液壓增速傳動(dòng)風(fēng)力發(fā)電恒頻控制研究

石青易， 鄧曉剛， 岳凱凱， 肖鑫源， 張 碩

(重慶科技學(xué)院 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院， 重慶 401331)

引言

當(dāng)今，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正逐漸朝著大型化發(fā)展，傳統(tǒng)齒輪箱式和直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組易故障[1]、安裝與維護(hù)的高成本問題愈發(fā)明顯。液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由于具有系統(tǒng)剛度大和易于實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速等優(yōu)勢(shì)而逐漸引起人們的關(guān)注[2]。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組恒頻發(fā)電的關(guān)鍵問題在于變量馬達(dá)的穩(wěn)速控制, 國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)研究。VAEZI M等[3]研究了在風(fēng)速載荷變化的條件下，液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組恒轉(zhuǎn)速輸出控制問題。石茂順等[4]采用液壓變壓器原理對(duì)發(fā)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，通過液壓變壓器的調(diào)壓原理，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的穩(wěn)速控制；艾超等[5-6]提出了基于動(dòng)態(tài)面控制的穩(wěn)速輸出控制等多種恒轉(zhuǎn)速輸出控制方法，但其模擬實(shí)驗(yàn)與實(shí)際風(fēng)場(chǎng)有較大差別。李富柱等[7]針對(duì)一種雙調(diào)節(jié)液壓變速恒頻控制展開了研究，但與蓄能器直接安裝在高壓管路的方式相比蓄能效率降低。林勇剛等[8]提出了一種機(jī)液混合傳動(dòng)的液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，并驗(yàn)證了該機(jī)型的轉(zhuǎn)速控制，但不能消除齒輪傳動(dòng)故障率高的缺點(diǎn)。WEI L等[9-10]針對(duì)600 kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用液壓蓄能的方式對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。

在液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，恒頻控制主要受風(fēng)力機(jī)輸入的波動(dòng)性以及負(fù)載擾動(dòng)等因素的影響。因此，針對(duì)低速定量泵-高速變量馬達(dá)增速傳動(dòng)閉式回路系統(tǒng)，在恒流源控制基礎(chǔ)上，采用PID控制器[11]補(bǔ)償斜盤擺角方法[12]，并對(duì)其主傳動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)分析，達(dá)到恒頻控制的目的。

1 液壓風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

圖1為工作原理簡(jiǎn)圖，其結(jié)構(gòu)由風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)、低速大扭矩定量泵[13]、變量馬達(dá)、電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)和補(bǔ)油設(shè)備等幾部分組成。該系統(tǒng)用變頻電機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)在低風(fēng)速下轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)定量泵輸出高壓油。在安全閥不作用的情況下，液壓油通過高壓管路流入馬達(dá)內(nèi)部，驅(qū)動(dòng)其內(nèi)部軸旋轉(zhuǎn)工作。變量馬達(dá)軸端與同步發(fā)電機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)子直接連接，在高速旋轉(zhuǎn)作用下產(chǎn)生電能。

圖1 工作原理簡(jiǎn)圖

由同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)條件可知[12]，我國(guó)電網(wǎng)頻率為50 Hz，考慮產(chǎn)生的電能質(zhì)量，要求同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速頻率與電網(wǎng)頻率一致，其偏差不超過±0.2 Hz (0.4%)，故需要控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在(1500±6) r/min。由于系統(tǒng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)，在安全閥不作用情況下，定量泵輸出流量全部流經(jīng)變量馬達(dá)，即系統(tǒng)處于恒流源狀態(tài)。因此，要想保持變量馬達(dá)轉(zhuǎn)速不變，需要控制變量馬達(dá)斜盤擺角隨著定量泵轉(zhuǎn)速變化。利用定量泵軸上的轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量出定量泵轉(zhuǎn)速，然后折算出變量馬達(dá)擺角基準(zhǔn)值，該值可通過斜盤擺角控制器調(diào)節(jié)變量馬達(dá)排量，使變量馬達(dá)轉(zhuǎn)速到達(dá)1500 r/min附近。但由于風(fēng)速變化等干擾因素，變量馬達(dá)轉(zhuǎn)速會(huì)存在波動(dòng)，難以穩(wěn)定。由于PID 控制器具有方便性、魯棒性好等特點(diǎn)，能夠穩(wěn)定控制在某一給定值上，故測(cè)量變量馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速，與給定的1500 r/min形成偏差值，通過PID控制器(斜盤擺角補(bǔ)償控制器)輸出斜盤擺角補(bǔ)償值，補(bǔ)償斜盤擺角基準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)速輸出控制。

