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申请/专利权人：华北电力大学

摘要：本发明公开一种用于传动链载荷线性分析的浮式风机的线性模型构建方法，属于风力发电技术领域。所述方法包括：将传动链主轴等效为柔性体，构建传动链主轴的运动学方程；根据传动链主轴的运动学方程构建浮式风机的轮毂‑扇叶系统子模型、漂浮平台‑塔筒子模型和系泊系统子模型；根据各子模型，构建浮式风机的非线性模型；根据浮式风机的非线性模型构建浮式风机的线性模型；对所述浮式风机的线性模型进行参数辨识。本发明将主轴考虑为柔性体，构建考虑主轴的轴向拉压、弯曲和扭转形变的运动学方程，并通过增益调度技术，构建了浮式风机的线性模型，实现了用于传动链载荷线性分析的浮式风机的线性模型构建。

主权项：1.一种用于传动链载荷线性分析的浮式风机的线性模型构建方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：将传动链主轴等效为柔性体，构建传动链主轴的运动学方程；根据传动链主轴的运动学方程构建浮式风机的轮毂-扇叶系统子模型、漂浮平台-塔筒子模型和系泊系统子模型；根据轮毂-扇叶系统子模型、漂浮平台-塔筒子模型和系泊系统子模型，构建浮式风机的非线性模型；根据浮式风机的非线性模型构建浮式风机的线性模型；对所述浮式风机的线性模型进行参数辨识；传动链主轴的运动学方程为： 其中，Kb为传动链主轴的刚度矩阵，C为传动链主轴的阻尼矩阵，Mc为传动链主轴的质量矩阵，为作用在传动链主轴上的力向量，为作用在传动链主轴上的转矩向量，为传动链主轴的广义坐标向量；所述轮毂-扇叶系统子模型表征风和浮式风机之间的相互作用，将风作用在浮式风机的叶片上的力转化为作用在浮式风机的转子轴方向上的气动力与作用在转子上的气动扭矩；所述轮毂-扇叶系统子模型为： 其中，F1x,u,v表示作用在浮式风机的转子轴方向上的气动力，x是浮式风机的状态向量，u是浮式风机的被控量，v是风速输入向量，Ct是气动力系数，是关于叶尖速比λ和桨距角β的函数，ρa是空气密度，是扇叶的扫风面积，Rr表示扇叶的扫风半径，是垂直于扫风面的等效风速向量，表示投影在垂直于主轴平面的与浮式风机之间的修正风速，T1x,u,v是作用在转子上的气动扭矩，Rθ表示世界坐标系与主体坐标系之间的变化矩阵，是由浮式风机重心指向各类型力作用中心点的方向距离向量，NGR是齿轮箱传动比，Tg是发电机转矩，是主轴坐标系中z轴单位向量，Rt是扇叶扫风面与世界坐标系之间的转换矩阵，是作用在传动链主轴上的力向量，是作用在传动链主轴上的转矩向量；漂浮平台-塔筒子模型为： F3,ix,w＝F3t,ix,w+F3h,ix,w； 其中，F2x是漂浮平台所受浮力与重力的合力，F2,ix是浸没在水中的浮筒i所受浮力，FG是作用于浮式风机重心的总重力，是世界坐标系中y轴的单位向量，ρw是液体密度，Ai是浮筒i的横截面积，li是浮筒i浸没在水中的长度，mg是浮式风机的总质量，g是风机所在位置的重力加速度；T2x是各个浮筒上的浮力生成作用于浮式风机的总转矩，T2,ix是浮筒i上的浮力生成作用于浮式风机的转矩，为在主体坐标系下由浮式风机重心指向浮筒i的浮力作用点的方向距离向量；F3x,w是各个浮筒受流体影响产生的总阻力，F3,ix,w是浮筒i受流体影响产生的阻力，F3t,ix,w是浮筒i受流体影响产生的横向阻力，F3h,ix,w是是浮筒i受流体影响产生的纵向阻力，w是波浪输入向量，Cd,i是浮筒i的阻力常数，Ca,i是浮筒i的惯性常数，At,i是浮筒i的侧面积，是浮筒i处横向水流的速度向量，Vi浮筒i的体积，是浮筒i处横向水流的速度向量，和分别为浮筒底部和顶部浸入水中的横截面积，wp,j和wp,n+j分别代表浮筒底部和顶部的水压，Cdy,i和Cay,i均为常数，和分别为等效的水流纵向速度矢量和加速度矢量，Vh,i为浮筒i的参考体积；T3x,w是各个浮筒受流体影响产生的总阻力作用于浮式风机的总转矩，T3,ix,w是浮筒i受流体影响产生的总阻力作用于浮式风机的总转矩；系泊系统子模型为： 其中，F4x是浮式风机的系泊力，F4,jx是第j根系泊缆作用于系泊点对浮式平台产生的系泊力，T4x是浮式风机的系泊力产生的力矩，是由浮式风机重心指向系泊点的方向距离向量；Ft,j为第j根系泊缆作用于系泊点的水平张力，μj为第j根系泊缆的密度，Ll,j为第j根系泊缆的长度，L0,j为第j根系泊缆在无风无浪情况下落在海床上的长度，Lup,j为第j根系泊缆在状态发生变化时在海床上升起或落下的高度，d4,j是由浮式风机重心指向第j根系泊缆作用点的方向距离向量，分别为世界坐标系中x、y、z轴的单位向量；浮式风机的非线性模型为： fTx,u,v,w＝RθIgRθTTx,u,v,w； Fx,u,v,w＝F1x,u,v+F2x+F3x,w+F4x；其中，fx,u,v,w为浮式风机的非线性模型的状态函数，分别为生成自力函数、转矩函数以及轴扭矩函数；p是浮式风机的位置向量，表示传动链主轴的广义坐标向量，θ是偏转向量，θr是主轴偏转角，max、may、maz分别为沿世界坐标系x轴、y轴、z轴方向的虚拟气动质量；Jr为低速轴转动惯量，Jg为高速轴转动惯量，Tg为发电机转矩；F1x,u,v表示作用在浮式风机的转子轴方向上的气动力，F2x是漂浮平台所受浮力与重力的合力，F3x,w是各个浮筒受流体影响产生的总阻力，F4x是浮式风机的系泊力，Ig为浮式风机惯量矩阵，Fx,u,v,w为浮式风机系统所受合力，Tx,u,v,w为浮式风机系统所受合力矩，上标T表示转置，Pa为气动功率，作用于主轴绕z轴扭转的扭矩，ωr为低速轴转速；浮式风机的线性模型为： 其中，Pe表示发电机电磁功率，y是浮式风机系统输出，上标T表示转置，ηg表示发电机机械效率，Te表示电磁转矩，表示工作点平均电磁转矩，ωg表示发电机转速，表示工作点平均发电机转速。

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