大型风电机组偏航电机选型方法及驱动扭矩的确定方法.pdf

本发明涉及大型风电机组偏航电机选型方法及驱动扭矩的确定方法，该驱动扭矩确定方法为：建立风电机组仿真模型，求解出极端工况下偏航轴承所受外载、倾覆力矩、轴向力、径向力、偏航轴承转速及加速度；根据上述参数，计算偏航轴承滚道摩擦力矩；建立机组偏航过程中的力学模型，求解出偏航过程中的偏航电机驱动扭矩。该选型方法为：根据各时间点的偏航电机驱动扭矩，计算疲劳工况偏航电机驱动扭矩的有效值及最大有效值，确定预选偏航电机的额定值，根据额定值及驱动扭矩峰值Mp选定偏航电机。本发明原理简单，易操作，精度高，机组安全可靠性高，有效降低偏航制动器夹持载荷，减少偏航刹车片的磨损情况，延长偏航维护周期，降低机组的维护成本。

1.大型风电机组偏航电机驱动扭矩的确定方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
1)建立风电机组仿真模型，求解出极端工况下偏航轴承所受外载、倾覆力矩、轴向力、
径向力、偏航轴承转速及加速度；
2)根据偏航轴承所受外载、倾覆力矩、轴向力、径向力及轴承轨道预紧力，计算偏航轴
承滚道摩擦力矩；
3)建立机组偏航过程中的力学模型，根据该力学模型求解出偏航过程中偏航电机的驱
动扭矩时间序列载荷；该力学模型包括判断条件为：偏航轴承转速大于零或偏航轴承加速
度大于零，且包括模型参数：偏航轴承所受外载、偏航制动器预紧力矩及偏航轴承摩擦力
矩。
2.根据权利要求1所述大型风电机组偏航电机驱动扭矩的确定方法，其特征在于，步骤
3)中的偏航电机的驱动扭矩时间序列载荷的计算方法包括如下步骤：
A)设定偏航电机驱动扭矩峰值M_p；
B)计算一时间点偏航电机驱动扭矩：如果M_act≤M_p，则
该时间点的驱动扭矩为M_act；
否则，该时间点偏航电机驱动扭矩为同时比较Mp与M′_act
的大小，如果Mp<M′_act，令M_p＝M′_act，作为下一时间点的偏航电机驱动扭矩峰值，若Mp≥M
′_act，M_p不变；其中，M_z为偏航轴承外载，M_f为偏航轴承滚道摩擦力矩，M_{c_yaw}为偏航制动器预紧
力矩，i为偏航系统传动比，η为传动效率，N为偏航电机数量；
C)重复步骤B)，最终获得偏航过程中各个时间点的偏航电机驱动扭矩。
3.根据权利要求1所述大型风电机组偏航电机驱动扭矩的确定方法，其特征在于，所述
步骤2)中的偏航轴承滚道摩擦力矩M_f的计算公式为：
$M_f=\frac{\mathrm{\&mu;}}{2}(4.4M_{xy}+D_L\&CenterDot;|F_z|+3.806F_{xy}\&CenterDot;D_L)+M_{pre}$
其中，M_xy为倾覆力矩，D_L为轴承滚道直径，F_z为轴向力，F_xy为径向力，M_pre为轴承滚道预
紧力，μ为摩擦系数。
4.根据权利要求1所述大型风电机组偏航电机驱动扭矩的确定方法，其特征在于，所述
步骤1)中利用风电机组样机部件相关参数，导入外部控制器，建立与风电机组样机功能相
当的虚拟模型样机。
5.根据权利要求1所述大型风电机组偏航电机驱动扭矩的确定方法，其特征在于，所述
步骤1)中疲劳和极限工况的设置条件严格遵守风电机组认证指南GL规定，设定机组外部条
件和运行状态，模拟风电机组实际承载情况。
6.一种采用权利要求1所述大型风电机组偏航电机驱动扭矩的确定方法的大型风电机
组偏航电机选型方法，其特征在于，根据疲劳工况各时间点的偏航电机的驱动扭矩M_act，计
算偏航电机驱动扭矩的有效值M_act_RMS，统计出偏航电机驱动扭矩的最大有效值作为预选
偏航电机的额定值，根据预选偏航电机的额定值和偏航电机驱动扭矩峰值选定所需偏航电
机。
7.根据权利要求6所述大型风电机组偏航电机选型方法，其特征在于，所述偏航电机驱
动扭矩的有效值为RMS代表求取均方根值，M_z为
偏航轴承外载，M_f为偏航轴承滚道摩擦力矩，为偏航制动器预紧力矩，i为偏航系统
传动比，η为传动效率，N为偏航电机数量。
8.根据权利要求6所述大型风电机组偏航电机选型方法，其特征在于，
步骤3)中的偏航电机的驱动扭矩时间序列载荷的计算方法包括如下步骤：
A)设定偏航电机驱动扭矩峰值M_p；
B)计算一时间点偏航电机驱动扭矩：如果M_act≤M_p，则该
时间点的驱动扭矩为M_act；
否则，该时间点偏航电机驱动扭矩为同时比较Mp与M′_act
的大小，如果Mp<M′_act，令M_p＝M′_act，作为下一时间点的偏航电机驱动扭矩峰值，若Mp≥M
′_act，M_p不变；其中，M_z为偏航轴承外载，M_f为偏航轴承滚道摩擦力矩，为偏航制动器预
紧力矩，i为偏航系统传动比，η为传动效率，N为偏航电机数量；
C)重复步骤B)，最终获得偏航过程中各个时间点的偏航电机驱动扭矩。

