液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越過(guò)程主傳動(dòng)系統(tǒng)瞬態(tài)特性研究*

艾 超，孔祥東*，閆桂山，華玉蘭，宋 豫

(1.燕山大學(xué)河北省重型機(jī)械流體動(dòng)力傳輸與控制實(shí)驗(yàn)室，河北秦皇島066004;2.燕山大學(xué)先進(jìn)鍛壓成形技術(shù)與科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北秦皇島066004;3.燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北秦皇島066004;4.沈陽(yáng)新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司，遼寧沈陽(yáng)110000)

0 引 言

液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組［1-3］(以下簡(jiǎn)稱液壓型機(jī)組)采用定量泵-變量馬達(dá)柔性傳動(dòng)，配合勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)，有效地提高了發(fā)電質(zhì)量，降低了機(jī)艙重量，降低了對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

液壓型機(jī)組主傳動(dòng)系統(tǒng)原理為:風(fēng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)定量泵輸出高壓油，傳動(dòng)部分采用定量泵-變量馬達(dá)閉式液壓系統(tǒng)，變量馬達(dá)與勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)剛性連接。系統(tǒng)通過(guò)控制變量馬達(dá)的擺角實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)調(diào)整，從而控制發(fā)電機(jī)工作于同步轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電［4-5］。

其中，低電壓穿越是風(fēng)電機(jī)組的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，也是現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行的要求，指風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)由于電網(wǎng)故障或擾動(dòng)造成電壓跌落時(shí)，風(fēng)電機(jī)組能夠保持并網(wǎng)，并通過(guò)向電網(wǎng)提供一定的無(wú)功功率支撐電網(wǎng)恢復(fù)，最終“穿越”整個(gè)低電壓時(shí)間(區(qū)域)［6-8］。

與傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一樣，液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組需要具備低電壓穿越能力。液壓型機(jī)組在低電壓穿越過(guò)程中，為保證發(fā)電機(jī)穩(wěn)定工作于工頻轉(zhuǎn)速保持并網(wǎng)，液壓主傳動(dòng)系統(tǒng)需要對(duì)其功率、壓力等瞬態(tài)特性進(jìn)行快速調(diào)整。因此，液壓主傳動(dòng)系統(tǒng)瞬態(tài)特性在低電壓穿越過(guò)程具有重要作用。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者［9-11］對(duì)液壓系統(tǒng)瞬態(tài)特性開(kāi)展了一些了研究，但針對(duì)低電壓穿越過(guò)程中液壓主傳動(dòng)系統(tǒng)瞬態(tài)特性研究的文獻(xiàn)鮮見(jiàn)，未形成成熟的研究體系。因此，有必要對(duì)液壓型機(jī)組低電壓穿越過(guò)程主傳動(dòng)系統(tǒng)瞬態(tài)特性展開(kāi)研究。

本研究針對(duì)液壓型機(jī)組低電壓穿越過(guò)程，重點(diǎn)研究其主傳動(dòng)系統(tǒng)瞬態(tài)特性。

1 液壓型機(jī)組液壓主傳動(dòng)系統(tǒng)瞬態(tài)模型及分析

液壓型機(jī)組主傳動(dòng)系統(tǒng)由定量泵-變量馬達(dá)閉式容積回路組成，其原理如圖1所示。

圖1 定量泵-變量馬達(dá)閉式回路原理圖

液壓型機(jī)組在低電壓穿越過(guò)程中，為保證發(fā)電機(jī)穩(wěn)定工作于工頻轉(zhuǎn)速保持并網(wǎng)，液壓主傳動(dòng)系統(tǒng)需要對(duì)其功率、壓力等瞬態(tài)特性進(jìn)行快速調(diào)整。因此本研究建立液壓主傳動(dòng)系統(tǒng)定量泵-變量馬達(dá)數(shù)學(xué)模型［12］，得出液壓主傳動(dòng)系統(tǒng)瞬態(tài)特性。

定量泵轉(zhuǎn)速瞬態(tài)傳遞函數(shù)為:

