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(西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,陜西 西安 710048)

風(fēng)能取之不盡用之不竭，是一種清潔的可再生能源。隨著化石燃料能源的日益枯竭，人們的環(huán)境保護(hù)意識(shí)逐漸加強(qiáng)，世界各國(guó)都正加緊開(kāi)發(fā)和利用風(fēng)能。世界風(fēng)力發(fā)電的裝機(jī)容量隨之迅速增長(zhǎng)，近年年均增長(zhǎng)可達(dá)30%[1]。我國(guó)可開(kāi)發(fā)的陸地和海洋風(fēng)能資源大約分別為253 GW和750 GW。年平均風(fēng)速達(dá)6 m/s以上的內(nèi)陸地區(qū)約占全國(guó)總面積的1%，僅次于美國(guó)和俄羅斯，居世界第三位[2]。但目前我國(guó)風(fēng)力發(fā)電裝置還存在以下缺點(diǎn):(1)風(fēng)速不穩(wěn)定問(wèn)題；(2)以變頻技術(shù)作為主流變速恒頻發(fā)電技術(shù)帶來(lái)的問(wèn)題；(3)風(fēng)力發(fā)電裝置大部分部件的安裝位置帶來(lái)的問(wèn)題[3]。變速恒頻技術(shù)作為風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的主流技術(shù)，其電力電子變流器(安裝在發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)之間)的制作成本相對(duì)較高，這也是該技術(shù)的缺點(diǎn)所在。

隨著液壓技術(shù)的發(fā)展，泵控馬達(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)越來(lái)越成熟，應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣泛[4-5]。按照液壓泵和馬達(dá)調(diào)速方式的不同，可分為以下三種類型：(1)變量泵-定量馬達(dá)式調(diào)速系統(tǒng)；(2)定量泵-變量馬達(dá)式調(diào)速系統(tǒng)；(3)變量泵-變量馬達(dá)式調(diào)速系統(tǒng)。其中，變量泵-定量馬達(dá)式調(diào)速系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)變量機(jī)構(gòu)的移距來(lái)改變泵的排量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)馬達(dá)轉(zhuǎn)速的控制。同時(shí)，變量泵作為液壓系統(tǒng)的動(dòng)力源,具有輸入功率和輸出功率相匹配、高效節(jié)能的特點(diǎn),因此,被廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械等領(lǐng)域[6]。此外，針對(duì)變量泵-定量馬達(dá)液壓容積調(diào)速，本文建立適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)建模，進(jìn)而完成相應(yīng)的優(yōu)化研究和參考影響分析，為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了理論依據(jù)，具有實(shí)際指導(dǎo)意義[7]。本文設(shè)計(jì)了一套變量泵-定量馬達(dá)液壓恒速系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，除風(fēng)輪機(jī)和液壓泵安裝在塔上外，其余部分均安裝在地面，以便維修。塔上安裝的液壓泵將吸收風(fēng)輪機(jī)的風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的液壓能，可為馬達(dá)供油。同時(shí)，本文提出變量泵直接調(diào)速和比例調(diào)速閥旁路微調(diào)速的復(fù)合調(diào)速方法，使馬達(dá)在1 500 r/min左右的轉(zhuǎn)速下仍可穩(wěn)定工作，發(fā)電機(jī)與馬達(dá)同步轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)出50 Hz的工頻電。

1 變量泵控定量馬達(dá)恒速系統(tǒng)原理

液壓系統(tǒng)原理圖如圖1所示。液壓系統(tǒng)主要由變量泵、定量馬達(dá)、電磁溢流閥、比例調(diào)速閥及其它液壓輔件組成。在主回路中，首先調(diào)節(jié)變量泵的變量機(jī)構(gòu)來(lái)改變排量，將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的液壓能后，再經(jīng)過(guò)比例調(diào)速閥進(jìn)行旁路調(diào)節(jié)。作為安全閥的溢流閥控制進(jìn)入定量馬達(dá)的油壓，使馬達(dá)進(jìn)油口壓力穩(wěn)定。

由于系統(tǒng)流量大，故液壓系統(tǒng)采用封閉式液壓回路。在回路中，液壓泵、液壓馬達(dá)以及實(shí)現(xiàn)不同功能的各種控制閥都可能存在泄漏，又因?yàn)橐簤罕玫淖晕芰^差，故本系統(tǒng)增設(shè)補(bǔ)油系統(tǒng)以便補(bǔ)充油量。

補(bǔ)油系統(tǒng)是一個(gè)小流量的恒壓源，補(bǔ)油泵通過(guò)單向閥6向低壓管道補(bǔ)油，用以補(bǔ)償系統(tǒng)油液的泄露，同時(shí)單向閥6也可以防止低壓回路壓力過(guò)高時(shí)油液回流到補(bǔ)油系統(tǒng)。同時(shí)補(bǔ)油系統(tǒng)給閉式系統(tǒng)供油，還可以防止出現(xiàn)氣穴現(xiàn)象和空氣滲入系統(tǒng)，同時(shí)也能幫助系統(tǒng)散熱。另外，蓄能器10可以消除或減弱系統(tǒng)的壓力和流量的脈動(dòng)給系統(tǒng)穩(wěn)定性帶來(lái)的影響。

