石青易， 鄧曉剛， 岳凱凱， 肖鑫源， 張 碩

(重慶科技學院 機械與動力工程學院， 重慶 401331)

引言

當今，風力發(fā)電機組正逐漸朝著大型化發(fā)展，傳統(tǒng)齒輪箱式和直驅式風力發(fā)電機組易故障[1]、安裝與維護的高成本問題愈發(fā)明顯。液壓型風力發(fā)電機組由于具有系統(tǒng)剛度大和易于實現(xiàn)無級調速等優(yōu)勢而逐漸引起人們的關注[2]。

風力發(fā)電機組恒頻發(fā)電的關鍵問題在于變量馬達的穩(wěn)速控制, 國內外學者對此進行了相關研究。VAEZI M等[3]研究了在風速載荷變化的條件下，液壓型風力發(fā)電機組恒轉速輸出控制問題。石茂順等[4]采用液壓變壓器原理對發(fā)電機輸出轉速進行控制，通過液壓變壓器的調壓原理，實現(xiàn)發(fā)電機的穩(wěn)速控制；艾超等[5-6]提出了基于動態(tài)面控制的穩(wěn)速輸出控制等多種恒轉速輸出控制方法，但其模擬實驗與實際風場有較大差別。李富柱等[7]針對一種雙調節(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]提出了一種機液混合傳動的液壓型風力發(fā)電機組，并驗證了該機型的轉速控制，但不能消除齒輪傳動故障率高的缺點。WEI L等[9-10]針對600 kW風力發(fā)電機組采用液壓蓄能的方式對機組轉速進行控制。

在液壓型風力發(fā)電機組中，恒頻控制主要受風力機輸入的波動性以及負載擾動等因素的影響。因此，針對低速定量泵-高速變量馬達增速傳動閉式回路系統(tǒng)，在恒流源控制基礎上，采用PID控制器[11]補償斜盤擺角方法[12]，并對其主傳動控制系統(tǒng)進行仿真和實驗分析，達到恒頻控制的目的。

1 液壓風力發(fā)電機組

圖1為工作原理簡圖，其結構由風力機模擬系統(tǒng)、低速大扭矩定量泵[13]、變量馬達、電勵磁同步發(fā)電機和補油設備等幾部分組成。該系統(tǒng)用變頻電機模擬風力機在低風速下轉動，帶動定量泵輸出高壓油。在安全閥不作用的情況下，液壓油通過高壓管路流入馬達內部，驅動其內部軸旋轉工作。變量馬達軸端與同步發(fā)電機內部轉子直接連接，在高速旋轉作用下產生電能。

圖1 工作原理簡圖

由同步發(fā)電機并網條件可知[12]，我國電網頻率為50 Hz，考慮產生的電能質量，要求同步發(fā)電機的轉速頻率與電網頻率一致，其偏差不超過±0.2 Hz (0.4%)，故需要控制發(fā)電機轉速穩(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變量馬達，即系統(tǒng)處于恒流源狀態(tài)。因此，要想保持變量馬達轉速不變，需要控制變量馬達斜盤擺角隨著定量泵轉速變化。利用定量泵軸上的轉速傳感器測量出定量泵轉速，然后折算出變量馬達擺角基準值，該值可通過斜盤擺角控制器調節(jié)變量馬達排量，使變量馬達轉速到達1500 r/min附近。但由于風速變化等干擾因素，變量馬達轉速會存在波動，難以穩(wěn)定。由于PID 控制器具有方便性、魯棒性好等特點，能夠穩(wěn)定控制在某一給定值上，故測量變量馬達輸出轉速，與給定的1500 r/min形成偏差值，通過PID控制器(斜盤擺角補償控制器)輸出斜盤擺角補償值，補償斜盤擺角基準實現(xiàn)恒轉速輸出控制。

2 機組數(shù)學建模

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—— 低速泵的輸入轉速，rad/s

Ctp—— 低速泵的泄漏系數(shù)，m3/(s·Pa)

ph1—— 泵的進出口壓差，Pa

定量泵負載力矩Tp為:

Tp=Qpph1/ηp

(2)

式中，ηp為定量泵機械效率。

定量泵的力矩平衡方程：

(3)

式中，Tt—— 風力機輸出轉矩，N·m

θp—— 定量泵轉角，rad

Jp—— 定量泵軸上的轉動慣量，kg·m2

Bp—— 定量泵的阻尼系數(shù)，m·s/rad

Gp—— 定量泵端的負載彈簧剛度，N/m

變量馬達排量Dm為:

Dm=Kmγ

(4)

式中，Km—— 變量馬達排量梯度，m3/rad

γ—— 變量馬達擺角位置，(°)

變量馬達流量Qm為:

Qm=Kmγωm+Ctmph2

(5)

式中，ωm—— 為變量馬達轉速，rad/min

Ctm—— 變量馬達泄漏系數(shù)，m3/(s·Pa)

ph2—— 泵的進出口壓差，Pa

變量馬達輸出轉矩Tm為:

Tm=Qmph2/ηm

(6)

式中，ηm為變量馬達機械效率。

變量馬達的力矩平衡方程：

(7)

式中，Te—— 變量馬達軸上的轉矩，N·m

θm—— 變量馬達轉角，rad

Jm—— 變量馬達軸上的轉動慣量，kg·m2

Bm—— 變量馬達的阻尼系數(shù)，m·s/rad

Gm—— 變量馬達端的負載彈簧剛度，N/m

高壓管路流量方程為:

(8)

式中，V0—— 主傳動控制系統(tǒng)的高壓腔內總容積，m3

βe—— 高壓油的綜合體積彈性模量，Pa

ph—— 高壓管路壓力，Pa

3 恒頻控制仿真與實驗研究

以37 kW液壓型風力發(fā)電機組實驗平臺(如圖2所示)為基礎，探究變量馬達穩(wěn)速輸出的影響因素以及恒轉速輸出的抗干擾性能。

仿真利用AMESim軟件[14]建立液壓型風力發(fā)電機組定量泵-變量馬達主傳動控制系統(tǒng)模型，通過改變電動機輸入轉速模擬不同風速，改變負載溢流閥壓力模擬負載變化。實驗利用變頻電機通過減速箱帶動低速定量泵轉動[15](模擬低風速輸入)，然后通過主傳動控制系統(tǒng)驅使變量馬達高速轉動，帶動與其直接連接的電勵磁同步發(fā)電機產生頻率穩(wěn)定的電能。

液壓系統(tǒng)主要結構基本參數(shù)見表1。

1.變量馬達 2.變頻電機 3.電控柜 4.補油泵 5.定量泵 6.同步發(fā)電機圖2 37 kW試驗平臺

3.1 變量馬達轉速影響因素分析

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

1) 不同擺角折算系數(shù)對高速變量馬達恒定輸出轉速的影響分析

仿真和試驗時，低速泵轉速輸入和高速變量馬達速度控制閉環(huán)PID參數(shù)保持不變。給定馬達斜盤擺角基準折算系數(shù)分別為0.0788，0.0807，0.0826，低速泵轉速輸入如圖3所示，分析液壓型風力發(fā)電機組變量馬達轉速變化，如圖4所示。

表1 基本參數(shù)

圖3 不同折算系數(shù)時低速泵轉速輸入曲線

由仿真和試驗曲線可知，馬達斜盤擺角折算系數(shù)在0.0788～0.0826小范圍變化時，變量馬達輸出轉速數(shù)值基本一致，在(1500±2)r/min內波動，沒有產生明顯變化，同時滿足(1500±6)r/min的轉速控制要求?？梢娫撓禂?shù)對變量馬達恒轉速輸出的影響不明顯。

圖4 不同折算系數(shù)時變量馬達輸出轉速曲線

2) 不同低速泵轉速輸入對高速變量馬達恒定輸出轉速的影響分析

仿真和試驗時，高速變量馬達斜盤擺角基準折算系數(shù)和其速度控制閉環(huán)PID參數(shù)保持不變。給定不同低速泵轉速7，8，9 r/min，如圖5所示。分析液壓型風力發(fā)電機組變量馬達轉速變化，如圖6所示。

圖5 不同低速泵轉速輸入曲線

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

圖6 不同低速泵轉速輸入時變量馬達轉速輸出曲線

3.2 低速泵波動轉速下的變量馬達恒轉速輸出分析

由于實際風速是實時波動的，導致定量泵轉速也處于變化狀態(tài)，因此需要探究波動風速對變量馬達恒轉速輸出的影響[16]，驗證轉速控制方法的抗干擾性能。

仿真和試驗時，給定發(fā)電機負載功率保持不變，利用圖7a所示定量泵波動轉速模擬實際風速變化，得到變量馬達輸出轉速變化如圖7b所示。由圖可知，在定量泵轉速輸入變化時，變量馬達輸出轉速會隨著定量泵轉速輸入變化趨勢在小范圍內波動，其值穩(wěn)定在(1500±4)r/min內，滿足(1500±6)r/min的轉速控制要求?？梢?，在定量泵波動轉速下，變量馬達轉速依然保持在有效范圍內，能夠實現(xiàn)有效并網發(fā)電，其轉速控制方法在低風速下抗干擾性能良好。

4 結論

(1) 采用低速定量泵-高速變量馬達增速傳動閉式回路系統(tǒng)，在恒流源控制基礎上，應用PID控制器補償斜盤擺角方法能夠實現(xiàn)液壓風力發(fā)電機組的恒頻控制;

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

圖7 低速泵波動轉速下變量馬達輸出轉速變化

(3) 在低速泵的波動轉速輸入下，恒頻控制方法能夠有效實現(xiàn)變量馬達恒轉速輸出，滿足并網需求，其系統(tǒng)穩(wěn)定性好，抗干擾性能良好。