式中:θp—定量泵轉(zhuǎn)速，rad/s;Dp—定量泵的輸出排量，m3/r;γ—變量馬達(dá)斜盤(pán)傾角與其最大傾角比值，γ0—γ的初始值;Dm0—變量馬達(dá)的最大排量，m3/rad;Km—變量馬達(dá)排量梯度，m3/rad;Km0—Km初始值;θm—變量馬達(dá)轉(zhuǎn)速，rad/s;θm0—θm的初始值;Ct—總泄漏系數(shù)，m3/(s·Pa);V0—單個(gè)腔室的總?cè)莘e，m3;βe—有效體積彈性模量，Pa;Jp—定量泵和負(fù)載的總慣量，kg·m2;Bp—泵側(cè)粘性阻尼系數(shù)，N/(m/s);Tp—定量泵的驅(qū)動(dòng)力矩，N/m。

變量馬達(dá)轉(zhuǎn)速瞬態(tài)傳遞函數(shù)為:

式中:Qp—定量泵的輸出流量，m3/rad;Tm—變量馬達(dá)軸上的外負(fù)載力矩，N/m。

變量馬達(dá)輸出功率傳遞函數(shù)為:

式中:ph—高壓管路壓力，Pa;ph0—ph初始值;P—變量馬達(dá)輸出功率，W。

當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，為實(shí)現(xiàn)低電壓穿越，液壓型機(jī)組通常采用直接控制變量馬達(dá)擺角的方法，通過(guò)增大變量馬達(dá)排量，調(diào)整系統(tǒng)瞬態(tài)壓力ph，使變量馬達(dá)輸出功率P迅速降低，從而使定量泵轉(zhuǎn)速θp提高，將多余的能量?jī)?chǔ)存到風(fēng)力機(jī)中。最終系統(tǒng)通過(guò)控制變量馬達(dá)轉(zhuǎn)速使發(fā)電機(jī)穩(wěn)定工作于工頻轉(zhuǎn)速保持并網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)低電壓穿越。

2 液壓型機(jī)組主傳動(dòng)系統(tǒng)瞬態(tài)特性仿真研究

本研究以燕山大學(xué)30 kVA液壓型機(jī)組實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，依據(jù)液壓型機(jī)組低電壓穿越控制原理，搭建系統(tǒng)仿真平臺(tái)。筆者采用AMESim軟件搭建主傳動(dòng)系統(tǒng)瞬態(tài)特性仿真模塊，利用Matlab/Simulink軟件搭建風(fēng)速與風(fēng)輪特性模塊、低電壓穿越控制器模塊、電力系統(tǒng)模塊，并利用接口技術(shù)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)軟件的聯(lián)合仿真。仿真平臺(tái)如圖2、圖3所示，仿真參數(shù)設(shè)定如表1～3所示。

圖2 液壓主系統(tǒng)瞬態(tài)特性仿真模塊

表1 Simulink參數(shù)設(shè)定

表2 AMESim參數(shù)設(shè)定

圖3 液壓型機(jī)組低電壓穿越仿真平臺(tái)

表3 液壓系統(tǒng)參數(shù)表

2.1 運(yùn)行工況對(duì)主傳動(dòng)系統(tǒng)瞬態(tài)特性影響

本研究模擬風(fēng)力機(jī)典型工況，分別設(shè)置定量泵轉(zhuǎn)速為400 r/min和600 r/min，研究主傳動(dòng)系統(tǒng)瞬態(tài)特性，仿真結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，隨著定量泵轉(zhuǎn)速增加，變量馬達(dá)擺角增大、轉(zhuǎn)速波動(dòng)增大，系統(tǒng)瞬態(tài)壓力增高。此外，定量泵轉(zhuǎn)速分別設(shè)定為400 r/min和600 r/min時(shí)，在變量馬達(dá)擺角調(diào)整1 s后，對(duì)應(yīng)發(fā)電功率下降幅度分別為12%和16%。可知，在不同工況下，變量馬達(dá)擺角初始值設(shè)定和發(fā)電功率響應(yīng)的快速性不同，變量馬達(dá)擺角初始值越大，對(duì)應(yīng)發(fā)電功率瞬態(tài)響應(yīng)越快。

