艾 超,孔祥東*,閆桂山,華玉蘭,宋 豫
(1.燕山大學(xué)河北省重型機(jī)械流體動力傳輸與控制實驗室,河北秦皇島066004;2.燕山大學(xué)先進(jìn)鍛壓成形技術(shù)與科學(xué)教育部重點實驗室,河北秦皇島066004;3.燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,河北秦皇島066004;4.沈陽新松機(jī)器人自動化股份有限公司,遼寧沈陽110000)
液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組[1-3](以下簡稱液壓型機(jī)組)采用定量泵-變量馬達(dá)柔性傳動,配合勵磁同步發(fā)電機(jī),有效地提高了發(fā)電質(zhì)量,降低了機(jī)艙重量,降低了對電網(wǎng)的沖擊。
液壓型機(jī)組主傳動系統(tǒng)原理為:風(fēng)力機(jī)驅(qū)動定量泵輸出高壓油,傳動部分采用定量泵-變量馬達(dá)閉式液壓系統(tǒng),變量馬達(dá)與勵磁同步發(fā)電機(jī)剛性連接。系統(tǒng)通過控制變量馬達(dá)的擺角實現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的實時調(diào)整,從而控制發(fā)電機(jī)工作于同步轉(zhuǎn)速實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電[4-5]。
其中,低電壓穿越是風(fēng)電機(jī)組的一項關(guān)鍵技術(shù),也是現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行的要求,指風(fēng)電場并網(wǎng)點由于電網(wǎng)故障或擾動造成電壓跌落時,風(fēng)電機(jī)組能夠保持并網(wǎng),并通過向電網(wǎng)提供一定的無功功率支撐電網(wǎng)恢復(fù),最終“穿越”整個低電壓時間(區(qū)域)[6-8]。
與傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一樣,液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組需要具備低電壓穿越能力。液壓型機(jī)組在低電壓穿越過程中,為保證發(fā)電機(jī)穩(wěn)定工作于工頻轉(zhuǎn)速保持并網(wǎng),液壓主傳動系統(tǒng)需要對其功率、壓力等瞬態(tài)特性進(jìn)行快速調(diào)整。因此,液壓主傳動系統(tǒng)瞬態(tài)特性在低電壓穿越過程具有重要作用。
國內(nèi)外學(xué)者[9-11]對液壓系統(tǒng)瞬態(tài)特性開展了一些了研究,但針對低電壓穿越過程中液壓主傳動系統(tǒng)瞬態(tài)特性研究的文獻(xiàn)鮮見,未形成成熟的研究體系。因此,有必要對液壓型機(jī)組低電壓穿越過程主傳動系統(tǒng)瞬態(tài)特性展開研究。
本研究針對液壓型機(jī)組低電壓穿越過程,重點研究其主傳動系統(tǒng)瞬態(tài)特性。
液壓型機(jī)組主傳動系統(tǒng)由定量泵-變量馬達(dá)閉式容積回路組成,其原理如圖1所示。
圖1 定量泵-變量馬達(dá)閉式回路原理圖
液壓型機(jī)組在低電壓穿越過程中,為保證發(fā)電機(jī)穩(wěn)定工作于工頻轉(zhuǎn)速保持并網(wǎng),液壓主傳動系統(tǒng)需要對其功率、壓力等瞬態(tài)特性進(jìn)行快速調(diào)整。因此本研究建立液壓主傳動系統(tǒng)定量泵-變量馬達(dá)數(shù)學(xué)模型[12],得出液壓主傳動系統(tǒng)瞬態(tài)特性。
定量泵轉(zhuǎn)速瞬態(tài)傳遞函數(shù)為:
式中:θp—定量泵轉(zhuǎn)速,rad/s;Dp—定量泵的輸出排量,m3/r;γ—變量馬達(dá)斜盤傾角與其最大傾角比值,γ0—γ的初始值;Dm0—變量馬達(dá)的最大排量,m3/rad;Km—變量馬達(dá)排量梯度,m3/rad;Km0—Km初始值;θm—變量馬達(dá)轉(zhuǎn)速,rad/s;θm0—θm的初始值;Ct—總泄漏系數(shù),m3/(s·Pa);V0—單個腔室的總?cè)莘e,m3;βe—有效體積彈性模量,Pa;Jp—定量泵和負(fù)載的總慣量,kg·m2;Bp—泵側(cè)粘性阻尼系數(shù),N/(m/s);Tp—定量泵的驅(qū)動力矩,N/m。
變量馬達(dá)轉(zhuǎn)速瞬態(tài)傳遞函數(shù)為:
式中:Qp—定量泵的輸出流量,m3/rad;Tm—變量馬達(dá)軸上的外負(fù)載力矩,N/m。
變量馬達(dá)輸出功率傳遞函數(shù)為:
式中:ph—高壓管路壓力,Pa;ph0—ph初始值;P—變量馬達(dá)輸出功率,W。
當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時,為實現(xiàn)低電壓穿越,液壓型機(jī)組通常采用直接控制變量馬達(dá)擺角的方法,通過增大變量馬達(dá)排量,調(diào)整系統(tǒng)瞬態(tài)壓力ph,使變量馬達(dá)輸出功率P迅速降低,從而使定量泵轉(zhuǎn)速θp提高,將多余的能量儲存到風(fēng)力機(jī)中。最終系統(tǒng)通過控制變量馬達(dá)轉(zhuǎn)速使發(fā)電機(jī)穩(wěn)定工作于工頻轉(zhuǎn)速保持并網(wǎng),實現(xiàn)低電壓穿越。