2 機(jī)組數(shù)學(xué)建模

定量泵輸出流量Qp為：

Qp=Dpωp-Ctpph1

(1)

式中，Dp—— 低速泵的額定排量，m3/rad

ωp—— 低速泵的輸入轉(zhuǎn)速，rad/s

Ctp—— 低速泵的泄漏系數(shù)，m3/(s·Pa)

ph1—— 泵的進(jìn)出口壓差，Pa

定量泵負(fù)載力矩Tp為:

Tp=Qpph1/ηp

(2)

式中，ηp為定量泵機(jī)械效率。

定量泵的力矩平衡方程：

(3)

式中，Tt—— 風(fēng)力機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，N·m

θp—— 定量泵轉(zhuǎn)角，rad

Jp—— 定量泵軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2

Bp—— 定量泵的阻尼系數(shù)，m·s/rad

Gp—— 定量泵端的負(fù)載彈簧剛度，N/m

變量馬達(dá)排量Dm為:

Dm=Kmγ

(4)

式中，Km—— 變量馬達(dá)排量梯度，m3/rad

γ—— 變量馬達(dá)擺角位置，(°)

變量馬達(dá)流量Qm為:

Qm=Kmγωm+Ctmph2

(5)

式中，ωm—— 為變量馬達(dá)轉(zhuǎn)速，rad/min

Ctm—— 變量馬達(dá)泄漏系數(shù)，m3/(s·Pa)

ph2—— 泵的進(jìn)出口壓差，Pa

變量馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩Tm為:

Tm=Qmph2/ηm

(6)

式中，ηm為變量馬達(dá)機(jī)械效率。

變量馬達(dá)的力矩平衡方程：

(7)

式中，Te—— 變量馬達(dá)軸上的轉(zhuǎn)矩，N·m

θm—— 變量馬達(dá)轉(zhuǎn)角，rad

Jm—— 變量馬達(dá)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2

Bm—— 變量馬達(dá)的阻尼系數(shù)，m·s/rad

Gm—— 變量馬達(dá)端的負(fù)載彈簧剛度，N/m

高壓管路流量方程為:

(8)

式中，V0—— 主傳動(dòng)控制系統(tǒng)的高壓腔內(nèi)總?cè)莘e，m3

βe—— 高壓油的綜合體積彈性模量，Pa

ph—— 高壓管路壓力，Pa

3 恒頻控制仿真與實(shí)驗(yàn)研究

以37 kW液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(如圖2所示)為基礎(chǔ)，探究變量馬達(dá)穩(wěn)速輸出的影響因素以及恒轉(zhuǎn)速輸出的抗干擾性能。

仿真利用AMESim軟件[14]建立液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組定量泵-變量馬達(dá)主傳動(dòng)控制系統(tǒng)模型，通過改變電動(dòng)機(jī)輸入轉(zhuǎn)速模擬不同風(fēng)速，改變負(fù)載溢流閥壓力模擬負(fù)載變化。實(shí)驗(yàn)利用變頻電機(jī)通過減速箱帶動(dòng)低速定量泵轉(zhuǎn)動(dòng)[15](模擬低風(fēng)速輸入)，然后通過主傳動(dòng)控制系統(tǒng)驅(qū)使變量馬達(dá)高速轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)與其直接連接的電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)產(chǎn)生頻率穩(wěn)定的電能。

液壓系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)基本參數(shù)見表1。

1.變量馬達(dá) 2.變頻電機(jī) 3.電控柜 4.補(bǔ)油泵 5.定量泵 6.同步發(fā)電機(jī)圖2 37 kW試驗(yàn)平臺(tái)

3.1 變量馬達(dá)轉(zhuǎn)速影響因素分析

采用恒轉(zhuǎn)速控制方法，分別研究馬達(dá)斜盤擺角折算系數(shù)和不同低速泵轉(zhuǎn)速輸入對(duì)高速變量馬達(dá)恒定輸出轉(zhuǎn)速的影響。

1) 不同擺角折算系數(shù)對(duì)高速變量馬達(dá)恒定輸出轉(zhuǎn)速的影響分析

仿真和試驗(yàn)時(shí)，低速泵轉(zhuǎn)速輸入和高速變量馬達(dá)速度控制閉環(huán)PID參數(shù)保持不變。給定馬達(dá)斜盤擺角基準(zhǔn)折算系數(shù)分別為0.0788，0.0807，0.0826，低速泵轉(zhuǎn)速輸入如圖3所示，分析液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變量馬達(dá)轉(zhuǎn)速變化，如圖4所示。

表1 基本參數(shù)