圖1 液壓系統(tǒng)原理圖1-吸油濾油器；2-補(bǔ)油泵；3-電磁溢流閥；4-回油濾油器；5-壓力表；6-單向閥；7-變量泵；8-風(fēng)輪機(jī)；9-球閥；10-蓄能器；11-高壓濾油器；12-壓力傳感器；13-壓力表；14-發(fā)電機(jī)；15-定量馬達(dá)；16-電磁溢流閥；17-比例調(diào)速閥；18-壓力傳感器；19-壓力表；20-柱塞缸；21-兩位四通閥；22-電池溢流閥；23-回油濾油器；24-變量機(jī)構(gòu)泵；25-吸油濾油器；26-液位計(jì)；27-油溫計(jì)；28-油箱。

2 變量泵的數(shù)學(xué)建模

變量泵的數(shù)學(xué)模型分為變量泵調(diào)節(jié)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型和變量泵數(shù)學(xué)模型。以四通閥控制液壓缸位置作為變量泵變量系統(tǒng)的控制方法，變量泵的變量系統(tǒng)移距通過(guò)液壓缸控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)變量泵排量的控制。

(1)變量泵變排量系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

根據(jù)變量泵變排量系統(tǒng)的特性，泵的斜盤為一個(gè)大慣量部件，所以將泵的變排量控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為一個(gè)一階系統(tǒng)。泵的排量和控制電壓的關(guān)系為

(1)

式中qp——泵的排量；

Uq——變量泵變排量機(jī)構(gòu)的控制電壓；

kx——變排量系統(tǒng)增益；

t——時(shí)間常數(shù)。

(2)變量泵的數(shù)學(xué)模型

液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)矩平衡方程

(2)

式中J——馬達(dá)負(fù)載在馬達(dá)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

T1——負(fù)載力矩；

B——粘性阻尼系數(shù)。

流量連續(xù)性方程

(3)

式中QP——變量泵輸出端流量；

qp，qm——泵和馬達(dá)的排量；

cp，cm——泵和馬達(dá)的泄漏系數(shù)；

k——油液體積彈性模量；

p——油腔壓力；

v——油腔總?cè)莘e。

建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,將上述(2)、(3)式進(jìn)行拉氏變換，所得方框圖和格式如下

qmp(s)=(Js+B)nm(s)+T1(s)

(4)

(5)

圖2 系統(tǒng)方框圖

3 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析

3.1 馬達(dá)轉(zhuǎn)速隨負(fù)載的變換特性

系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為

(6)

負(fù)號(hào)表示馬達(dá)轉(zhuǎn)速降低，負(fù)載轉(zhuǎn)矩升高，

本次容積調(diào)速系統(tǒng)的阻尼系數(shù)為

(7)

本次容積調(diào)速系統(tǒng)的固有頻率為

(8)

3.2 馬達(dá)轉(zhuǎn)速隨泵的排量的變化特性

系統(tǒng)傳遞函數(shù)為

(9)

從上述傳遞函數(shù)看出，其均為振蕩環(huán)節(jié)，且兩個(gè)二階系統(tǒng)特征方程中各項(xiàng)系數(shù)均為正值，由霍爾維茨判據(jù)式可知，運(yùn)行始終穩(wěn)定。

4 Matlab/Simulink仿真

風(fēng)速變化的時(shí)空模型原則上可用以下四種典型成分來(lái)模擬：基本風(fēng)VWB、陣風(fēng)VWG、漸變風(fēng)和噪聲風(fēng)。風(fēng)在移動(dòng)過(guò)程中，動(dòng)能變化和勢(shì)能變化同時(shí)存在。在一定的時(shí)間和窄間范圍內(nèi)，風(fēng)速持續(xù)變化且隨機(jī)。為展現(xiàn)系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)風(fēng)場(chǎng)中的真實(shí)工作狀況，同時(shí)捕捉風(fēng)速的變化特征，較準(zhǔn)確地描述風(fēng)能隨機(jī)性、間歇性的特點(diǎn)，本文從實(shí)際角度出發(fā)完成對(duì)風(fēng)速的有效模擬[8-10]。

考慮到自然界風(fēng)力的大小和方向的不可預(yù)測(cè)性，在仿真過(guò)程中，以10 kW風(fēng)輪機(jī)為例，選取風(fēng)速為3～6 m/s，對(duì)應(yīng)泵的轉(zhuǎn)速為20～40 r/min，考慮到變量泵與風(fēng)輪機(jī)同步轉(zhuǎn)動(dòng)，故將漸變信號(hào)20～40 r/min作為仿真過(guò)程中液壓泵的輸入信號(hào)。

10kW風(fēng)機(jī)風(fēng)速/m·s-1輸出功率/kW轉(zhuǎn)速/r·min-120.11331.52043.12655.53368.240

圖3 10 kW風(fēng)輪機(jī)參數(shù)

