液壓型風力發(fā)電機組恒轉(zhuǎn)速輸出補償控制

艾　超　閆桂山　孔祥東　陳立娟

1.燕山大學河北省重型機械流體動力傳輸與控制實驗室，秦皇島，0660042.先進鍛壓成形技術與科學教育部重點實驗室(燕山大學)，秦皇島，066004

液壓型風力發(fā)電機組恒轉(zhuǎn)速輸出補償控制

艾超1,2閆桂山1孔祥東1,2陳立娟1

1.燕山大學河北省重型機械流體動力傳輸與控制實驗室，秦皇島，0660042.先進鍛壓成形技術與科學教育部重點實驗室(燕山大學)，秦皇島，066004

以液壓型風力發(fā)電機組為研究對象，針對其液壓調(diào)速系統(tǒng)恒轉(zhuǎn)速輸出問題，建立了定量泵-變量馬達液壓調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學模型，得到了系統(tǒng)泄漏、系統(tǒng)壓力瞬態(tài)調(diào)整和模型參數(shù)誤差對機組恒轉(zhuǎn)速輸出的補償控制數(shù)學模型。以數(shù)學模型為基礎，給出了液壓型風力發(fā)電機組恒轉(zhuǎn)速輸出補償控制方法。以30kV·A液壓型風力發(fā)電機組實驗臺為仿真和實驗基礎，對提出的控制方法展開研究。仿真和實驗結(jié)果表明，液壓型風力發(fā)電機組恒轉(zhuǎn)速輸出補償控制方法具有較好的控制效果，可實現(xiàn)機組的恒轉(zhuǎn)速輸出的高精度控制。

風力發(fā)電；液壓傳動；恒轉(zhuǎn)速輸出；補償控制

0　引言

風能為可再生能源發(fā)展的一個重要方向，風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)也因此迅猛發(fā)展[1]。風能是一種不穩(wěn)定的動力源，風速、風向?qū)崟r變化[2-3]。液壓型風力發(fā)電機組同步發(fā)電機并網(wǎng)時，要求其頻率保持恒定即發(fā)電機轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定[4]，因此，風力發(fā)電機組恒轉(zhuǎn)速輸出是決定其并網(wǎng)的關鍵因素，也是順利并網(wǎng)的一項基本要求。

國內(nèi)外學者對風力發(fā)電機組恒轉(zhuǎn)速輸出做了一些研究。文獻[5]針對液壓型風力發(fā)電機組，提出了采用蓄能器平穩(wěn)液壓系統(tǒng)波動的控制方法，實現(xiàn)了機組恒轉(zhuǎn)速控制；文獻[6]針對變量泵-定量馬達系統(tǒng)構(gòu)成的液壓型風力發(fā)電機組，在穩(wěn)定轉(zhuǎn)速附近提出了一種小信號線性化抗干擾控制方法，用于機組恒轉(zhuǎn)速輸出控制；文獻[7]研究了永磁直驅(qū)型風力發(fā)電機組小信號模型，分析了系統(tǒng)參數(shù)變化對轉(zhuǎn)速輸出穩(wěn)定性的影響。

在液壓型風力發(fā)電機組中，定量泵-變量馬達液壓調(diào)速系統(tǒng)速度剛性較差[8-9]，負載作用會引起機組輸出轉(zhuǎn)速波動，直接影響液壓型風力發(fā)電機組并網(wǎng)運行。因此，本文針對液壓型風力發(fā)電機組恒轉(zhuǎn)速輸出問題，提出了一種液壓型風力發(fā)電機組恒轉(zhuǎn)速輸出補償控制方法。

1　液壓型風力發(fā)電機系統(tǒng)簡介

1.1工作原理

液壓型風力發(fā)電機組[10]主要包括風力機、定量泵、變量馬達、同步發(fā)電機等，其工作原理如圖1所示。

圖1　液壓型風力發(fā)電機組的工作原理圖

風力機將風能轉(zhuǎn)化為機械能后，驅(qū)動定量泵輸出高壓油。定量泵將機械能轉(zhuǎn)化為液壓能，經(jīng)定量泵-變量馬達液壓調(diào)速系統(tǒng)后，推動變量馬達旋轉(zhuǎn)工作，將液壓能轉(zhuǎn)化為機械能。變量馬達與同步發(fā)電機同軸連接，同步發(fā)電機在變量馬達帶動下并網(wǎng)發(fā)電。機組通過實時調(diào)整變量馬達擺角，實現(xiàn)對變量馬達恒轉(zhuǎn)速輸出的控制，進而使同步發(fā)電機工作于同步轉(zhuǎn)速以實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。

