液壓型風力發電機恒轉速控制的研究

, , , 　(1.蘭州理工大學 能源動力學院， 甘肅 蘭州　730050； 2.蘭州理工大學 溫州泵閥研究院， 浙江 溫州　325105)

引言

能源是人類賴以生存和發展的物質基礎，而如今風能已經成為清潔可再生能源的代表，風力發電逐漸走進人們的視野。傳統的風力發電機按照轉速的不同，風力發電機類型可分為定轉速、受限變轉速和變轉速三種。在變速風力發電機中，兩種最有競爭能力的結構形式是異步電機雙饋式和永磁同步電機直接驅動式機。直驅式風力發電裝置，采用低速永磁同步發電機，發電機直徑大、重量大、制造成本高，安裝難度大。而液壓型風力發電機通過調節泵和馬達組成容積調速回路，提高系統的效率，降低了制造成本，且易于安裝。

1　液壓型風力發電機的整體結構

本研究所用液壓型風力發電裝置結構如圖1所示。

圖1液壓型風力發電機的組成框圖

該裝置包括風力傳動部分、液壓傳動部分以及發電部分。風力傳動部分包括風力發電機葉輪和輪轂。葉片輪轂連接齒輪箱，風力機軸的轉速通過齒輪箱增至定量泵所需的額定轉速，定量泵正常工作之后帶動變量馬達工作，馬達與發電機連接，將液壓能轉化為電能，最終達到發電機正常工作所需的轉速。

2　恒轉速控制

2.1　液壓型風力發電機的工作原理

1、10.油箱　2.溢流閥　3.補油泵　4.過濾器　5.安全閥 6.定量泵　7.齒輪增速箱　8.單向閥　9.蓄能器　11.比例閥 12.變量柱塞　13.測速電機　14.變量馬達 圖2　液壓傳動風力發電機的工作原理圖

蓄能器9在這里主要起節能作用，當風速突然增大時，蓄能器可以儲存一部分能量，吸收系統中產生的流量脈動和沖擊，當風速突然減小時，蓄能器給系統補充一部分能量。溢流閥5設定一個溢流壓力，當風速特別大的時候，油液通過溢流閥進行溢流，保證系統安全運行。由于系統有泄漏，所以增加補油泵3，以補充系統的泄漏。

2.2　建立系統數學模型

1) 閥控液壓缸

該機構是用電液伺服閥控制的液壓缸，當外部不加信號時，變量馬達的斜盤傾角保持不變利用缸的流量連續性方程、滑閥的線性化方程、液壓缸空載的力平衡方程可推導出液壓缸輸出量xp關于給定輸入量xv的傳遞函數：

(1)

式中:ωh—— 液壓固有頻率

ζh—— 液壓阻尼比

Ap—— 為液壓缸活塞的有效面積

kq—— 閥在穩定工作點附近的流量增益

2) 活塞-斜盤傾角

變量機構中變量柱塞的位置與馬達的排量調節系數一一對應。從柱塞位移到泵的擺角之間的傳遞函數為:

(2)

式中：kε—— 為變量馬達斜盤傾角系數

γ—— 變量馬達斜盤傾角

xp—— 柱塞輸出量

3　不同定量泵轉速對變量馬達恒轉速輸出的影響

AMESim是學科領域復雜系統建模與仿真平臺，具有復雜液壓元件結構參數化的功能模塊。 利用AMESim軟件建模如圖3所示，表1各元件設置參數。運用AMESim里面的液壓庫，機械庫和信號庫，簡化了系統原理模型， 用函數f(x)代替了原理圖中電液反饋部分，使定量泵轉速與變量馬達的斜盤傾角存在某種函數關系，使其能達到恒轉速調節的目的。

圖3　AMESim仿真圖

表1　各元件設置參數

根據流量反饋原理：

(3)

式中：np—— 為定量泵轉速(r/min)

vp—— 定量泵排量(mL/r)

r—— 變量馬達要求輸出轉速，該方案中為1500 r/min

vm—— 變量馬達最大排量(mL/r)

當定量泵轉速分別為850 r/min，1000 r/min、1100 r/min 時，對應馬達轉速輸出曲線分別如圖4～圖6所示。其中給定的轉速信號持續時間為3 s。

圖4　定量泵轉速850 r/min

圖5　定量泵轉速1000 r/min

圖6　定量泵轉速1100 r/min

當定量泵轉速為850 r/min時，馬達轉速最終穩定時系統沒有超調量，定量泵轉速為1000 r/min時，此時系統存在超調量，但與圖4相比，系統調節時間較短。當定量泵轉速1100 r/min時，系統超調量明顯比定量泵轉速1000 r/min時要高。定量泵轉速不同時，之所以會出現如圖4～圖6的曲線變化，是因為變量馬達存在一個斜盤傾角基準值，此基準值是由轉速為理想轉速1000 r/min計算而來的，因此在定量泵轉速在臨近1000 r/min上下波動時，馬達轉速曲線會呈現不同的變化。離基準值越近，變量馬達斜盤傾角需要調整的幅度越小，系統越容易穩定，超調量也越小。定量泵轉速超過基準值時，系統超調量上升，震蕩較大，馬達轉速低于基準值時，系統沒有超調量，但調節時間較長。

4　結論

(1) 通過對液壓型風力發電機液壓傳動部分的研究，提出了定量泵控變量馬達的設計方案，克服了傳統發電裝置體積龐大，制造成本高的缺點；

(2) 通過AMESim仿真模型的建立，可以模擬泵控馬達的調節過程，調節結果都可以實現變量馬達的恒轉速控制。定量泵轉速越接近設定值，馬達最終調節到恒轉速的時間越短，超調量也較小。這對以后研究如何加快恒轉速系統的調節時間和提高穩定性提供了參考。

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