圖3 不同折算系數(shù)時(shí)低速泵轉(zhuǎn)速輸入曲線

由仿真和試驗(yàn)曲線可知，馬達(dá)斜盤擺角折算系數(shù)在0.0788～0.0826小范圍變化時(shí)，變量馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速數(shù)值基本一致，在(1500±2)r/min內(nèi)波動(dòng)，沒有產(chǎn)生明顯變化，同時(shí)滿足(1500±6)r/min的轉(zhuǎn)速控制要求?？梢娫撓禂?shù)對(duì)變量馬達(dá)恒轉(zhuǎn)速輸出的影響不明顯。

圖4 不同折算系數(shù)時(shí)變量馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速曲線

2) 不同低速泵轉(zhuǎn)速輸入對(duì)高速變量馬達(dá)恒定輸出轉(zhuǎn)速的影響分析

仿真和試驗(yàn)時(shí)，高速變量馬達(dá)斜盤擺角基準(zhǔn)折算系數(shù)和其速度控制閉環(huán)PID參數(shù)保持不變。給定不同低速泵轉(zhuǎn)速7，8，9 r/min，如圖5所示。分析液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變量馬達(dá)轉(zhuǎn)速變化，如圖6所示。

圖5 不同低速泵轉(zhuǎn)速輸入曲線

由仿真和試驗(yàn)曲線可知，在不同定量泵轉(zhuǎn)速輸入下，變量馬達(dá)轉(zhuǎn)速數(shù)值基本保持不變，僅在(1500±3)r/min范圍內(nèi)波動(dòng)，同時(shí)滿足(1500±6)r/min的轉(zhuǎn)速控制要求。這是由于變量馬達(dá)擺角基準(zhǔn)與定量泵轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系，在補(bǔ)償擺角小范圍作用下，斜盤擺角幾乎仍與定量泵轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系。因此，在恒流源狀態(tài)下變量馬達(dá)轉(zhuǎn)速依然保持不變。

圖6 不同低速泵轉(zhuǎn)速輸入時(shí)變量馬達(dá)轉(zhuǎn)速輸出曲線

3.2 低速泵波動(dòng)轉(zhuǎn)速下的變量馬達(dá)恒轉(zhuǎn)速輸出分析

由于實(shí)際風(fēng)速是實(shí)時(shí)波動(dòng)的，導(dǎo)致定量泵轉(zhuǎn)速也處于變化狀態(tài)，因此需要探究波動(dòng)風(fēng)速對(duì)變量馬達(dá)恒轉(zhuǎn)速輸出的影響[16]，驗(yàn)證轉(zhuǎn)速控制方法的抗干擾性能。

仿真和試驗(yàn)時(shí)，給定發(fā)電機(jī)負(fù)載功率保持不變，利用圖7a所示定量泵波動(dòng)轉(zhuǎn)速模擬實(shí)際風(fēng)速變化，得到變量馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速變化如圖7b所示。由圖可知，在定量泵轉(zhuǎn)速輸入變化時(shí)，變量馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速會(huì)隨著定量泵轉(zhuǎn)速輸入變化趨勢(shì)在小范圍內(nèi)波動(dòng)，其值穩(wěn)定在(1500±4)r/min內(nèi)，滿足(1500±6)r/min的轉(zhuǎn)速控制要求?？梢?，在定量泵波動(dòng)轉(zhuǎn)速下，變量馬達(dá)轉(zhuǎn)速依然保持在有效范圍內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)有效并網(wǎng)發(fā)電，其轉(zhuǎn)速控制方法在低風(fēng)速下抗干擾性能良好。

4 結(jié)論

(1) 采用低速定量泵-高速變量馬達(dá)增速傳動(dòng)閉式回路系統(tǒng)，在恒流源控制基礎(chǔ)上，應(yīng)用PID控制器補(bǔ)償斜盤擺角方法能夠?qū)崿F(xiàn)液壓風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的恒頻控制;

(2) 馬達(dá)斜盤擺角基準(zhǔn)折算系數(shù)和不同低速泵轉(zhuǎn)速輸入對(duì)變量馬達(dá)恒定輸出轉(zhuǎn)速的影響效果不明顯；

圖7 低速泵波動(dòng)轉(zhuǎn)速下變量馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速變化

(3) 在低速泵的波動(dòng)轉(zhuǎn)速輸入下，恒頻控制方法能夠有效實(shí)現(xiàn)變量馬達(dá)恒轉(zhuǎn)速輸出，滿足并網(wǎng)需求，其系統(tǒng)穩(wěn)定性好，抗干擾性能良好。