一種新型自穩(wěn)速機(jī)構(gòu)的概念設(shè)計與仿真

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華北電力大學(xué),北京,102206

一種新型自穩(wěn)速機(jī)構(gòu)的概念設(shè)計與仿真

蘇睿芮曉明武鑫

華北電力大學(xué),北京,102206

提出了一種新型自穩(wěn)速機(jī)構(gòu),以用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的恒頻輸出。從運(yùn)動學(xué)原理的角度對傳統(tǒng)反饋調(diào)節(jié)穩(wěn)速機(jī)構(gòu)與新型自穩(wěn)速機(jī)構(gòu)進(jìn)行了對比分析。利用Simulink建立了具有不同穩(wěn)速機(jī)構(gòu)的風(fēng)電系統(tǒng)模型，以FAST仿真獲得的風(fēng)輪時變轉(zhuǎn)速為模型輸入,在相同輸入條件下對兩種穩(wěn)速機(jī)構(gòu)的輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行了比較。仿真結(jié)果表明:新型自穩(wěn)速機(jī)構(gòu)的穩(wěn)速效果優(yōu)于傳動反饋調(diào)節(jié)穩(wěn)速機(jī)構(gòu)。

差動輪系；差速器；穩(wěn)速；仿真

0　引言

國內(nèi)外研究者采用可連續(xù)變速的風(fēng)電傳動系統(tǒng)方案,使輸入發(fā)電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)速穩(wěn)定,從而產(chǎn)生頻率恒定的電流[1-4],以解決風(fēng)電系統(tǒng)輸出電流的諧波成分高等問題[5]。Idan等[1]提出了基于差動輪系和變速電動機(jī)的反饋調(diào)速機(jī)構(gòu)方案,并對采用該方案的風(fēng)電傳動系統(tǒng)進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)分析。Zhao等[2]對該反饋調(diào)速方案中的電機(jī)控制方法進(jìn)行了研究。Claudio等[3]對比分析了采用帶傳動和齒輪傳動的反饋調(diào)速風(fēng)電傳動方案。穆安樂等[4]研究了基于反饋調(diào)速的風(fēng)電系統(tǒng)各轉(zhuǎn)軸的角速度匹配關(guān)系。上述反饋調(diào)速機(jī)構(gòu)方案中,傳感器需實時采集信號,并將采集到的信號反饋到控制器?？刂破鲄⒖荚撔盘柊l(fā)出指令以改變調(diào)速元件的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)速至穩(wěn)定。

筆者提出一種新型自穩(wěn)速機(jī)構(gòu)[6],在系統(tǒng)變速輸入的情況下，無需信號采集和反饋控制系統(tǒng)，利用差動輪系和差速器，配合恒轉(zhuǎn)速電動機(jī)，實現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。對采用反饋調(diào)節(jié)穩(wěn)速機(jī)構(gòu)和自穩(wěn)速機(jī)構(gòu)的風(fēng)電系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，并對兩種穩(wěn)速機(jī)構(gòu)的輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行了比較以分析穩(wěn)速效果。

1　總體構(gòu)成說明

1.1差動輪系中各構(gòu)件轉(zhuǎn)速關(guān)系

差動輪系基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，其構(gòu)件轉(zhuǎn)速滿足下述關(guān)系式：

nT+unQ-(1+u)nJ=0

(1)

式中,nT為太陽輪轉(zhuǎn)速;nQ為齒圈轉(zhuǎn)速;nJ為輪架轉(zhuǎn)速;u為輪系的結(jié)構(gòu)參數(shù),數(shù)值上等于齒圈與太陽輪的齒數(shù)比。

圖1　差動輪系基本結(jié)構(gòu)圖

由式(1)可知,如果輪架、太陽輪、齒圈中的兩者具有確定的轉(zhuǎn)速輸入，則第三構(gòu)件的輸出轉(zhuǎn)速根據(jù)式(1)確定。

差速器為結(jié)構(gòu)參數(shù)u=1的特殊差動輪系的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，其構(gòu)件轉(zhuǎn)速滿足下述關(guān)系式：

nL+nR=2nK

(2)

式中,nL為左輪轉(zhuǎn)速;nR為右輪轉(zhuǎn)速;nK為殼體轉(zhuǎn)速。

圖2　差速器基本結(jié)構(gòu)圖

1.2傳統(tǒng)的反饋調(diào)節(jié)穩(wěn)速機(jī)構(gòu)

(3)

使太陽輪輸出穩(wěn)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)速。

圖3　傳統(tǒng)反饋控制調(diào)節(jié)穩(wěn)速機(jī)構(gòu)示意圖

傳統(tǒng)反饋控制調(diào)節(jié)穩(wěn)速機(jī)構(gòu)的調(diào)速方案為：控制器根據(jù)采集的轉(zhuǎn)速信號，按式(3)計算得到齒圈所需要的轉(zhuǎn)速，并相應(yīng)調(diào)節(jié)變頻電源的供電頻率，變速電動機(jī)輸出與時變轉(zhuǎn)速一一對應(yīng)的調(diào)速轉(zhuǎn)速以驅(qū)動齒圈，使太陽輪轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。