大型风电机组偏航电机选型方法及驱动扭矩的确定方法

技术领域

本发明主要涉及到风电装备领域，具体涉及一种大型风电机组偏航电机选型方法
及驱动扭矩的确定方法。

背景技术

风能作为一种技术成熟的新能源之一，已成为能源工业关注的焦点，随着近年装
机量的迅速提高，风电运营商对机组的经济效益和可靠运行提出更高的要求。偏航系统作
为风电机组的关键部件，其能否使风轮始终处于迎风位置，直接决定着机组的发电效益，同
时偏航制动器可以提供机组安全运行和暂停状态所需的预紧力矩，保证了机组的安全性。

偏航电机驱动扭矩直接决定了偏航系统工作的可靠性，选择合适的计算方法不仅
可以有效降低偏航制动器夹持载荷，减少偏航刹车片的磨损情况，延长偏航维护周期，降低
机组的维护成本，还可以降低偏航电机容量，降低机组成本。

发明内容

本发明提供了大型风电机组偏航电机选型方法及驱动扭矩的确定方法，以有效降
低偏航制动器夹持载荷，减少偏航刹车片的磨损情况，延长偏航维护周期，降低机组的维护
成本。

为实现上述目的，本发明的大型风电机组偏航电机驱动扭矩的确定方法包括如下
步骤：

1)建立风电机组仿真模型，求解出极端工况下偏航轴承所受外载、倾覆力矩、轴向
力、径向力、偏航轴承转速及加速度；

2)根据偏航轴承所受外载、倾覆力矩、轴向力、径向力及轴承轨道预紧力，计算偏
航轴承滚道摩擦力矩；

3)建立机组偏航过程中的力学模型，根据该力学模型求解出偏航过程中偏航电机
的驱动扭矩时间序列载荷；该力学模型包括判断条件为：偏航轴承转速大于零或偏航轴承
加速度大于零，且包括模型参数：偏航轴承所受外载、偏航制动器预紧力矩及偏航轴承摩擦
力矩。

步骤3)中的偏航电机的驱动扭矩时间序列载荷的计算方法包括如下步骤：

A)设定偏航电机驱动扭矩峰值M_p；

B)计算一时间点偏航电机驱动扭矩：如果M_act≤
M_p，则该时间点的驱动扭矩为M_act；

否则，该时间点偏航电机驱动扭矩为同时比较Mp与
M′_act的大小，如果Mp<M′_act，令M_p＝M′_act，作为下一时间点的偏航电机驱动扭矩峰值，若Mp≥
M′_act，M_p不变；其中，M_z为偏航轴承外载，M_f为偏航轴承滚道摩擦力矩，M_{c_yaw}为偏航制动器预
紧力矩，i为偏航系统传动比，η为传动效率，N为偏航电机数量；

