全尺寸风力发电机的虚拟测试

作者简介：Ryan F.Schkoda 博士：美国克莱姆森大学可再生能源学院研究科学家。Schkoda博士最近开发了一种稳健的系统级分析模型平台，该平台可以进行动力学分析，包括可以联合动力学仿真、控制仿真、液压仿真和风机传动系测试设备性能优化。Schkoda在Rochester技术学院获得机械工程学士学位和硕士学位；在Clemson（克莱姆森）大学获得机械工程博士学位。

摘要：随着风机工业的发展，风力发电机的尺寸越来越大，并且功率也越来越高。由于风力发电机尺寸的增长，就需要更大的设备来测试它。现在的风力发电机测试平台相对于以前来说，尺寸更大并且更复杂，因此系统的动力学性能也更复杂。由于这些测试平台在全球范围来看也比较少，并且各不相同，因此需要对各个测试平台进行详细研究。在对这些新式的、巨大的系统研究中，SIMPACK软件以及一些别的工具发挥了重要的作用。

一：简介

克莱姆森大学风机传动系测试设备（WTDTF）位于美国北查尔斯顿州的南卡罗来拿能源&气体能源创新中心（EIC）。WTDTF拥有两个风机动力学测试平台：一个7.5MW（如图1所示），另一个是15MW。这些测试平台可以用来测试全尺寸风机，并可以施加非扭矩载荷（推力、垂向力、剪切力、俯仰力矩、横摆力矩）。此外，同样位于EIC的杜克能源eGRID（电网创新及开发中心）中心，可以利用15MW的硬件在环电网模拟器与测试平台相连，来模拟电网。

图1  克莱姆森大学7.5MW风机测试平台

对于研究风机的系统行为来说，最大的挑战来自于风载的随机性。在设计中用到的很多风况，在实际中是很少发生的。如果你足够的幸运，在现场的样机测试中遇到过一种，估计你就再也不会再次遇到这种风况。而测试平台就允许工程师们可以有控制的再现风机所有的风况载荷。

二：问题

EIC的测试平台具有着巨大的测试能力，既可以用于测试陆上风机还可以用于测试海上风机。同时也为克莱姆森大学以及合作的大学的学生和老师们提供研究和开发的机会。非常不幸的是，类似这种系统的资源非常有限，并且操作起来也非常昂贵，并且一旦操作不当，也会非常危险。

三：解决办法

为解决这个问题，克莱姆森大学构建了一个多体、实时仿真实验室。该实验室为仿真分析和物理实验搭建了一座桥梁（如图2所示）。

图2 动力学实验室可以创建各种风机模型和进行各种分析，包括载荷分析、纯软件仿真和半实物仿真。所有这些仿真都支持在测试平台上进行物理测试。

该实验室由两个最主要的设备组成，一个是来自RENK测试系统（也成为RENK动态数据系统）的测试控制机的复制品，另一个是来自Concurrent（美国并行计算机公司）的实时仿真机。测试控制机是整个测试平台中的人-机交互接口，利用该电脑，测试者可以规划测试流程、执行测试、监控测试平台响应等。

实时仿真机用于运行测试平台的动力学模型，并且和测试控制机之间进行实时交互。Concurrent的实时机系统是由带EtherCAT的2.9GHz，至强E5 8核处理器组成，并且带有反射内存I/O，也带有A&D I/O。该机器运行RedHawk实时Linux操作系统，该系统是符合工业标准的、实时、低延时的操作系统，因此特别适合实时仿真的需要。真实的仿真是由Concurrent的Simulation Workbench平台进行控制的，该平台主要用于开发和执行实时硬件在环仿真。该平台可以使SIMPACK运行在特定的CPU上，并且可以屏蔽其它模型或者程序在该CPU上运行，以此来保证动力学模型的实时性。并且该平台也可以用于仿真模型和硬件I/O之间的配对。

模拟器接收来自测试控制机的输入信号，并运行动力学模型进行响应，然后将响应反馈给测试控制机。该虚拟测试平台可以不借助于实际物理实验就能帮助工程师评估测试流程、确定无法预知的响应和培训人员，因此对于风机开发来说是必需的。此外，该实验室还有控制器、I/O硬件、数据查询硬件，可以使工程师在实验室环境下就能轻易在现地面试验的工况。