1.3新型自穩(wěn)速機(jī)構(gòu)

相對于傳統(tǒng)反饋調(diào)節(jié)穩(wěn)速方案，新型自穩(wěn)速方案主要特征在于：免去了較復(fù)雜的信號采集/控制裝置，需實時調(diào)節(jié)的變頻電源和變速電動機(jī)替換為無需實時控制的恒頻電源和恒速電動機(jī)，并添加了差速器和齒輪對，方案如圖4所示。

圖4　新型自穩(wěn)速機(jī)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)時變輸入轉(zhuǎn)速nJ通過平行軸齒輪對同時傳遞到差動輪系的輪架和差速器的左輪，差速器的右輪由恒速電動機(jī)以常值轉(zhuǎn)速nM驅(qū)動旋轉(zhuǎn),差速器的殼體與差動輪系的齒圈以齒輪嚙合的形式連接，差動輪系的太陽輪為系統(tǒng)輸出端。齒輪對傳動比為iCLD,殼體與齒圈傳動比為iKQ。

為使差動輪系太陽輪轉(zhuǎn)速穩(wěn)定,差動輪系齒圈轉(zhuǎn)速nQ應(yīng)滿足式(3),則驅(qū)動齒圈的差速器殼體轉(zhuǎn)速nK應(yīng)滿足下式：

(4)

(5)

(6)

式(5)所示為左輪轉(zhuǎn)速nL與時變輸入轉(zhuǎn)速nJ的關(guān)系,應(yīng)將傳動比iCLD與傳動比iKQ按下式進(jìn)行選值:

(7)

電動機(jī)的常值轉(zhuǎn)速按式(6)設(shè)定。

時變輸入轉(zhuǎn)速nJ經(jīng)過傳動比為iCLD的齒輪對變速后,驅(qū)動差速器左輪旋轉(zhuǎn),電動機(jī)驅(qū)動差速器右輪以常值轉(zhuǎn)速nM旋轉(zhuǎn),疊加后的殼體轉(zhuǎn)速等效于傳統(tǒng)反饋控制調(diào)節(jié)的變速電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。

2　仿真分析

將傳統(tǒng)反饋調(diào)節(jié)穩(wěn)速機(jī)構(gòu)用于風(fēng)力發(fā)電傳動系統(tǒng)，在時變風(fēng)速的驅(qū)動下，風(fēng)輪以時變轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速經(jīng)增速箱提速后驅(qū)動差動輪系的輪架旋轉(zhuǎn)，差動輪系的齒圈由變速電動機(jī)驅(qū)動，差動輪系的太陽輪與同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子連接。傳統(tǒng)反饋調(diào)節(jié)穩(wěn)速機(jī)構(gòu)的調(diào)速過程為：采集輪架時變轉(zhuǎn)速信號后,按式(3)計算得到齒圈所需要的轉(zhuǎn)速，相應(yīng)調(diào)節(jié)變頻電源的供電頻率，使變速電動機(jī)驅(qū)動齒圈以特定的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，通過齒圈調(diào)節(jié)太陽輪轉(zhuǎn)速至穩(wěn)定，從而使同步發(fā)電機(jī)恒頻輸出。

將新型自穩(wěn)速機(jī)構(gòu)用于風(fēng)力發(fā)電傳動系統(tǒng),在時變風(fēng)速的驅(qū)動下,風(fēng)輪經(jīng)增速箱傳遞時變轉(zhuǎn)速到圖4所示自穩(wěn)速機(jī)構(gòu)的平行軸齒輪對，太陽輪連接同步發(fā)電機(jī)。新型自穩(wěn)速機(jī)構(gòu)的調(diào)速過程為：按式(7)設(shè)置平行軸齒輪對傳動比iCLD、殼體與齒圈傳動比iKQ,并按式(6)設(shè)置恒速電動機(jī)的常值轉(zhuǎn)速。根據(jù)式(2)、式(4)，利用差速器的轉(zhuǎn)速疊加功能，使自穩(wěn)速機(jī)構(gòu)中差速器殼體的轉(zhuǎn)速等效于反饋調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中變速電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而使差動輪系的太陽輪轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，與太陽輪相連的同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速亦穩(wěn)定。

為對比傳統(tǒng)反饋調(diào)節(jié)穩(wěn)速機(jī)構(gòu)和新型自穩(wěn)速機(jī)構(gòu)的調(diào)速效果，對采用上述兩種穩(wěn)速機(jī)構(gòu)的風(fēng)力發(fā)電傳動系統(tǒng)進(jìn)行了仿真(模型采用相同的輸入便于對比分析)，其建模方案為：在時變風(fēng)速的驅(qū)動下，風(fēng)輪經(jīng)增速箱提速后，輸入時變轉(zhuǎn)速到不同的穩(wěn)速機(jī)構(gòu)，穩(wěn)速機(jī)構(gòu)驅(qū)動各自的發(fā)電機(jī)運(yùn)行，如圖5所示。