圖4 不同工況下主傳動(dòng)系統(tǒng)瞬態(tài)特性仿真結(jié)果

由上述仿真結(jié)果分析可知，在低電壓穿越過(guò)程中，本研究根據(jù)不同的電壓跌落深度，通過(guò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力，實(shí)現(xiàn)了定量泵液壓負(fù)載轉(zhuǎn)矩的控制，最終調(diào)整定量泵至最佳轉(zhuǎn)速。

2.2 管道長(zhǎng)度對(duì)主傳動(dòng)系統(tǒng)瞬態(tài)特性影響

筆者通過(guò)仿真分析管道長(zhǎng)度對(duì)主傳動(dòng)系統(tǒng)瞬態(tài)特性的影響規(guī)律，縮短主傳動(dòng)系統(tǒng)液壓管路長(zhǎng)度，即減少液壓管路初始容積。設(shè)定定量泵轉(zhuǎn)速為900 r/min時(shí)，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同管道長(zhǎng)度主傳動(dòng)系統(tǒng)瞬態(tài)特性仿真結(jié)果

由圖5可知，縮短液壓管路長(zhǎng)度、減小液壓管路初始容積，有利于發(fā)電功率的瞬態(tài)響應(yīng)速度的提高，但是變量馬達(dá)在擺角快速調(diào)整瞬時(shí)，其轉(zhuǎn)速會(huì)波動(dòng)增大(轉(zhuǎn)速波動(dòng)是在電力系統(tǒng)允許范圍內(nèi)的)。因此，在主傳動(dòng)系統(tǒng)定量泵-變量馬達(dá)閉式回路中，縮短管路長(zhǎng)度有利于發(fā)電功率快速響應(yīng)。

依據(jù)上述分析，本研究對(duì)主傳動(dòng)液壓系統(tǒng)管路進(jìn)行優(yōu)化，分別縮短高、低壓管路，優(yōu)化后對(duì)系統(tǒng)頻域特性進(jìn)行分析，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 主傳動(dòng)系統(tǒng)壓力特性頻域仿真結(jié)果

由圖6可知，在幅值為 -3 dB時(shí)，頻寬 ωb=76.2 rad/s≈12.1 Hz，即縮短液壓管路后，系統(tǒng)壓力特性響應(yīng)速度較快，在低電壓穿越過(guò)程中可迅速調(diào)整至設(shè)定值。

由上述仿真結(jié)果分析可知，為實(shí)現(xiàn)低電壓穿越，液壓型機(jī)組在工程推廣過(guò)程中，在滿足機(jī)組液壓系統(tǒng)安裝的前提之下，應(yīng)該盡量縮短液壓管道長(zhǎng)度，提高液壓型機(jī)組的低電壓穿越控制能力。

3 結(jié)束語(yǔ)

本研究通過(guò)數(shù)學(xué)模型和仿真分析，研究液壓型機(jī)組低電壓穿越過(guò)程主傳動(dòng)系統(tǒng)瞬態(tài)特性。主要得到以下結(jié)論:

(1)建立了低電壓穿越過(guò)程液壓主傳動(dòng)系統(tǒng)的瞬態(tài)模型;

(2)給出了定量泵轉(zhuǎn)速與主傳動(dòng)系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)的作用規(guī)律，即提高量泵轉(zhuǎn)速有利于系統(tǒng)的快速響應(yīng)。為不同運(yùn)行工況下低電壓穿越的控制方法提供了參考依據(jù);

(3)提出了管道長(zhǎng)度對(duì)主傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)電功率響應(yīng)的影響規(guī)律，即縮短管道長(zhǎng)度有利于發(fā)電功率的快速調(diào)整。為低電壓穿越控制中液壓系統(tǒng)管路優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

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