C)重复步骤B)，最终获得偏航过程中各个时间点的偏航电机驱动扭矩。

所述步骤2)中的偏航轴承滚道摩擦力矩M_f的计算公式为：

其中，M_xy为倾覆力矩，D_L为轴承滚道直径，F_z为轴向力，F_xy为径向力，M_pre为轴承滚
道预紧力，μ为摩擦系数。

所述步骤1)中利用风电机组样机部件相关参数，导入外部控制器，建立与风电机
组样机功能相当的虚拟模型样机。

所述步骤1)中疲劳和极限工况的设置条件严格遵守风电机组认证指南GL规定，设
定机组外部条件和运行状态，模拟风电机组实际承载情况。

本发明的大型风电机组偏航电机选型方法为：首先根据上述大型风电机组偏航电
机驱动扭矩的确定方法求解出偏航电机的驱动扭矩时间序列载荷；根据疲劳工况各时间点
的偏航电机的驱动扭矩M_act，计算偏航电机驱动扭矩的有效值M_{act_RMS}，统计出偏航电机驱动
扭矩的最大有效值作为预选偏航电机的额定值，根据预选偏航电机的额定值和偏航电机驱
动扭矩峰值选定所需偏航电机。

所述偏航电机驱动扭矩的有效值为
RMS代表求取均方根值，M_z为偏航轴承外载，M_f为偏航轴承滚道摩擦力矩，M_{c_yaw}为偏航制动
器预紧力矩，i为偏航系统传动比，η为传动效率，N为偏航电机数量。

步骤3)中的偏航电机的驱动扭矩时间序列载荷的计算方法包括如下步骤：

A)设定偏航电机驱动扭矩峰值M_p；

B)计算一时间点偏航电机驱动扭矩：如果M_act≤
M_p，则该时间点的驱动扭矩为M_act；

否则，该时间点偏航电机驱动扭矩为同时比较Mp与
M′_act的大小，如果Mp<M′_act，令M_p＝M′_act，作为下一时间点的偏航电机驱动扭矩峰值，若Mp≥
M′_act，M_p不变；其中，M_z为偏航轴承外载，M_f为偏航轴承滚道摩擦力矩，M_{c_yaw}为偏航制动器预
紧力矩，i为偏航系统传动比，η为传动效率，N为偏航电机数量；

C)重复步骤B)，最终获得偏航过程中各个时间点的偏航电机驱动扭矩。

本发明的有益效果是：本发明的驱动扭矩确定方法通过建立仿真模型，计算搭建
偏航过程中的偏航力学模型的模型参数，利用力平衡原理，求解偏航电机驱动扭矩的有效
值，确定了偏航电机的预选方案，引入被动偏航，在保证偏航功能顺利实现的基础上，有效
降低了偏航电机的驱动转矩，从而降低电机容量，减少了偏航系统的成本。

附图说明

图1是偏航系统模型示意图；

图2是偏航电机驱动扭矩求解过程及偏航电机选型示意图。

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介绍。

本发明的大型风电机组偏航电机驱动扭矩的确定方法实施例

该方法包括如下步骤：

1)建立风电机组仿真模型，求解出极端工况下偏航轴承所受外载、倾覆力矩、轴向
力、径向力、偏航轴承转速及加速度；

2)根据偏航轴承所受外载、倾覆力矩、轴向力、径向力及轴承轨道预紧力，计算偏
航轴承滚道摩擦力矩；

3)建立机组偏航过程中的力学模型，根据该力学模型求解出偏航过程中偏航电机
的驱动扭矩时间序列载荷；该力学模型包括判断条件：偏航轴承转速大于零或偏航轴承加
速度大于零，且包括模型参数：偏航轴承所受外载、偏航制动器预紧力矩及偏航轴承摩擦力
矩。

