点来设置模型变量，且模型设计中要时刻关注变桨调节架、遥杆螺旋副链接的稳定性。

遥杆也要和安全油缸、变桨调节架以及控制油缸杆之间的连接稳定，可采用球铰副连接，设置约束时候要选用合适的约束方向。针对以上三个方法研究，变桨机构约束设置完成后，最终完成变桨系统零部件的稳固连接，其主要的处理方式如下文所述。

2.1 风力荷载条件研究

仿真分析现场风力荷载数据，计算在差异性的风力荷载影响下，风力作用对桨叶的驱动作用。可假设桨叶为刚体，风力作用产生的扭矩可直接作用到轮毂上，且当风力发电机组和动力学仿真运动时候。仿真大型风力发电机组变桨控制过程。

2.2 变桨力荷载分析

变桨运动和控制油缸有关，在特殊的运行环境下，安全油缸驱动、变桨机之间的关联和运动规律，控制变桨的速度、风速以及功率之间的关联性。如其中变桨力并不恒定，需要在Matlab 系统中予以控制。在Adams 仿真模型中，仅仅能控制系统方向和距离。

2.3 变桨控制研究

在实际的风机系统中，所有的作用力和参数都需要在某一作用力下运行控制。通过作用力参数控制和风机研究可有效反映风机实际运行控制作用。在Adams 中建立对应的风机三维几何模型为实体模型，经过物力、化学、生物性能等模拟研究分析后得出了可控的数据值，只要保证其在参数范围内运动，可实现变桨综合运动，有效控制风速、风向以及其他特征。

计算研究可知，经过Matlab/Simulink 变桨系统控制研究分析后，让桨叶旋转到一定角度，可以控制桨距角位置。

2.4 联合仿真控制

在Adams 与Matlab 联合仿真控制时候，可优先选用风机运行控制的特征，借助仿真变桨机构以及特定的状态参数风速基于风机驱动、提速到稳定运行全过程，所选用的风机仿真运行参数为17 m/s，发电机功率1 250 kW，桨距角20°，发电机转子转速1 056.41 r/min，主轴转速19.981 r/min，偏航角(风向角)10°。风机的初始状态为静止平衡状态，即所有可运动的零部件的速度为0，除重力外，所有零部件的受力大小为0。仿真计算时间100s，计算方法采用ode 15 s(stiff/NDF)，变步长，相对误差0.001，最大阶数为5。

3 大型风力发电机组变桨运动仿真结果分析

经过比例控制以及微分、常数控制，二阶微分方式以此来带动油缸内部安全油缸的全油缸驱动以及变桨叶处理方式实现目标，并通过调整变桨调节架沿着平行导杆滑动，让主轴和地面形成倾角。受到重力的影响，整个变桨可出现不平衡问题（如图1，图2 所示），表示变桨随着Y 方面的波动值约在±50mm·s- 2。对应的单位可根据此仿真数据，进一步探讨大型风力发电机组变桨运动特征，因地制宜设计出满足人们生活、生产需求的大型风力发电机组。

图1 变桨架在Y 方向速度随着时间变化

图2 变桨架在X 方向速度随着时间变化