苗小利，王帥軍，郭軍

(1.許昌電氣職業(yè)學院電氣工程系，河南許昌 461000；2.河南科技大學車輛與交通工程學院，河南洛陽 471003)

0 前言

風能屬于一種在自然界中廣泛分布的可再生綠色能源，隨著傳統(tǒng)煤炭、石油等化石燃料的不斷消耗以及由此造成的環(huán)境污染問題受到了人們的越來越密切的關(guān)注，風能開始逐漸引起人們的密切關(guān)注[1-2]?，F(xiàn)階段，許多柔性液壓傳動部件也在風電行業(yè)獲得推廣應(yīng)用，對傳統(tǒng)機型剛性傳動方式起到了良好的替代作用[3-4]。以液壓方式驅(qū)動的垂直軸風力發(fā)電機屬于一類新型結(jié)構(gòu)的風力發(fā)電機，以柔性傳動模式代替?zhèn)鹘y(tǒng)剛性傳動結(jié)構(gòu)，大幅降低機組故障發(fā)生率，促進機組電能利用效率的大幅提升[5-6]。液壓驅(qū)動方式與傳統(tǒng)動力的垂直軸風力發(fā)電機基本一致，同樣需克服并網(wǎng)發(fā)電的難題。

當前已有許多國內(nèi)外學者開展了液壓風力發(fā)電機的并網(wǎng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方面的研究工作。其中，文獻[7]針對液壓馬達發(fā)電機設(shè)計了一種模糊PID控制，從而達到穩(wěn)定調(diào)節(jié)定量馬達轉(zhuǎn)速的效果，實現(xiàn)功率的優(yōu)化功能。文獻[8]綜合運用變量馬達排量與節(jié)流閥開度調(diào)節(jié)的方式對液壓風力發(fā)電機進行并網(wǎng)轉(zhuǎn)速調(diào)控測試。文獻[9]則提出了一種儲能液壓風力發(fā)電機，通過蓄能器來抑制波動風速造成的液壓系統(tǒng)壓力變化，可以精確調(diào)節(jié)速度參數(shù)，而設(shè)置太高的風機轉(zhuǎn)速時，同樣會造成系統(tǒng)流量溢出的結(jié)果。文獻[10]根據(jù)液壓馬達速度差異，計算風力機與變量馬達速度偏差來實現(xiàn)補償?shù)男Ч?，之后采用模糊控制方式，使轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)達到優(yōu)異動態(tài)性能，受到隨機波動風擾動作用時，系統(tǒng)一直進行調(diào)整，從而實現(xiàn)與電網(wǎng)之間的平滑相連。

以上關(guān)于液壓馬達發(fā)電機轉(zhuǎn)速控制的研究內(nèi)容都沒有考慮風速變化與風力機氣動轉(zhuǎn)矩差異引起的液壓馬達轉(zhuǎn)速調(diào)控系統(tǒng)性能變化，其控制方法對于此研究來說具有較大參考意義[11-13]。考慮到風力機屬于能量轉(zhuǎn)換的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，當風力機與定量泵連接之后，氣動轉(zhuǎn)矩波動程度對調(diào)節(jié)機組并網(wǎng)轉(zhuǎn)速具有明顯影響，此外還會造成機組傳動鏈可靠度的下降[14]。因此，本文作者主要從風速預(yù)測以及氣動轉(zhuǎn)矩性能方面出發(fā)，探討液壓馬達發(fā)電機精確調(diào)節(jié)并網(wǎng)轉(zhuǎn)速的方案，從而控制機組的穩(wěn)定并網(wǎng)并減小機組的傳動鏈載荷。

1 液壓馬達發(fā)電機模型

液壓垂直軸風力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)原理見圖1。風驅(qū)動垂直軸風力機在波動狀態(tài)下轉(zhuǎn)動時，再將風能轉(zhuǎn)變成機械能；定量泵和風力機之間保持同軸連接的狀態(tài)，由風力機為定量泵提供轉(zhuǎn)動驅(qū)動力，再把機械能轉(zhuǎn)變成液壓能；控制同步發(fā)電機轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，使液壓能轉(zhuǎn)變成電能，完成并網(wǎng)發(fā)電。

圖1 液壓馬達發(fā)電機工作原理簡圖

液壓馬達發(fā)電機通過風力機實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電的調(diào)節(jié)，同時設(shè)置了比例節(jié)流閥對主傳動系統(tǒng)波動性進行有效抑制，此外還在系統(tǒng)中加入控制變量馬達進行排量調(diào)節(jié)，從而確保在各風速下都能夠精確調(diào)節(jié)風電機組運動參數(shù)與并網(wǎng)轉(zhuǎn)速[15]；機組并網(wǎng)結(jié)束后，再將比例節(jié)流閥從系統(tǒng)中去除，此時比例節(jié)流閥保持閥口全開的程度，大幅減小液壓系統(tǒng)能量損耗。