1.2機組并網(wǎng)對主傳動系統(tǒng)控制要求

為保證電能質(zhì)量，國家標準[11]要求同步發(fā)電機頻率與電網(wǎng)頻率一致，偏差不超過±0.2 Hz(0.4%)。

本文闡述的液壓型風力發(fā)電機組需控制變量馬達(發(fā)電機)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定于同步轉(zhuǎn)速(1500±6 r/min)，并保證其在外部波動干擾條件下始終穩(wěn)定于并網(wǎng)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。

2　數(shù)學模型

2.1定量泵-變量馬達液壓調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學模型

液壓型風力發(fā)電機組功率傳輸系統(tǒng)由定量泵-變量馬達閉式容積回路組成，其原理如圖2所示。

圖2　定量泵-變量馬達液壓調(diào)速容積回路

依據(jù)液壓型風力發(fā)電機組工作原理建立數(shù)學模型，并做以下假設：①連接管道為短硬管，不計管道中壓力損失；②各腔室內(nèi)的壓力均等，液體密度為常數(shù)；③定量泵和變量馬達泄漏均為層流；④不產(chǎn)生壓力飽和現(xiàn)象，不考慮補油系統(tǒng)的影響。

定量泵角速度數(shù)學模型[12]為

(1)

式中，ωp為定量泵角速度，rad/s；Dp為定量泵額定排量，m3/rad；Dm0為變量馬達最大排量，m3/rad；V0為單個腔室的總?cè)莘e，m3；γ為變量馬達斜盤傾角與其最大傾角的比值(其初始值為γ0)；βe為有效體積彈性模量，Pa；Km0為變量馬達排量梯度Km的初始值，m3/rad；ωm為變量馬達角速度(其初始值為ωm0)，rad/s；Ct為總泄漏系數(shù)，m3/(s·Pa)；Tp為定量泵驅(qū)動力矩，N·m；Bp為定量泵側(cè)黏性阻尼系數(shù)，N·s/m；Jp為定量泵與負載總慣量，kg·m2。

變量馬達角速度數(shù)學模型[12]為

(2)

式中，Bm為變量馬達側(cè)黏性阻尼系數(shù)，N·s/m；Jm為定量泵與負載總慣量，kg·m2；Tm為變量馬達負載力矩，N·m；Qp為定量泵額定流量，m3/rad；ph0為系統(tǒng)初始壓力，Pa。

則變量馬達角速度對其擺角的傳輸函數(shù)為

(3)

系統(tǒng)壓力對變量馬達擺角的傳遞函數(shù)為

(4)

式中，ph為系統(tǒng)壓力，Pa。

2.2補償控制數(shù)學模型

本文對系統(tǒng)泄漏、系統(tǒng)壓力瞬態(tài)調(diào)整和模型參數(shù)誤差補償控制展開研究。

2.2.1系統(tǒng)泄漏補償數(shù)學模型

發(fā)電機作為定量泵-變量馬達液壓調(diào)速系統(tǒng)的負載，會使定量泵、變量馬達等產(chǎn)生一定的泄漏，隨著系統(tǒng)壓力的增大，系統(tǒng)泄漏量逐漸增大，所以需要監(jiān)控系統(tǒng)壓力，以對變量馬達擺角進行適當補償，從而實現(xiàn)變量馬達恒轉(zhuǎn)速(角速度)輸出。

在定量泵-變量馬達液壓調(diào)速系統(tǒng)中，忽略系統(tǒng)換向閥及管道引起的泄漏損失，系統(tǒng)泄漏流量平衡方程為

KmΔγ1ωm=-(Cp+Cm)ph

(5)

式中，Δγ1為系統(tǒng)泄漏引起的變量馬達擺角補償值；Cp為定量泵泄漏系數(shù)，m3/(s·Pa)；Cm為變量馬達泄漏系數(shù)，m3/(s·Pa)。

由式(5)可知，定量泵和變量馬達的泄漏補償控制數(shù)學模型可表示為

(6)

2.2.2系統(tǒng)壓力瞬態(tài)調(diào)整補償數(shù)學模型

系統(tǒng)壓力瞬態(tài)調(diào)整時，由于液壓油的可壓縮性，系統(tǒng)液壓油體積會有相應的變化，從而引起變量馬達轉(zhuǎn)速(角速度)變化。因此，需要根據(jù)系統(tǒng)壓力瞬態(tài)調(diào)整狀態(tài)對變量馬達擺角進行補償控制。系統(tǒng)壓力瞬態(tài)調(diào)整時，系統(tǒng)流量變化平衡方程為

