液壓型風(fēng)力發(fā)電機恒轉(zhuǎn)速控制的研究

, , , 　(1.蘭州理工大學(xué) 能源動力學(xué)院， 甘肅 蘭州　730050； 2.蘭州理工大學(xué) 溫州泵閥研究院， 浙江 溫州　325105)

引言

能源是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，而如今風(fēng)能已經(jīng)成為清潔可再生能源的代表，風(fēng)力發(fā)電逐漸走進(jìn)人們的視野。傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機按照轉(zhuǎn)速的不同，風(fēng)力發(fā)電機類型可分為定轉(zhuǎn)速、受限變轉(zhuǎn)速和變轉(zhuǎn)速三種。在變速風(fēng)力發(fā)電機中，兩種最有競爭能力的結(jié)構(gòu)形式是異步電機雙饋式和永磁同步電機直接驅(qū)動式機。直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電裝置，采用低速永磁同步發(fā)電機，發(fā)電機直徑大、重量大、制造成本高，安裝難度大。而液壓型風(fēng)力發(fā)電機通過調(diào)節(jié)泵和馬達(dá)組成容積調(diào)速回路，提高系統(tǒng)的效率，降低了制造成本，且易于安裝。

1　液壓型風(fēng)力發(fā)電機的整體結(jié)構(gòu)

本研究所用液壓型風(fēng)力發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1液壓型風(fēng)力發(fā)電機的組成框圖

該裝置包括風(fēng)力傳動部分、液壓傳動部分以及發(fā)電部分。風(fēng)力傳動部分包括風(fēng)力發(fā)電機葉輪和輪轂。葉片輪轂連接齒輪箱，風(fēng)力機軸的轉(zhuǎn)速通過齒輪箱增至定量泵所需的額定轉(zhuǎn)速，定量泵正常工作之后帶動變量馬達(dá)工作，馬達(dá)與發(fā)電機連接，將液壓能轉(zhuǎn)化為電能，最終達(dá)到發(fā)電機正常工作所需的轉(zhuǎn)速。

2　恒轉(zhuǎn)速控制

2.1　液壓型風(fēng)力發(fā)電機的工作原理

1、10.油箱　2.溢流閥　3.補油泵　4.過濾器　5.安全閥 6.定量泵　7.齒輪增速箱　8.單向閥　9.蓄能器　11.比例閥 12.變量柱塞　13.測速電機　14.變量馬達(dá) 圖2　液壓傳動風(fēng)力發(fā)電機的工作原理圖

蓄能器9在這里主要起節(jié)能作用，當(dāng)風(fēng)速突然增大時，蓄能器可以儲存一部分能量，吸收系統(tǒng)中產(chǎn)生的流量脈動和沖擊，當(dāng)風(fēng)速突然減小時，蓄能器給系統(tǒng)補充一部分能量。溢流閥5設(shè)定一個溢流壓力，當(dāng)風(fēng)速特別大的時候，油液通過溢流閥進(jìn)行溢流，保證系統(tǒng)安全運行。由于系統(tǒng)有泄漏，所以增加補油泵3，以補充系統(tǒng)的泄漏。

2.2　建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

1) 閥控液壓缸

該機構(gòu)是用電液伺服閥控制的液壓缸，當(dāng)外部不加信號時，變量馬達(dá)的斜盤傾角保持不變利用缸的流量連續(xù)性方程、滑閥的線性化方程、液壓缸空載的力平衡方程可推導(dǎo)出液壓缸輸出量xp關(guān)于給定輸入量xv的傳遞函數(shù)：

(1)

式中:ωh—— 液壓固有頻率

ζh—— 液壓阻尼比

Ap—— 為液壓缸活塞的有效面積

kq—— 閥在穩(wěn)定工作點附近的流量增益

2) 活塞-斜盤傾角

變量機構(gòu)中變量柱塞的位置與馬達(dá)的排量調(diào)節(jié)系數(shù)一一對應(yīng)。從柱塞位移到泵的擺角之間的傳遞函數(shù)為:

(2)

式中：kε—— 為變量馬達(dá)斜盤傾角系數(shù)

