苗小利，王帥軍，郭軍

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

0 前言

風(fēng)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(fēng)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(dòng)部件也在風(fēng)電行業(yè)獲得推廣應(yīng)用，對(duì)傳統(tǒng)機(jī)型剛性傳動(dòng)方式起到了良好的替代作用[3-4]。以液壓方式驅(qū)動(dòng)的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)屬于一類新型結(jié)構(gòu)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，以柔性傳動(dòng)模式代替?zhèn)鹘y(tǒng)剛性傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，大幅降低機(jī)組故障發(fā)生率，促進(jìn)機(jī)組電能利用效率的大幅提升[5-6]。液壓驅(qū)動(dòng)方式與傳統(tǒng)動(dòng)力的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)基本一致，同樣需克服并網(wǎng)發(fā)電的難題。

當(dāng)前已有許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了液壓風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方面的研究工作。其中，文獻(xiàn)[7]針對(duì)液壓馬達(dá)發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)了一種模糊PID控制，從而達(dá)到穩(wěn)定調(diào)節(jié)定量馬達(dá)轉(zhuǎn)速的效果，實(shí)現(xiàn)功率的優(yōu)化功能。文獻(xiàn)[8]綜合運(yùn)用變量馬達(dá)排量與節(jié)流閥開度調(diào)節(jié)的方式對(duì)液壓風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行并網(wǎng)轉(zhuǎn)速調(diào)控測(cè)試。文獻(xiàn)[9]則提出了一種儲(chǔ)能液壓風(fēng)力發(fā)電機(jī)，通過蓄能器來抑制波動(dòng)風(fēng)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(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，同樣會(huì)造成系統(tǒng)流量溢出的結(jié)果。文獻(xiàn)[10]根據(jù)液壓馬達(dá)速度差異，計(jì)算風(fēng)力機(jī)與變量馬達(dá)速度偏差來實(shí)現(xiàn)補(bǔ)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(dá)到優(yōu)異動(dòng)態(tài)性能，受到隨機(jī)波動(dòng)風(fēng)擾動(dòng)作用時(shí)，系統(tǒng)一直進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)之間的平滑相連。

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

1 液壓馬達(dá)發(fā)電機(jī)模型

液壓垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理見圖1。風(fēng)驅(qū)動(dòng)垂直軸風(fēng)力機(jī)在波動(dòng)狀態(tài)下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，再將風(fēng)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能；定量泵和風(fēng)力機(jī)之間保持同軸連接的狀態(tài)，由風(fēng)力機(jī)為定量泵提供轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力，再把機(jī)械能轉(zhuǎn)變成液壓能；控制同步發(fā)電機(jī)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(dá)發(fā)電機(jī)工作原理簡(jiǎn)圖

液壓馬達(dá)發(fā)電機(jī)通過風(fēng)力機(jī)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電的調(diào)節(jié)，同時(shí)設(shè)置了比例節(jié)流閥對(duì)主傳動(dòng)系統(tǒng)波動(dòng)性進(jìn)行有效抑制，此外還在系統(tǒng)中加入控制變量馬達(dá)進(jìn)行排量調(diào)節(jié)，從而確保在各風(fēng)速下都能夠精確調(diào)節(jié)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)動(dòng)參數(shù)與并網(wǎng)轉(zhuǎn)速[15]；機(jī)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(shí)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(dá)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(dá)入口壓力。

2.2 系統(tǒng)相對(duì)階

根據(jù)導(dǎo)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(dá)的排量梯度和轉(zhuǎn)速；V1和V2分別為定量泵和變量馬達(dá)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(dá)由于壓縮產(chǎn)生的流量。

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)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(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的規(guī)則建立并網(wǎng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)，同時(shí)按照系統(tǒng)控制條件設(shè)置了2個(gè)內(nèi)部動(dòng)態(tài)，完成系統(tǒng)零動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的驗(yàn)證。

2.3 控制律設(shè)計(jì)

設(shè)定以下跟蹤誤差計(jì)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(duì)k11、k12、k21、k22進(jìn)行參數(shù)整定，要求保證系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定控制狀態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)極點(diǎn)都處于負(fù)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(cè)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(cè)定量泵的轉(zhuǎn)速，并將監(jiān)測(cè)狀態(tài)傳入控制器內(nèi)，定量泵下一時(shí)刻轉(zhuǎn)速根據(jù)風(fēng)速模型以及風(fēng)力機(jī)模型共同確定，再將最終控制信號(hào)輸入系統(tǒng)并對(duì)結(jié)果進(jìn)行跟蹤，由此實(shí)現(xiàn)在自然風(fēng)速下精確調(diào)節(jié)變量馬達(dá)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(jī)組并網(wǎng)轉(zhuǎn)速調(diào)控測(cè)試模型，得到圖2所示的結(jié)構(gòu)，之后驗(yàn)證了機(jī)組分別處于平穩(wěn)與隨機(jī)風(fēng)速兩種狀態(tài)下進(jìn)行變量馬達(dá)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的結(jié)果。

