基于液壓恒速控制的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究

楊建琳,林曉煥,姚青岐

(1.西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,陜西 西安 710048；2.西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710048)

0 引 言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng),人類(lèi)對(duì)于能源的需求量也在不斷的增加．科技的飛速發(fā)展導(dǎo)致以煤炭、石油為主的不可再生能源的過(guò)度消耗,環(huán)境污染以及資源短缺成為限制各個(gè)國(guó)家發(fā)展的主要問(wèn)題,因此只有極力開(kāi)發(fā)新能源,才能實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)．新能源的開(kāi)發(fā)及利用不僅能作為不可再生能源的補(bǔ)充,并且可以顯著的減少對(duì)環(huán)境的污染[1-2]．因此,風(fēng)能作為一種清潔無(wú)污染取之不盡用之不竭的綠色可再生能源受到各個(gè)國(guó)家的高度重視[3]．我國(guó)是一個(gè)風(fēng)能資源比較豐富的國(guó)家,但是目前風(fēng)電企業(yè)仍然以引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)為主,自主研發(fā)力量不足,影響了我國(guó)風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展[4-5]．

目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要配置為增速齒輪箱-雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)．但這種系統(tǒng)存在一些問(wèn)題,增速齒輪箱-雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中由于裝備了增速齒輪箱,使的系統(tǒng)故障率增加,而且成本較高，質(zhì)量大,不易于運(yùn)輸、吊裝，維修不方便,造成維護(hù)成本增加．齒輪箱和雙繞組的存在容易產(chǎn)生摩擦損耗,降低了系統(tǒng)效率和系統(tǒng)可靠性．又由于使用了變頻器,對(duì)轉(zhuǎn)速范圍有一定的限制,而且大多數(shù)系統(tǒng)控制回路復(fù)雜,維護(hù)成本高[6-7]．為了解決升速齒輪箱故障高的問(wèn)題,永磁直驅(qū)發(fā)電機(jī)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,但該配置依舊需要變流器和變壓器,低電壓穿越故障依舊存在． 永磁直驅(qū)系統(tǒng)還有諸多問(wèn)題:用銅量大,直驅(qū)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大,在三、四類(lèi)風(fēng)場(chǎng)啟動(dòng)困難，仍需要逆變器等電力電子器件,低電壓穿越問(wèn)題依舊存在[8]．上述兩種系統(tǒng)的控制系統(tǒng)傳動(dòng)系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)都安裝在塔架上增加了塔架的重量,且需要預(yù)留維護(hù)空間,造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架結(jié)構(gòu)龐大,塔架制造成本高,另一方面對(duì)設(shè)備維護(hù)修理不方便,維護(hù)費(fèi)用很高．

針對(duì)現(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)存在的問(wèn)題,結(jié)合液控馬達(dá)技術(shù),本文給出了液壓馬達(dá)恒速控制的風(fēng)力發(fā)電技術(shù),將風(fēng)力機(jī)直接與定量液壓泵聯(lián)接,省卻了笨重、昂貴、安裝維修不便的升速機(jī)構(gòu);將系統(tǒng)所有控制部件與執(zhí)行部件都放到地面上來(lái),解決了系統(tǒng)調(diào)試維修不便的問(wèn)題,降低了發(fā)電裝置的成本;采用閥控液壓缸控制馬達(dá)擺角,改變其排量,使馬達(dá)轉(zhuǎn)速恒定,保證發(fā)電頻率的穩(wěn)定,提高了發(fā)電品質(zhì)．

1 液壓系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 液壓系統(tǒng)組成

液控穩(wěn)頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要由風(fēng)速模擬系統(tǒng)、液壓泵、控制閥組、變量馬達(dá)和發(fā)電機(jī)組成．液控風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)樣機(jī)組成圖如圖1示.

圖 1 液壓系統(tǒng)組成圖Fig.1 Composition diagram of hydraulic system

風(fēng)力傳動(dòng)系統(tǒng)主要由風(fēng)輪、齒輪減速器及傳動(dòng)軸組成．液壓調(diào)速系統(tǒng)主要由液壓泵、變量馬達(dá)、溢流閥、補(bǔ)油泵及控制閥組組成,通過(guò)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)馬達(dá)以恒定轉(zhuǎn)速輸出．發(fā)電系統(tǒng)主要為永磁同步發(fā)電機(jī)．

該風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中,將液壓馬達(dá)發(fā)電機(jī)等液壓傳動(dòng)部分與控制系統(tǒng)裝置安裝在地面,減少了塔架承受的重量,方便維修檢查[9-10],降低了制造成本．

圖 2 液壓系統(tǒng)原理圖Fig.2 Hydraulic system schematic diagram注： 1-吸油濾油器;2-補(bǔ)油泵;3-回油濾油器;4-電磁溢流閥; 5-單向閥;6-風(fēng)輪;7-液壓泵;8-轉(zhuǎn)速傳感器;9-電磁溢流閥; 10-儲(chǔ)能器;11-變量馬達(dá);12-轉(zhuǎn)速傳感器;13-發(fā)電機(jī); 14-液壓缸;15-比例伺服閥;16-電磁溢流閥;17-回油濾油器; 18-補(bǔ)油泵;19-吸油濾油器