利用MATLAB對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，進(jìn)而完成相應(yīng)分析,方便簡(jiǎn)單,在實(shí)際應(yīng)用中有著重要的意義[11]。

本系統(tǒng)基于前饋的PID控制算法，通過(guò)變量機(jī)構(gòu)主調(diào)，比例調(diào)速閥協(xié)助這一方式實(shí)現(xiàn)恒速。因發(fā)電機(jī)要求，馬達(dá)的轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，根據(jù)定量馬達(dá)規(guī)格參數(shù)和流量連續(xù)性方程，求出變量泵輸出端流量QP，并作為設(shè)定值。在變量泵輸出端檢測(cè)出泵輸出端流量，通過(guò)控制器比較，得出泵轉(zhuǎn)速變化ΔQP，ΔQP經(jīng)PID運(yùn)算作用于變量泵的變量機(jī)構(gòu)，對(duì)流入馬達(dá)的流量進(jìn)行粗調(diào)。馬達(dá)轉(zhuǎn)速基本穩(wěn)定后，通過(guò)比例調(diào)速閥完成微調(diào)，從而使馬達(dá)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1 500 r/min。

變量泵-定量馬達(dá)液壓恒速系統(tǒng)的控制原理圖如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)原理圖

普通比例-積分-微分(PID)控制器控制的算法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用于線性控制系統(tǒng)[12]。如圖5所示。

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 仿真結(jié)果

圖5 系統(tǒng)仿真模型

由圖6仿真結(jié)果得出，外界風(fēng)速發(fā)生變化時(shí)，馬達(dá)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，波動(dòng)范圍在±15 r/min，可以穩(wěn)定工作，滿足發(fā)電機(jī)高品質(zhì)發(fā)電要求。

5 系統(tǒng)運(yùn)行試驗(yàn)

本系統(tǒng)以電機(jī)代替風(fēng)輪機(jī)，利用變頻器改變電機(jī)輸入頻率來(lái)模擬風(fēng)速，變頻器的輸入頻率在20～40 Hz之間循環(huán)變化。以10 kW風(fēng)輪機(jī)為例，相當(dāng)于風(fēng)速在3～6 m/s。經(jīng)二級(jí)減速器傳動(dòng)后，泵的轉(zhuǎn)速范圍在20～40 r/min。變頻器頻率變化曲線如圖7所示。

圖7 變頻器頻率變化曲線

5.1 空載試驗(yàn)

調(diào)速閥流量的初始值為1 L/min，泵轉(zhuǎn)速在20～40 r/min變化，空載時(shí)馬達(dá)轉(zhuǎn)速變化曲線如圖8所示。

圖8 空載時(shí)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速變化曲線

由圖8中馬達(dá)轉(zhuǎn)速反饋曲線和顯示數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，空載情況下馬達(dá)轉(zhuǎn)速基本穩(wěn)定在1 500 r/min,波動(dòng)范圍在±15 r以內(nèi)。

5.2 有載試驗(yàn)

泵轉(zhuǎn)速在20～30 r/min變化時(shí)，系統(tǒng)加載10 kW，變量馬達(dá)轉(zhuǎn)速變化曲線如圖9所示。

圖9 加載時(shí)變量馬達(dá)轉(zhuǎn)速變化曲線

由圖9中馬達(dá)轉(zhuǎn)速反饋曲線和顯示數(shù)據(jù)可知，當(dāng)加載10 kW發(fā)電機(jī)且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，馬達(dá)轉(zhuǎn)速無(wú)波動(dòng)下滑現(xiàn)象，基本穩(wěn)定在1 500 r/min,波動(dòng)范圍在±15 r以內(nèi)。

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)當(dāng)今主流風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的不足，本文提出了一種新型變量泵控定量馬達(dá)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)為：(1)除泵外，其它機(jī)構(gòu)均在地面安裝，既降低風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的重心，又增加了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，同時(shí)利于維護(hù)；(2)液壓元器件成本相對(duì)低廉，彌補(bǔ)了現(xiàn)如今主流風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中，電力電子交流器價(jià)格昂貴的不足；(3)液壓傳動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速，并且油液可以吸收沖擊，使其運(yùn)行平穩(wěn)。同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)、快速制動(dòng)。對(duì)于自動(dòng)控制、遠(yuǎn)距離控制和過(guò)載保護(hù)等技術(shù)也易于實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)采用的調(diào)速方法是主調(diào)變量泵變量機(jī)構(gòu)，比例調(diào)速閥從旁協(xié)助的復(fù)合調(diào)速方法和PID控制算法對(duì)馬達(dá)轉(zhuǎn)速進(jìn)行閉環(huán)控制，馬達(dá)的轉(zhuǎn)速作為反饋量，對(duì)系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用Matlab/Simulink進(jìn)行了仿真研究，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了運(yùn)行試驗(yàn)。仿真和試驗(yàn)結(jié)果均表明，當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，馬達(dá)的轉(zhuǎn)速可以維持在1 500 r/min，波動(dòng)范圍在±15 r以內(nèi)，相信對(duì)系統(tǒng)進(jìn)一步的優(yōu)化后，可以實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)發(fā)電。

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