γ—— 變量馬達(dá)斜盤傾角

xp—— 柱塞輸出量

3　不同定量泵轉(zhuǎn)速對變量馬達(dá)恒轉(zhuǎn)速輸出的影響

AMESim是學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模與仿真平臺，具有復(fù)雜液壓元件結(jié)構(gòu)參數(shù)化的功能模塊。 利用AMESim軟件建模如圖3所示，表1各元件設(shè)置參數(shù)。運用AMESim里面的液壓庫，機械庫和信號庫，簡化了系統(tǒng)原理模型， 用函數(shù)f(x)代替了原理圖中電液反饋部分，使定量泵轉(zhuǎn)速與變量馬達(dá)的斜盤傾角存在某種函數(shù)關(guān)系，使其能達(dá)到恒轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的目的。

圖3　AMESim仿真圖

表1　各元件設(shè)置參數(shù)

根據(jù)流量反饋原理：

(3)

式中：np—— 為定量泵轉(zhuǎn)速(r/min)

vp—— 定量泵排量(mL/r)

r—— 變量馬達(dá)要求輸出轉(zhuǎn)速，該方案中為1500 r/min

vm—— 變量馬達(dá)最大排量(mL/r)

當(dāng)定量泵轉(zhuǎn)速分別為850 r/min，1000 r/min、1100 r/min 時，對應(yīng)馬達(dá)轉(zhuǎn)速輸出曲線分別如圖4～圖6所示。其中給定的轉(zhuǎn)速信號持續(xù)時間為3 s。

圖4　定量泵轉(zhuǎn)速850 r/min

圖5　定量泵轉(zhuǎn)速1000 r/min

圖6　定量泵轉(zhuǎn)速1100 r/min

當(dāng)定量泵轉(zhuǎn)速為850 r/min時，馬達(dá)轉(zhuǎn)速最終穩(wěn)定時系統(tǒng)沒有超調(diào)量，定量泵轉(zhuǎn)速為1000 r/min時，此時系統(tǒng)存在超調(diào)量，但與圖4相比，系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間較短。當(dāng)定量泵轉(zhuǎn)速1100 r/min時，系統(tǒng)超調(diào)量明顯比定量泵轉(zhuǎn)速1000 r/min時要高。定量泵轉(zhuǎn)速不同時，之所以會出現(xiàn)如圖4～圖6的曲線變化，是因為變量馬達(dá)存在一個斜盤傾角基準(zhǔn)值，此基準(zhǔn)值是由轉(zhuǎn)速為理想轉(zhuǎn)速1000 r/min計算而來的，因此在定量泵轉(zhuǎn)速在臨近1000 r/min上下波動時，馬達(dá)轉(zhuǎn)速曲線會呈現(xiàn)不同的變化。離基準(zhǔn)值越近，變量馬達(dá)斜盤傾角需要調(diào)整的幅度越小，系統(tǒng)越容易穩(wěn)定，超調(diào)量也越小。定量泵轉(zhuǎn)速超過基準(zhǔn)值時，系統(tǒng)超調(diào)量上升，震蕩較大，馬達(dá)轉(zhuǎn)速低于基準(zhǔn)值時，系統(tǒng)沒有超調(diào)量，但調(diào)節(jié)時間較長。

4　結(jié)論

(1) 通過對液壓型風(fēng)力發(fā)電機液壓傳動部分的研究，提出了定量泵控變量馬達(dá)的設(shè)計方案，克服了傳統(tǒng)發(fā)電裝置體積龐大，制造成本高的缺點；

(2) 通過AMESim仿真模型的建立，可以模擬泵控馬達(dá)的調(diào)節(jié)過程，調(diào)節(jié)結(jié)果都可以實現(xiàn)變量馬達(dá)的恒轉(zhuǎn)速控制。定量泵轉(zhuǎn)速越接近設(shè)定值，馬達(dá)最終調(diào)節(jié)到恒轉(zhuǎn)速的時間越短，超調(diào)量也較小。這對以后研究如何加快恒轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間和提高穩(wěn)定性提供了參考。

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