本研究以燕山大學(xué)30 kVA液壓型機(jī)組實驗系統(tǒng)為基礎(chǔ),依據(jù)液壓型機(jī)組低電壓穿越控制原理,搭建系統(tǒng)仿真平臺。筆者采用AMESim軟件搭建主傳動系統(tǒng)瞬態(tài)特性仿真模塊,利用Matlab/Simulink軟件搭建風(fēng)速與風(fēng)輪特性模塊、低電壓穿越控制器模塊、電力系統(tǒng)模塊,并利用接口技術(shù)實現(xiàn)兩個軟件的聯(lián)合仿真。仿真平臺如圖2、圖3所示,仿真參數(shù)設(shè)定如表1~3所示。
圖2 液壓主系統(tǒng)瞬態(tài)特性仿真模塊
表1 Simulink參數(shù)設(shè)定
表2 AMESim參數(shù)設(shè)定
圖3 液壓型機(jī)組低電壓穿越仿真平臺
表3 液壓系統(tǒng)參數(shù)表
本研究模擬風(fēng)力機(jī)典型工況,分別設(shè)置定量泵轉(zhuǎn)速為400 r/min和600 r/min,研究主傳動系統(tǒng)瞬態(tài)特性,仿真結(jié)果如圖4所示。
由圖4可知,隨著定量泵轉(zhuǎn)速增加,變量馬達(dá)擺角增大、轉(zhuǎn)速波動增大,系統(tǒng)瞬態(tài)壓力增高。此外,定量泵轉(zhuǎn)速分別設(shè)定為400 r/min和600 r/min時,在變量馬達(dá)擺角調(diào)整1 s后,對應(yīng)發(fā)電功率下降幅度分別為12%和16%??芍诓煌r下,變量馬達(dá)擺角初始值設(shè)定和發(fā)電功率響應(yīng)的快速性不同,變量馬達(dá)擺角初始值越大,對應(yīng)發(fā)電功率瞬態(tài)響應(yīng)越快。
圖4 不同工況下主傳動系統(tǒng)瞬態(tài)特性仿真結(jié)果
由上述仿真結(jié)果分析可知,在低電壓穿越過程中,本研究根據(jù)不同的電壓跌落深度,通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力,實現(xiàn)了定量泵液壓負(fù)載轉(zhuǎn)矩的控制,最終調(diào)整定量泵至最佳轉(zhuǎn)速。
筆者通過仿真分析管道長度對主傳動系統(tǒng)瞬態(tài)特性的影響規(guī)律,縮短主傳動系統(tǒng)液壓管路長度,即減少液壓管路初始容積。設(shè)定定量泵轉(zhuǎn)速為900 r/min時,仿真結(jié)果如圖5所示。
圖5 不同管道長度主傳動系統(tǒng)瞬態(tài)特性仿真結(jié)果
由圖5可知,縮短液壓管路長度、減小液壓管路初始容積,有利于發(fā)電功率的瞬態(tài)響應(yīng)速度的提高,但是變量馬達(dá)在擺角快速調(diào)整瞬時,其轉(zhuǎn)速會波動增大(轉(zhuǎn)速波動是在電力系統(tǒng)允許范圍內(nèi)的)。因此,在主傳動系統(tǒng)定量泵-變量馬達(dá)閉式回路中,縮短管路長度有利于發(fā)電功率快速響應(yīng)。
依據(jù)上述分析,本研究對主傳動液壓系統(tǒng)管路進(jìn)行優(yōu)化,分別縮短高、低壓管路,優(yōu)化后對系統(tǒng)頻域特性進(jìn)行分析,仿真結(jié)果如圖6所示。
圖6 主傳動系統(tǒng)壓力特性頻域仿真結(jié)果
由圖6可知,在幅值為 -3 dB時,頻寬 ωb=76.2 rad/s≈12.1 Hz,即縮短液壓管路后,系統(tǒng)壓力特性響應(yīng)速度較快,在低電壓穿越過程中可迅速調(diào)整至設(shè)定值。
由上述仿真結(jié)果分析可知,為實現(xiàn)低電壓穿越,液壓型機(jī)組在工程推廣過程中,在滿足機(jī)組液壓系統(tǒng)安裝的前提之下,應(yīng)該盡量縮短液壓管道長度,提高液壓型機(jī)組的低電壓穿越控制能力。
本研究通過數(shù)學(xué)模型和仿真分析,研究液壓型機(jī)組低電壓穿越過程主傳動系統(tǒng)瞬態(tài)特性。主要得到以下結(jié)論:
(1)建立了低電壓穿越過程液壓主傳動系統(tǒng)的瞬態(tài)模型;
(2)給出了定量泵轉(zhuǎn)速與主傳動系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)的作用規(guī)律,即提高量泵轉(zhuǎn)速有利于系統(tǒng)的快速響應(yīng)。為不同運(yùn)行工況下低電壓穿越的控制方法提供了參考依據(jù);
(3)提出了管道長度對主傳動系統(tǒng)發(fā)電功率響應(yīng)的影響規(guī)律,即縮短管道長度有利于發(fā)電功率的快速調(diào)整。為低電壓穿越控制中液壓系統(tǒng)管路優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。
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