2 系統(tǒng)線性化和并網(wǎng)轉(zhuǎn)速控制

2.1 控制輸出

以定量泵輸出功率與馬達入口壓力作為輸出結(jié)果，因此存在以下關(guān)系：

(1)

式中：Dp和ωp分別為定量泵的排量和轉(zhuǎn)速；ph1為定量泵與比例節(jié)流閥之間壓力；ph2為馬達入口壓力。

2.2 系統(tǒng)相對階

根據(jù)導數(shù)算法得到：

式中：βe為油液體積彈性模量；Kp為定量泵的排量梯度；Km和ωm分別為變量馬達的排量梯度和轉(zhuǎn)速；V1和V2分別為定量泵和變量馬達到比例節(jié)流閥之間容腔體積；Lg1和Lg2分別為定量泵和變量馬達由于壓縮產(chǎn)生的流量。

對系統(tǒng)進行局部狀態(tài)線性化處理，需要控制輸入-輸出過程的線性化。根據(jù)零動態(tài)設(shè)計的規(guī)則建立并網(wǎng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)，同時按照系統(tǒng)控制條件設(shè)置了2個內(nèi)部動態(tài)，完成系統(tǒng)零動態(tài)穩(wěn)定性的驗證。

2.3 控制律設(shè)計

設(shè)定以下跟蹤誤差計算式：

e=yd-y

(2)

得到以下控制輸入：

(3)

根據(jù)系統(tǒng)控制條件對k11、k12、k21、k22進行參數(shù)整定，要求保證系統(tǒng)達到穩(wěn)定控制狀態(tài)，此時系統(tǒng)極點都處于負半平面區(qū)域。將式(2)(3)聯(lián)立后得到系統(tǒng)控制律如下：

(4)

式中：V0為管路油液容積；Ku為比例節(jié)流閥流量增益。

測試系統(tǒng)通過壓力與轉(zhuǎn)速傳感器獲得高壓壓力并監(jiān)測定量泵的轉(zhuǎn)速，并將監(jiān)測狀態(tài)傳入控制器內(nèi)，定量泵下一時刻轉(zhuǎn)速根據(jù)風速模型以及風力機模型共同確定，再將最終控制信號輸入系統(tǒng)并對結(jié)果進行跟蹤，由此實現(xiàn)在自然風速下精確調(diào)節(jié)變量馬達轉(zhuǎn)速的效果。

3 并網(wǎng)轉(zhuǎn)速仿真研究

采用Simulink軟件構(gòu)建垂直軸液壓機組并網(wǎng)轉(zhuǎn)速調(diào)控測試模型，得到圖2所示的結(jié)構(gòu)，之后驗證了機組分別處于平穩(wěn)與隨機風速兩種狀態(tài)下進行變量馬達轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的結(jié)果。

圖2 機組并網(wǎng)轉(zhuǎn)速控制平臺

3.1 平穩(wěn)風速下仿真分析

為了對文中方法進行有效性驗證，保持風速為3 m/s的穩(wěn)定狀態(tài)下，測試了液壓風力發(fā)電機定量泵轉(zhuǎn)速、系統(tǒng)壓力以及變量馬達轉(zhuǎn)速隨時間的變化規(guī)律，得到圖3所示的結(jié)果。

圖3 平穩(wěn)風速下風力機轉(zhuǎn)速特性

由圖3(a)可知：處于穩(wěn)定風速下時，定量泵轉(zhuǎn)速有明顯波動，這會在一定程度上增加對系統(tǒng)壓力波動的影響。由圖3(b)可知：只對變量馬達進行排量調(diào)節(jié)時，會造成系統(tǒng)壓力產(chǎn)生0.3 MPa的波動幅度；綜合運用比例節(jié)流閥與變量馬達進行調(diào)節(jié)時則可以有效抑制壓力的波動，能夠減小到0.1 MPa內(nèi)。這是由于風力機氣動轉(zhuǎn)矩發(fā)生波動時將會造成變量馬達轉(zhuǎn)速的較大變化。圖3(c)顯示：受風力機氣動轉(zhuǎn)矩波動的影響，變量馬達轉(zhuǎn)速產(chǎn)生近4 r/min的偏差；受比例節(jié)流閥的阻尼影響，變量馬達的轉(zhuǎn)速波動更小，可以低至0.8 r/min，從而達到風電機組并網(wǎng)的條件。