圖5　用于對比分析的建模方案

2.1FAST仿真輸入轉(zhuǎn)速

FAST軟件由美國國家可再生能源實驗室開發(fā),可以對風(fēng)電機(jī)組工作狀態(tài)進(jìn)行仿真[7]。采用此軟件模擬了風(fēng)電機(jī)組在不同風(fēng)速下的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速。取平均風(fēng)速為9 m/s、12 m/s、15 m/s和18 m/s,并設(shè)置20%的湍流強(qiáng)度。仿真的風(fēng)速如圖6所示，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速如圖7所示。

圖6　FAST仿真的風(fēng)速

圖7　FAST仿真的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速

2.2SIMULINK仿真輸出轉(zhuǎn)速

設(shè)置機(jī)構(gòu)參數(shù):差動輪系結(jié)構(gòu)參數(shù)u=3,同步發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1500 r/min。自穩(wěn)速機(jī)構(gòu)的參數(shù)如下:單級齒輪傳動比iCLD=6,iKQ=4,電動機(jī)常值轉(zhuǎn)速nM=1000 r/min,方向與輸入轉(zhuǎn)速相反。為反饋調(diào)節(jié)穩(wěn)速機(jī)構(gòu)設(shè)計PID控制器和變頻器[8]。利用Simulink軟件按圖5所示方案搭建仿真模型[9],用FAST軟件仿真風(fēng)輪轉(zhuǎn)速作為模型輸入,仿真時間為30 s。

在圖6所示不同平均風(fēng)速下,反饋調(diào)節(jié)穩(wěn)速機(jī)構(gòu)和自穩(wěn)速機(jī)構(gòu)輸入同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速如圖8～圖11所示,并將25～30 s的曲線放大,以便于分析。

圖8　平均風(fēng)速9 m/s時,同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速

圖9　平均風(fēng)速12 m/s時,同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速

圖10　平均風(fēng)速15 m/s時,同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速

圖11　平均風(fēng)速18 m/s時,同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速

相對于傳統(tǒng)反饋調(diào)節(jié)穩(wěn)速機(jī)構(gòu),自穩(wěn)速機(jī)構(gòu)在啟動時能較快地上升到目標(biāo)轉(zhuǎn)速1500 r/min,根據(jù)圖8～圖11中的局部放大圖可知，自穩(wěn)速機(jī)構(gòu)輸出轉(zhuǎn)速偏差在±1 r/min范圍內(nèi),而反饋調(diào)節(jié)穩(wěn)速機(jī)構(gòu)的輸出轉(zhuǎn)速比目標(biāo)轉(zhuǎn)速大,在1502 r/min以上波動，相對于目標(biāo)轉(zhuǎn)速的偏差為2～10 r/min。

3　結(jié)語

對傳統(tǒng)反饋調(diào)節(jié)穩(wěn)速機(jī)構(gòu)和新型自穩(wěn)速機(jī)構(gòu)進(jìn)行了比較分析。自穩(wěn)速機(jī)構(gòu)無需信號采集/處理系統(tǒng)，依靠剛性傳動的齒輪對將輸入轉(zhuǎn)速的時變特征傳遞到差速器，利用差速器和恒轉(zhuǎn)速電動機(jī)對差動輪系進(jìn)行調(diào)節(jié)，使輸出轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。

比較發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速圖可知，自穩(wěn)速機(jī)構(gòu)輸出轉(zhuǎn)速偏差低、精度高、波動小，具有良好的穩(wěn)速效果。但在實際工程應(yīng)用中，結(jié)構(gòu)形式還可進(jìn)一步完善。

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[9]李穎.Simulink動態(tài)系統(tǒng)建模與仿真[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2009.

(編輯張洋)

Conceptual Design and Simulation of a Novel Speed Self-stabilizing Mechanism

Su RuiRui XiaomingWu Xin

North China Electric Power University,Beijing,102206

A speed stabilizing mechanism was introduced for outputing constant frequency current of wind turbine.The traditional feedback adjusting speed stabilizing mechanism and the novel speed self-stabilizing mechanism were contrasted and analyzed from the angle of the kinematics principle.The Simulink models of wind power system with different speed stabilizing mechanisms were built.The time varing speed of wind rotor simulated by FAST software served as the inputs of the model.Two kinds of speed stabilizing mechanisms worked under the same input conditions.The simulation results show that the quality of steady speed from novel speed self-stabilizing mechanism is better than that from traditional feedback adjusting speed stabilizing mechanism.

differential gear train;differential mechanism;speed stabilization;simulation

2014-05-07

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項資金資助項目(13XS07)

TH112.3DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.08.012

蘇睿,男,1988年生。華北電力大學(xué)能源動力與機(jī)械工程學(xué)院博士研究生。主要研究方向為風(fēng)電傳動調(diào)速技術(shù)。發(fā)表論文5篇。芮曉明,男,1955年生。華北電力大學(xué)能源動力與機(jī)械工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。武鑫,男,1980年生。華北電力大學(xué)能源動力與機(jī)械工程學(xué)院講師、博士。