1.2 液壓系統(tǒng)工作原理

在定量泵-變量馬達(dá)閉式容積調(diào)速回路中,馬達(dá)的輸出功率以及系統(tǒng)壓力由負(fù)載決定,不會(huì)由于調(diào)速而發(fā)生變化,調(diào)速范圍小[11]．液壓系統(tǒng)原理圖如圖2所示,系統(tǒng)工作時(shí),風(fēng)力機(jī)帶動(dòng)液壓泵轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)風(fēng)能—機(jī)械能—液壓能轉(zhuǎn)換,液壓泵的輸出流量驅(qū)動(dòng)變量馬達(dá),變量馬達(dá)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)液壓能—機(jī)械能—電能的轉(zhuǎn)換．

在主油路中,定量泵將風(fēng)輪機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓能,輸出與風(fēng)速及風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速相對(duì)應(yīng)的流量,通過(guò)比例伺服閥控制變量缸位置變化,使液壓馬達(dá)的斜盤(pán)或缸體角度變化確保液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速恒定,從而使發(fā)電機(jī)發(fā)出恒頻電[12]．由于閉式液壓系統(tǒng)自吸能力差,在液壓系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中,液壓泵和液壓馬達(dá)在工作中都存在泄露,為保證系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行而設(shè)計(jì)了補(bǔ)油系統(tǒng),為了保護(hù)液壓系統(tǒng)中各個(gè)液壓元件，在油路中接入溢流閥作為安全閥．當(dāng)存在風(fēng)力較小或無(wú)風(fēng)時(shí),液壓系統(tǒng)中液壓泵的流量會(huì)減少,液壓馬達(dá)由于存在慣性不能立即停止,所以在回路中加入儲(chǔ)能器,維持系統(tǒng)的正常工作．

2 變量馬達(dá)數(shù)學(xué)建模

在液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后,為了分析影響變量馬達(dá)轉(zhuǎn)速的因素,對(duì)液壓系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型．實(shí)驗(yàn)中變量馬達(dá)的變排量機(jī)構(gòu)采用四通閥控制液壓缸位置,通過(guò)液壓缸將需要控制的位移傳送到到變量馬達(dá)的缸體上,實(shí)現(xiàn)對(duì)變量馬達(dá)排量的控制[13-14]．

考慮油液壓縮性，當(dāng)變量馬達(dá)泄漏時(shí),變量馬達(dá)的流量連續(xù)方程為

(1)

式中:kM為變量馬達(dá)的泄漏系數(shù);VM為變量馬達(dá)高壓腔的容積;DM為變量馬達(dá)每弧度排量;pM為馬達(dá)腔內(nèi)壓力；ωM為變量馬達(dá)的轉(zhuǎn)角;βe為有效體積彈性模量.

將式(1)取增量式,并進(jìn)行拉氏變換,得

(2)

式中:ωM0為變量馬達(dá)穩(wěn)定時(shí)轉(zhuǎn)速;DM0為變量馬達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)排量．變量馬達(dá)和負(fù)載的力矩平衡方程為

(3)

式中:Jt為變量馬達(dá)和負(fù)載(折算到變量馬達(dá)軸上)的總慣量;BM為黏性阻尼系數(shù);TL為作用在變量馬達(dá)軸上的任意外負(fù)載力矩．

其增量方程的拉氏變換式為

DMpM0+DM0pM(s)=Jts+BMωM(s)+TL(s).

(4)

由式(10)和式(12),可畫(huà)出變量馬達(dá)的傳遞函數(shù)方塊圖,并求得

式(4)簡(jiǎn)化為

(5)

變量馬達(dá)轉(zhuǎn)速對(duì)其排量的傳遞函數(shù)為

(6)

變量馬達(dá)轉(zhuǎn)速對(duì)輸入流量的傳遞函數(shù)為

(7)

變量馬達(dá)轉(zhuǎn)速對(duì)外負(fù)載的傳遞函數(shù)為

(8)

3 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析

為了進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng),為液壓系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)及仿真分析奠定基礎(chǔ),對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能分析,并且繪出系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的Bode圖．變量馬達(dá)恒速控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為

(9)

實(shí)驗(yàn)中變量馬達(dá)選用AV6-28馬達(dá),查技術(shù)參數(shù)表知馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為Jm=1.7×10-3kg·m2,取穩(wěn)態(tài)排量為DM0=20 mL·r-1．負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為Jd=2.75×10-3kg·m2,查得βe=6.987×108N·m-3．所以由式(9)得

ζn的取值一般在0.1～0.2之間,這里取ζn=0.2．馬達(dá)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速ωm=1 500 r·min-1．用Matlab軟件繪制其開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的Bode圖,如圖3所示.