3.2 隨機風速下仿真分析

控制機組風速介于3～4 m/s，圖4給出了液壓風力發(fā)電機的定量泵轉(zhuǎn)速、壓力與變量馬達轉(zhuǎn)速曲線。

圖4 隨機風速下風力機轉(zhuǎn)速特性

分析圖4可以發(fā)現(xiàn)：此時定量泵轉(zhuǎn)速存在低頻波動的情況，只對變量馬達進行排量調(diào)節(jié)時，可以使系統(tǒng)壓力的變化幅度控制在0.2 MPa左右，同時變量泵馬達轉(zhuǎn)速的變化幅度接近5 r/min；綜合運用比例節(jié)流閥與變量馬達進行調(diào)節(jié)時，幾乎看不到系統(tǒng)壓力幅值的變化，顯著降低變量馬達的轉(zhuǎn)速高頻波動幅度，達到0.2 r/min以內(nèi)。經(jīng)節(jié)流閥調(diào)節(jié)后可以使馬達轉(zhuǎn)速達到更小波動幅度，滿足風電機組并網(wǎng)轉(zhuǎn)速控制要求。

4 并網(wǎng)轉(zhuǎn)速試驗研究

根據(jù)30 kV·A液壓風力發(fā)電機仿真系統(tǒng)，對文中構(gòu)建的并網(wǎng)轉(zhuǎn)速控制方案開展測試。

4.1 平穩(wěn)風速下并網(wǎng)轉(zhuǎn)速試驗研究

為了對以上理論分析與仿真結(jié)果進行驗證，分析風速為3 m/s條件下的變量馬達轉(zhuǎn)速與壓力變化曲線，結(jié)果見圖5。

圖5 平穩(wěn)風速下并網(wǎng)轉(zhuǎn)控制響應(yīng)曲線

對圖5進行分析可以發(fā)現(xiàn)：只對變量馬達轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)時，其轉(zhuǎn)速發(fā)生了約±5 r/min的波動，同時系統(tǒng)的壓力波動幅值接近0.2 MPa；設(shè)置節(jié)流閥的情況下，變量馬達的轉(zhuǎn)速波動幅度減小至2 r/min，同時系統(tǒng)壓力的波動幅度減小至0.1 MPa，表明采用文中并網(wǎng)轉(zhuǎn)速控制方法能夠滿足可靠性要求。

4.2 隨機風速下并網(wǎng)轉(zhuǎn)速試驗研究

根據(jù)圖4(a)所示隨機風速以及圖5所示測試平臺，分析機組變量馬達轉(zhuǎn)速與高壓壓力，結(jié)果見圖6。

圖6 隨機風速下并網(wǎng)轉(zhuǎn)控制響應(yīng)特性曲線

圖6顯示：未加入節(jié)流閥比例前，對變量馬達轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)時，轉(zhuǎn)速波動幅度在10 r/min左右，無法達到發(fā)電機并網(wǎng)轉(zhuǎn)速的控制需求，而系統(tǒng)壓力的波動值是0.25 MPa；利用比例節(jié)流閥進行調(diào)節(jié)時，壓力波動幅度達到0.2 MPa，變量馬達的轉(zhuǎn)速波動不超過±2 r/min，相對并網(wǎng)轉(zhuǎn)速±6 r/min明顯偏低，具有很高的控制精度。

5 結(jié)論

本文作者開展液壓馬達發(fā)電機并網(wǎng)轉(zhuǎn)速控制方案及實驗驗證分析，取得如下結(jié)果：

(1)測試系統(tǒng)通過壓力與轉(zhuǎn)速傳感器獲得高壓壓力并監(jiān)測定量泵的轉(zhuǎn)速，將最終控制信號輸入系統(tǒng)并對結(jié)果進行跟蹤，實現(xiàn)在自然風速下精確調(diào)節(jié)變量馬達轉(zhuǎn)速的效果。

(2)平穩(wěn)風速和隨機風速下并網(wǎng)轉(zhuǎn)速試驗結(jié)果表明：綜合運用比例節(jié)流閥與變量馬達調(diào)節(jié)可以使系統(tǒng)壓力波動幅值達到0.1 MPa，顯著降低變量馬達的轉(zhuǎn)速高頻波動幅度，滿足風電機組并網(wǎng)轉(zhuǎn)速控制要求。

(3)平穩(wěn)風速和隨機風速下并網(wǎng)轉(zhuǎn)速試驗結(jié)果表明：比例節(jié)流閥調(diào)節(jié)下壓力波動幅度達到0.2 MPa，變量馬達轉(zhuǎn)速波動不超過±2 r/min，具有很高的控制精度。