圖2 機(jī)組并網(wǎng)轉(zhuǎn)速控制平臺(tái)

3.1 平穩(wěn)風(fēng)速下仿真分析

為了對(duì)文中方法進(jìn)行有效性驗(yàn)證，保持風(fēng)速為3 m/s的穩(wěn)定狀態(tài)下，測(cè)試了液壓風(fēng)力發(fā)電機(jī)定量泵轉(zhuǎn)速、系統(tǒng)壓力以及變量馬達(dá)轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化規(guī)律，得到圖3所示的結(jié)果。

圖3 平穩(wěn)風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速特性

由圖3(a)可知：處于穩(wěn)定風(fēng)速下時(shí)，定量泵轉(zhuǎn)速有明顯波動(dòng)，這會(huì)在一定程度上增加對(duì)系統(tǒng)壓力波動(dòng)的影響。由圖3(b)可知：只對(duì)變量馬達(dá)進(jìn)行排量調(diào)節(jié)時(shí)，會(huì)造成系統(tǒng)壓力產(chǎn)生0.3 MPa的波動(dòng)幅度；綜合運(yùn)用比例節(jié)流閥與變量馬達(dá)進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)則可以有效抑制壓力的波動(dòng)，能夠減小到0.1 MPa內(nèi)。這是由于風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩發(fā)生波動(dòng)時(shí)將會(huì)造成變量馬達(dá)轉(zhuǎn)速的較大變化。圖3(c)顯示：受風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的影響，變量馬達(dá)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(dá)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)更小，可以低至0.8 r/min，從而達(dá)到風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)的條件。

3.2 隨機(jī)風(fēng)速下仿真分析

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

圖4 隨機(jī)風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速特性

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

4 并網(wǎng)轉(zhuǎn)速試驗(yàn)研究

根據(jù)30 kV·A液壓風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真系統(tǒng)，對(duì)文中構(gòu)建的并網(wǎng)轉(zhuǎn)速控制方案開展測(cè)試。

4.1 平穩(wěn)風(fēng)速下并網(wǎng)轉(zhuǎn)速試驗(yàn)研究

為了對(duì)以上理論分析與仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，分析風(fēng)速為3 m/s條件下的變量馬達(dá)轉(zhuǎn)速與壓力變化曲線，結(jié)果見圖5。

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

對(duì)圖5進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)：只對(duì)變量馬達(dá)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，其轉(zhuǎn)速發(fā)生了約±5 r/min的波動(dòng)，同時(shí)系統(tǒng)的壓力波動(dòng)幅值接近0.2 MPa；設(shè)置節(jié)流閥的情況下，變量馬達(dá)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)幅度減小至2 r/min，同時(shí)系統(tǒng)壓力的波動(dòng)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(jī)風(fēng)速下并網(wǎng)轉(zhuǎn)速試驗(yàn)研究

根據(jù)圖4(a)所示隨機(jī)風(fēng)速以及圖5所示測(cè)試平臺(tái)，分析機(jī)組變量馬達(dá)轉(zhuǎn)速與高壓壓力，結(jié)果見圖6。

圖6 隨機(jī)風(fēng)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(duì)變量馬達(dá)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，轉(zhuǎn)速波動(dòng)幅度在10 r/min左右，無法達(dá)到發(fā)電機(jī)并網(wǎng)轉(zhuǎn)速的控制需求，而系統(tǒng)壓力的波動(dòng)值是0.25 MPa；利用比例節(jié)流閥進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，壓力波動(dòng)幅度達(dá)到0.2 MPa，變量馬達(dá)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)不超過±2 r/min，相對(duì)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(dá)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)轉(zhuǎn)速控制方案及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析，取得如下結(jié)果：

(1)測(cè)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(cè)定量泵的轉(zhuǎn)速，將最終控制信號(hào)輸入系統(tǒng)并對(duì)結(jié)果進(jìn)行跟蹤，實(shí)現(xiàn)在自然風(fēng)速下精確調(diào)節(jié)變量馬達(dá)轉(zhuǎn)速的效果。

(2)平穩(wěn)風(fēng)速和隨機(jī)風(fēng)速下并網(wǎng)轉(zhuǎn)速試驗(yàn)結(jié)果表明：綜合運(yùn)用比例節(jié)流閥與變量馬達(dá)調(diào)節(jié)可以使系統(tǒng)壓力波動(dòng)幅值達(dá)到0.1 MPa，顯著降低變量馬達(dá)的轉(zhuǎn)速高頻波動(dòng)幅度，滿足風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)轉(zhuǎn)速控制要求。

(3)平穩(wěn)風(fēng)速和隨機(jī)風(fēng)速下并網(wǎng)轉(zhuǎn)速試驗(yàn)結(jié)果表明：比例節(jié)流閥調(diào)節(jié)下壓力波動(dòng)幅度達(dá)到0.2 MPa，變量馬達(dá)轉(zhuǎn)速波動(dòng)不超過±2 r/min，具有很高的控制精度。