下面对上述实施例的各个步骤作详细阐述：

对于步骤1)中利用风电机组样机部件相关参数，导入外部控制器，建立与风电机
组样机功能相当的虚拟模型样机。

按照疲劳工况和极限工况的设置要求对风电机组仿真模型进行仿真计算，疲劳和
极限工况的设置条件严格遵守风电机组认证指南GL规定，设定机组外部条件和运行状态，
尽可能模拟风电机组实际承载情况，导出偏航轴承所受外载M_z、倾覆力矩M_xy、轴向力F_z及径
向力F_xy的时间序列载荷及各时间点对应的偏航轴承转速ω_y和偏航轴承加速度a_y时间序
列；

在仿真过程中尽可能包含机组寿命周期所遇到的各种极端工况，这样通过仿真获
得的偏航轴承所受外载的时间序列与偏航轴承实际所受外载尽可能相近。

对于步骤2)，求解偏航轴承滚道摩擦力矩：依据Rolix及其他轴承厂家对轴承滚道
摩擦力的规定，轴承滚道摩擦力矩与轴承滚道直径D_L，摩擦系数μ，倾覆力矩M_xy，轴向力F_z，
径向力F_xy及轴承滚道预紧力M_pre相关，通过下式计算出偏航轴承滚道摩擦力矩为：

对于步骤3)建立机组偏航过程中的力学模型，所述偏航过程的力学模型为包括判
断条件：偏航轴承转速ω_y和偏航轴承加速度a_y均大于0，即|ω_y|>0或|a_y|>0；也包含模型参
数：偏航轴承外载M_z、偏航制动器预紧力矩M_{c_yaw}、偏航轴承摩擦力矩M_f及偏航电机制动扭矩
M_b、偏航系统传动比i、传动效率η和偏航电机数量N的力学模型。通过对步骤1)中所求解的
时间序列载荷进行计算，以求解出偏航过程中偏航电机的驱动扭矩M_act，以下给出满足条件
|ω_y|>0或|a_y|>0的偏航电机驱动扭矩M_act的具体求解过程：

1)首先设定偏航电机驱动峰值M_p；

2)然后按照公式求解某时间点的驱动扭矩，如果M_act≤
M_p，则该时间点偏航系统属于主动偏航，驱动扭矩为M_act，否则该时间点偏航系统属于被动偏
航，偏航电机在风载的作用下拖动，偏航电机驱动扭矩采用公式
求取，即该时间点的偏航电机驱动扭矩为M′_act，接着判定Mp与M′_act的大小，如果Mp<M′_act，则
增大M_p，即令M_p＝M′_act，将此M_p用于下一个时间点驱动扭矩的计算判定，若Mp≥M′_act，则M_p不
变，依然作为下一个时间点的偏航电机驱动峰值；

3)重复步骤2)计算出所有时间点的驱动扭矩，且最终得到M_p大于或等于所有时间
点的驱动扭矩，各时间点的偏航电机驱动扭矩组成偏航过程中偏航电机的驱动扭矩时间序
列载荷。

本发明的大型风电机组偏航电机选型方法实施例

该方法为：根据疲劳工况各时间点的偏航电机的驱动扭矩M_act，计算偏航电机驱动
扭矩的有效值M_{act_RMS}，统计出偏航电机驱动扭矩的最大有效值作为预选偏航电机的额定
值；最终根据预选偏航电机的额定值和偏航电机驱动扭矩峰值选定所需偏航电机。具体为：

根据大型风电机组偏航电机驱动扭矩的确定方法实施例的步骤3)所求得的偏航
电机的驱动扭矩，求解各疲劳工况下偏航电机驱动扭矩时间序列载荷的有效值，即偏航电
机驱动扭矩时间序列载荷的均方根值，公式为：

统计出偏航电机驱动扭矩时间序列载荷的最大有效值作为预选偏航电机的额定
值。

按照大型风电机组偏航电机驱动扭矩的确定方法可以求出偏航过程中偏航电机
的驱动扭矩时间序列载荷及偏航电机驱动峰值，将该偏航电机驱动峰值用于偏航电机选
型，即最终根据预选偏航电机的额定值和偏航电机峰值两个参数选取所需偏航电机。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施实
例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。本领域技术人员利用上述
技术内容作些许简单修改、等同编号或者修饰，均属于本发明的保护范围。