一種新型自穩速機構的概念設計與仿真

蘇　睿　芮曉明　武　鑫

華北電力大學,北京,102206

一種新型自穩速機構的概念設計與仿真

蘇睿芮曉明武鑫

華北電力大學,北京,102206

提出了一種新型自穩速機構,以用于風力發電機的恒頻輸出。從運動學原理的角度對傳統反饋調節穩速機構與新型自穩速機構進行了對比分析。利用Simulink建立了具有不同穩速機構的風電系統模型，以FAST仿真獲得的風輪時變轉速為模型輸入,在相同輸入條件下對兩種穩速機構的輸出轉速進行了比較。仿真結果表明:新型自穩速機構的穩速效果優于傳動反饋調節穩速機構。

差動輪系；差速器；穩速；仿真

0　引言

國內外研究者采用可連續變速的風電傳動系統方案,使輸入發電機的機械轉速穩定,從而產生頻率恒定的電流[1-4],以解決風電系統輸出電流的諧波成分高等問題[5]。Idan等[1]提出了基于差動輪系和變速電動機的反饋調速機構方案,并對采用該方案的風電傳動系統進行了運動學分析。Zhao等[2]對該反饋調速方案中的電機控制方法進行了研究。Claudio等[3]對比分析了采用帶傳動和齒輪傳動的反饋調速風電傳動方案。穆安樂等[4]研究了基于反饋調速的風電系統各轉軸的角速度匹配關系。上述反饋調速機構方案中,傳感器需實時采集信號,并將采集到的信號反饋到控制器。控制器參考該信號發出指令以改變調速元件的轉速，從而調節輸出轉速至穩定。

筆者提出一種新型自穩速機構[6],在系統變速輸入的情況下，無需信號采集和反饋控制系統，利用差動輪系和差速器，配合恒轉速電動機，實現輸出轉速穩定。對采用反饋調節穩速機構和自穩速機構的風電系統進行了仿真，并對兩種穩速機構的輸出轉速進行了比較以分析穩速效果。

1　總體構成說明

1.1差動輪系中各構件轉速關系

差動輪系基本結構如圖1所示，其構件轉速滿足下述關系式：

nT+unQ-(1+u)nJ=0

(1)

式中,nT為太陽輪轉速;nQ為齒圈轉速;nJ為輪架轉速;u為輪系的結構參數,數值上等于齒圈與太陽輪的齒數比。

圖1　差動輪系基本結構圖

由式(1)可知,如果輪架、太陽輪、齒圈中的兩者具有確定的轉速輸入，則第三構件的輸出轉速根據式(1)確定。

差速器為結構參數u=1的特殊差動輪系的基本結構如圖2所示，其構件轉速滿足下述關系式：

nL+nR=2nK

(2)

式中,nL為左輪轉速;nR為右輪轉速;nK為殼體轉速。

圖2　差速器基本結構圖

1.2傳統的反饋調節穩速機構

(3)

使太陽輪輸出穩定的目標轉速。

圖3　傳統反饋控制調節穩速機構示意圖

傳統反饋控制調節穩速機構的調速方案為：控制器根據采集的轉速信號，按式(3)計算得到齒圈所需要的轉速，并相應調節變頻電源的供電頻率，變速電動機輸出與時變轉速一一對應的調速轉速以驅動齒圈，使太陽輪轉速穩定。

1.3新型自穩速機構

相對于傳統反饋調節穩速方案，新型自穩速方案主要特征在于：免去了較復雜的信號采集/控制裝置，需實時調節的變頻電源和變速電動機替換為無需實時控制的恒頻電源和恒速電動機，并添加了差速器和齒輪對，方案如圖4所示。

圖4　新型自穩速機構示意圖

系統時變輸入轉速nJ通過平行軸齒輪對同時傳遞到差動輪系的輪架和差速器的左輪，差速器的右輪由恒速電動機以常值轉速nM驅動旋轉,差速器的殼體與差動輪系的齒圈以齒輪嚙合的形式連接，差動輪系的太陽輪為系統輸出端。齒輪對傳動比為iCLD,殼體與齒圈傳動比為iKQ。

為使差動輪系太陽輪轉速穩定,差動輪系齒圈轉速nQ應滿足式(3),則驅動齒圈的差速器殼體轉速nK應滿足下式：

(4)