(7)

式中，Δγ2為系統(tǒng)壓力瞬態(tài)調(diào)整引起的變量馬達擺角補償值；Vh為系統(tǒng)高壓腔容積，m3。

由式(7)可知，系統(tǒng)壓力瞬態(tài)補償控制數(shù)學模型可表示為

(8)

2.2.3模型參數(shù)誤差補償數(shù)學模型

上述補償過程中，多用模型參數(shù)[13]對系統(tǒng)狀態(tài)進行控制，必然存在一定誤差。因此，本文對模型參數(shù)誤差進行補償控制，最終實現(xiàn)機組恒轉(zhuǎn)速輸出的高精度控制。

在模型參數(shù)誤差補償控制中，變量馬達轉(zhuǎn)速以1500r/min為基準，將其角速度偏差折算為變量馬達擺角實施補償控制，具體數(shù)學模型可表示為

(9)

式中，Δγ3為模型參數(shù)誤差引起的變量馬達斜盤擺角補償值；Δωm為變量馬達角速度偏差，rad/s；Dm為變量馬達額定排量，m3/rad。

2.3補償控制方法研究

以上述數(shù)學模型為基礎，針對液壓型風力發(fā)電機組恒轉(zhuǎn)速輸出問題，提出了一種補償控制方法，其控制框圖見圖3。

圖3　液壓型風力發(fā)電機組恒轉(zhuǎn)速補償控制框圖

液壓型風力發(fā)電機組恒轉(zhuǎn)速輸出補償控制方法主要包括4個控制環(huán)：擺角基準控制環(huán)、泄漏補償控制環(huán)、系統(tǒng)壓力瞬態(tài)調(diào)整補償控制環(huán)和模型參數(shù)誤差補償控制環(huán)。擺角基準控制環(huán)對變量馬達恒轉(zhuǎn)速輸出進行預控，使變量馬達(發(fā)電機)轉(zhuǎn)速初步穩(wěn)定于1500 r/min；泄漏補償控制環(huán)和系統(tǒng)壓力瞬態(tài)調(diào)整補償控制環(huán)對系統(tǒng)泄漏和油液壓縮進行補償控制；模型參數(shù)誤差補償控制環(huán)對上述補償控制環(huán)中的模型參數(shù)進行補償。

液壓型風力發(fā)電機組采用恒轉(zhuǎn)速輸出補償控制方法，可得變量馬達擺角控制數(shù)學模型:

γ=γ0+Δγ1+Δγ2+Δγ3=

(10)

式(10)中變量馬達擺角由四部分組成：第一項為擺角基準控制環(huán)中由定量泵(風輪)轉(zhuǎn)速折算得到的變量馬達擺角基準；第二項為泄漏補償控制環(huán)中變量馬達擺角補償值；第三項為系統(tǒng)壓力瞬態(tài)調(diào)整控制環(huán)中變量馬達擺角補償值；第四項為模型參數(shù)誤差補償控制環(huán)中變量馬達擺角補償值。

3　仿真與實驗研究

以燕山大學30 kV·A液壓型風力發(fā)電機組實驗臺為基礎，依據(jù)液壓型風力機組恒轉(zhuǎn)速輸出補償控制原理，利用MATLAB/Simulink與AMESim軟件搭建系統(tǒng)仿真平臺，具體包括風速與風輪特性模塊、轉(zhuǎn)速控制與補償模塊、發(fā)電機與并網(wǎng)控制模塊等。

實驗平臺由風輪模擬系統(tǒng)、液壓傳動系統(tǒng)、電控系統(tǒng)和采集與控制系統(tǒng)組成?？刂扑惴ㄍㄟ^Simulink編程后下載到dSPACE控制器中，進而實現(xiàn)實驗平臺的實時控制。仿真平臺見圖4，實驗平臺見圖5，系統(tǒng)參數(shù)設定見表1。

仿真實驗過程中，采用變頻電機模擬風力機典型工況，取定量泵轉(zhuǎn)速np為從400 r/min到410 r/min、從600 r/min到610 r/min、從800 r/min到810 r/min的階躍信號。采用補償控制方法得到仿真實驗曲線，如圖6所示。