圖 3 馬達(dá)轉(zhuǎn)速對(duì)排量的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)Bode圖Fig.3 Bode diagram of the open loop transfer function of the motor speed to the displacement

從圖3可以看出,開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的阻尼系數(shù)小,有超調(diào)量,系統(tǒng)有震蕩,平穩(wěn)性能較差．為了減小超調(diào)量和震蕩,增強(qiáng)平穩(wěn)性,系統(tǒng)采用改進(jìn)后的PI控制算法對(duì)馬達(dá)轉(zhuǎn)速進(jìn)行閉環(huán)控制．用Matlab軟件繪制其開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的Bode圖 如圖4所示.對(duì)圖3和4進(jìn)行對(duì)比，可以看出加入PI校正后,開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的超調(diào)量明顯減小,系統(tǒng)無(wú)輕微振蕩,平穩(wěn)性得到增強(qiáng),系統(tǒng)具有更好的動(dòng)態(tài)性能．

圖 4 加入PI校正后馬達(dá)轉(zhuǎn)速對(duì)排量的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)Bode圖Fig.4 Bode diagram of PI correction for open-loop transfer function of motor speed to displacement

4 恒轉(zhuǎn)速控制仿真與分析

4.1 系統(tǒng)控制策略

系統(tǒng)控制策略為基于前饋的PI控制方法[15]．變量馬達(dá)通過(guò)比例伺服閥控制變量缸位置變化,從而控制馬達(dá)的轉(zhuǎn)速恒定,泵轉(zhuǎn)速作為前饋量,變量馬達(dá)的轉(zhuǎn)速為反饋量,將變量馬達(dá)轉(zhuǎn)速設(shè)為1 500 r·min-1,設(shè)定值與實(shí)際變量馬達(dá)轉(zhuǎn)速值相比較得出誤差值ΔE,ΔE經(jīng)PI運(yùn)算與前饋量共同作用于變量馬達(dá)變排量機(jī)構(gòu),從而使變量馬達(dá)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1 500 r·min-1．

圖 5 定量泵輸入轉(zhuǎn)速信號(hào)Fig.5 Input speed signal of quantitative pump

4.2 系統(tǒng)空載下仿真分析

考慮到自然界風(fēng)力的不可預(yù)測(cè)性,在系統(tǒng)仿真過(guò)程中,為了模擬風(fēng)速,取泵的轉(zhuǎn)速為20～30 r·min-1,對(duì)應(yīng)的風(fēng)速為6～8 m·s-1．由于液壓泵和風(fēng)輪機(jī)同步轉(zhuǎn)動(dòng),因此在仿真過(guò)程中液壓泵的輸入漸變信號(hào)20～30 r·min-1．

在實(shí)際情況下,風(fēng)速的變化不會(huì)在突然間急劇變化,而是需要一個(gè)過(guò)程．為了模擬實(shí)際風(fēng)速,給液壓泵輸入一個(gè)漸變的轉(zhuǎn)速信號(hào),如圖5所示.對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真,結(jié)果如圖6所示．

4.3 系統(tǒng)加載下仿真分析

系統(tǒng)正常工作是在帶負(fù)載的情況下,因此很有必要對(duì)系統(tǒng)在帶負(fù)載的情況下做仿真分析．低速大流量泵的輸入不變,仍為20～30 r·min-1的漸變信號(hào)．系統(tǒng)加入的負(fù)載干擾信號(hào)為10 sin(0.2πt),仿真結(jié)果如圖7所示.

圖 6 液壓系統(tǒng)仿真結(jié)果 圖 7 加入負(fù)載干擾的仿真結(jié)果 Fig.6 Simulation results of the system Fig.7 Simulation results of load interference

從圖6的仿真結(jié)果可以看出,在對(duì)系統(tǒng)輸入一個(gè)漸變的風(fēng)速之后,系統(tǒng)空載下的液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速恒為1 500 r·min-1,波動(dòng)范圍基本為±20 r·min-1,系統(tǒng)超調(diào)量小,響應(yīng)速度快,且沒(méi)有較大的震蕩,平穩(wěn)性高．從圖7的仿真結(jié)果可以看出,在對(duì)系統(tǒng)加入一個(gè)負(fù)載干擾信號(hào)后,馬達(dá)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快,超調(diào)量小,變量馬達(dá)最終以1 500 r·min-1恒速輸出,且系統(tǒng)沒(méi)有明顯震蕩,平穩(wěn)性較高．因此系統(tǒng)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,可以使發(fā)電機(jī)發(fā)出穩(wěn)頻電．

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)當(dāng)今主流風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)體積大、故障多、維護(hù)成本高且維護(hù)不便等缺點(diǎn),本文提出了一種新的定量泵控制變量馬達(dá)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)．對(duì)系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型,運(yùn)用Matlab/simulink進(jìn)行了仿真分析驗(yàn)證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性以及可行性,對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程進(jìn)行分析.結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)馬達(dá)以1 500 r/min恒轉(zhuǎn)速輸出,使發(fā)電機(jī)發(fā)出50 Hz工頻電．在該液壓系統(tǒng)裝置中,利用了液壓系統(tǒng)傳動(dòng)平穩(wěn)、體積小、便于維護(hù)等特點(diǎn),將液壓站安裝在地面,有效降低了塔架所承重量,利于人工維護(hù)以及降低維修費(fèi)用．