虽然克莱姆森大学的测试平台是属于克莱姆森大学的，但是严格来说它又不是一个典型的大学实验室。该测试平台体积巨大、昂贵，并且有危险性，都使得对于学生和教员使用该平台充满了困难。而在动力学仿真实验室中进行动力学仿真则没有任何危险。实时、动力学仿真实验室的主要应用包括测试流程开发、系统故障再现、培训和测试前的验证。

该实验室主要用来重现和研究测试平台的动态响应，包括被测试设备（DUT）的响应和测试平台的响应。很多别的研究所和整机制造商都研究过风机系统的动态响应，但是该实验室重点在于研究整个测试平台的动态响应。

四：SIMPACK模型

为了更好的了解真个测试平台的响应，利用SIMPACK和MATLAB/Simulink搭建了该测试平台的动力学模型。动力学模型包含被测试设备（DUT）和测试平台的设备。

SIMPACK中的模型包括驱动电机、高速联轴器、7.5MW减速箱、低速轴、加载单元和整机（包括主轴承、齿轮箱、发电机）。DUT对于整个系统的影响非常明显，因此必须要对其建模。克莱姆森大学与GE合作，使用SIMPACK搭建了风机的整机模型。

动力学模型中的很多部件或者子结构都创建了多个版本的不同详细程度的模型。在要达到不同目标时，就选用与之相对应的子结构或者部件模型，这也体现了SIMPACK子结构建模的优势。比如对于实时仿真的应用来说，就通过调整刚性单元，使整个模型的固有频率低于500Hz，从而就可以保证实时仿真时仿真步长在1ms。此外，整个模型的自由度也保持在一个合理的范围内，以使实时硬件机具有足够的能力来对动力学模型进行解算。

在SIMPACK和MATLAB/Simulink模型中，系统模型按照实际系统的逻辑关系被分成了多个子系统。在SIMPACK模型中大量的使用了接收器、发送器和子结构的建模理念，以使模型能够方便的进行重构。比如对于7.5MW的减速箱而言，就有三个版本的模型。最低精确度版本的模型用于实时仿真，它使用了线性化的齿轮力元、忽略轴承刚度、并对输入端进行了适当的简化。精确度最高的齿轮箱模型包含了SIMPACK的225号齿轮力元、轴承刚度、输入端平行轴考虑负载均衡机制。中等精确度的模型复杂程度介于二者之间。

然而，所有的齿轮箱模型都具有相同的输入、输出和支撑标记点，使得其可以方便的用于不同要求的分析中。基于子结构建模的特征使得使用者可以很容易的更改系统的精确度。比如工程师可以将低精确度的输入端模型与高精确度的风机模型相连，这样在降低计算时间的同时还可以深入研究风机的内部响应。低精确度的整个模型有23个状态，而高精确度的模型有68个状态。

子结构建模的另一优势就是建模单元可以重用。7.5MW和15MW测试平台的设计和构造都基本类似，因此很多多体模型中的单元既可以用于7.5MW，也可以用于15MW。最后，MATLAB/Simulink部分的模型也进行了参数化，使之既可以用于15MW动力学模型，也可以用于7.5MW动力学模型。15MW的测试平台模型正在测试，由于子结构建模的优势，使得其建模只用了7.5MW模型建模几分之一的时间。

五：其它模型

除了多体系统之外，测试平台还包含了液压、电气和控制系统模型，这些模型都对整个系统的响应是有影响的。

驱动电机使用了工业中常用的标准电机，并带有抗饱和保护的PI控制策略。伺服阀用来提供5MW的液压功率来驱动两个LAU。伺服控制使用了RDDS中的用户自己设计的多输入、多输出的控制系统。风机中的发电机如果就功率控制来说可以采用RDDS中的控制来实现，或者就仿真风机运行来说，可以采用实际的控制器。

图3 整个测试平台模型

所有不同子系统的控制方程使用MATLAB/Simulink进行开发的，其与SIMPACK模型的交互可以通过SIMAT联合仿真或者输出S-funciton的方式实现。整个测试平台的模型如图3所示。

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