由圖6a仿真實驗結(jié)果可知，采用補償控制后變量馬達轉(zhuǎn)速nm動態(tài)響應速度較快，穩(wěn)態(tài)誤差小(±1 r/min)，馬達轉(zhuǎn)速nm基本精確地穩(wěn)定于1500 r/min，保證發(fā)電機順利并網(wǎng)發(fā)電。

由圖6b仿真實驗結(jié)果可知，采用補償控制后系統(tǒng)壓力能夠動態(tài)快速響應定量泵(風輪)轉(zhuǎn)速波動，在變量馬達轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后系統(tǒng)壓力在一定范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。

為進一步比較，實驗過程中，采用變頻電機模擬風力機典型工況，設定定量泵轉(zhuǎn)速為400 r/min。對比補償控制前后變量馬達轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)壓力實驗結(jié)果，如圖7所示。

圖4　恒轉(zhuǎn)速補償控制仿真平臺

(a)液壓傳動系統(tǒng)實物圖

(b)采集與控制系統(tǒng)實物圖(c)電控系統(tǒng)實物圖圖5　恒轉(zhuǎn)速補償控制實驗平臺

序號參數(shù)名稱值1風力機轉(zhuǎn)動慣量(kg·m2)4002定量泵輸出排量(mL/r)633變量馬達最大排量(mL/r)409變量馬達恒轉(zhuǎn)速控制值(r/min)15004低壓管路溢流壓力(MPa)1.25高壓管路溢流壓力(MPa)356補油壓力設定(MPa)0.57補油流量設定(L/min)78定量泵轉(zhuǎn)速輸出范圍(r/min)100～100010發(fā)電機與負載轉(zhuǎn)動慣量(kg·m2)0.45

1.實驗曲線　2.仿真曲線(a)變量馬達轉(zhuǎn)速

1.實驗曲線　2.仿真曲線(b)系統(tǒng)壓力圖6　補償控制后仿真及實驗曲線圖

(a)變量馬達轉(zhuǎn)速

(b)系統(tǒng)壓力圖7　補償控制前后實驗對比圖

由圖7結(jié)果可知，采用補償控制可以有效地減小系統(tǒng)泄漏和壓力瞬態(tài)調(diào)整引起的機組輸出轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)壓力偏差，實現(xiàn)了兩者的高精度控制。

4　結(jié)論

(1)建立了液壓型風力發(fā)電機組定量泵-變量馬達調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學模型和補償控制數(shù)學模型。

(2)提出了一種液壓型風力發(fā)電機組恒轉(zhuǎn)速輸出補償控制方法，用于液壓型風力發(fā)電機組恒轉(zhuǎn)速輸出的高精度控制。

(3)仿真和實驗分析表明，所提出的補償控制方法具有良好的控制效果。

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(編輯袁興玲)

Compensation Control of Constant Speed Output in Hydraulic Wind Turbine

Ai Chao1,2Yan Guishan1Kong Xiangdong1,2Chen Lijuan1

1.Hebei Provincial Key Laboratory of Heavy Machinery Fluid Power Transmission and Control,Yanshan University,Qinhuangdao,Hebei,066004 2.Key Laboratory of Advanced Forging & Stamping Technology and Science(Yanshan University),Ministry of Education of China,Qinhuangdao,Hebei,066004

Taking a hydraulic wind turbine as the research object, the mathematical models for fixed displacement pump-variable displacement motor of hydraulic system were established for the constant speed output problem in hydraulic wind turbine. The compensation control mathematical models caused by system leakage, transient adjusting of system pressure and errors of model parameters were derived for the constant speed output. A compensation control method for constant speed output in hydraulic wind turbine was given based on mathematical models. Using 30 kV·A hydraulic wind turbine simulation platform as the simulation and experimental platform, the proposed control method was researched. Simulation analysis and experimental results show that the compensation control method for constant speed output in hydraulic wind turbine has good control effect, achieving the high-precision control for constant speed output.

wind power; hydraulic transmission; constant speed output; compensation control

2014-10-20

國家自然科學基金資助項目(51405423)；河北省青年基金資助項目(QN20132017)；燕山大學青年教師自主研究計劃資助項目(13LGB005)

TH137；TK83< class="emphasis_italic">DOI

：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.09.011

艾超，男，1982年生。燕山大學機械工程學院講師。主要研究方向為液壓型風力發(fā)電機組。發(fā)表論文18篇。閆桂山，男，1988年生。燕山大學機械工程學院碩士研究生?？紫闁|，男，1959年生。燕山大學機械工程學院教授、博士研究生導師。陳立娟，女，1989年生。燕山大學機械工程學院碩士研究生。