(5)

(6)

式(5)所示為左輪轉速nL與時變輸入轉速nJ的關系,應將傳動比iCLD與傳動比iKQ按下式進行選值:

(7)

電動機的常值轉速按式(6)設定。

時變輸入轉速nJ經過傳動比為iCLD的齒輪對變速后,驅動差速器左輪旋轉,電動機驅動差速器右輪以常值轉速nM旋轉,疊加后的殼體轉速等效于傳統反饋控制調節的變速電動機的轉速。

2　仿真分析

將傳統反饋調節穩速機構用于風力發電傳動系統，在時變風速的驅動下，風輪以時變轉速旋轉，風輪轉速經增速箱提速后驅動差動輪系的輪架旋轉，差動輪系的齒圈由變速電動機驅動，差動輪系的太陽輪與同步發電機轉子連接。傳統反饋調節穩速機構的調速過程為：采集輪架時變轉速信號后,按式(3)計算得到齒圈所需要的轉速，相應調節變頻電源的供電頻率，使變速電動機驅動齒圈以特定的轉速運行，通過齒圈調節太陽輪轉速至穩定，從而使同步發電機恒頻輸出。

將新型自穩速機構用于風力發電傳動系統,在時變風速的驅動下,風輪經增速箱傳遞時變轉速到圖4所示自穩速機構的平行軸齒輪對，太陽輪連接同步發電機。新型自穩速機構的調速過程為：按式(7)設置平行軸齒輪對傳動比iCLD、殼體與齒圈傳動比iKQ,并按式(6)設置恒速電動機的常值轉速。根據式(2)、式(4)，利用差速器的轉速疊加功能，使自穩速機構中差速器殼體的轉速等效于反饋調節機構中變速電動機的轉速，從而使差動輪系的太陽輪轉速穩定，與太陽輪相連的同步發電機轉子的轉速亦穩定。

為對比傳統反饋調節穩速機構和新型自穩速機構的調速效果，對采用上述兩種穩速機構的風力發電傳動系統進行了仿真(模型采用相同的輸入便于對比分析)，其建模方案為：在時變風速的驅動下，風輪經增速箱提速后，輸入時變轉速到不同的穩速機構，穩速機構驅動各自的發電機運行，如圖5所示。

圖5　用于對比分析的建模方案

2.1FAST仿真輸入轉速

FAST軟件由美國國家可再生能源實驗室開發,可以對風電機組工作狀態進行仿真[7]。采用此軟件模擬了風電機組在不同風速下的風輪轉速。取平均風速為9 m/s、12 m/s、15 m/s和18 m/s,并設置20%的湍流強度。仿真的風速如圖6所示，風輪轉速如圖7所示。

圖6　FAST仿真的風速

圖7　FAST仿真的風輪轉速

2.2SIMULINK仿真輸出轉速

設置機構參數:差動輪系結構參數u=3,同步發電機額定轉速為1500 r/min。自穩速機構的參數如下:單級齒輪傳動比iCLD=6,iKQ=4,電動機常值轉速nM=1000 r/min,方向與輸入轉速相反。為反饋調節穩速機構設計PID控制器和變頻器[8]。利用Simulink軟件按圖5所示方案搭建仿真模型[9],用FAST軟件仿真風輪轉速作為模型輸入,仿真時間為30 s。

在圖6所示不同平均風速下,反饋調節穩速機構和自穩速機構輸入同步發電機的轉速如圖8～圖11所示,并將25～30 s的曲線放大,以便于分析。

圖8　平均風速9 m/s時,同步發電機的轉速

圖9　平均風速12 m/s時,同步發電機的轉速

圖10　平均風速15 m/s時,同步發電機的轉速

圖11　平均風速18 m/s時,同步發電機的轉速

相對于傳統反饋調節穩速機構,自穩速機構在啟動時能較快地上升到目標轉速1500 r/min,根據圖8～圖11中的局部放大圖可知，自穩速機構輸出轉速偏差在±1 r/min范圍內,而反饋調節穩速機構的輸出轉速比目標轉速大,在1502 r/min以上波動，相對于目標轉速的偏差為2～10 r/min。

3　結語

對傳統反饋調節穩速機構和新型自穩速機構進行了比較分析。自穩速機構無需信號采集/處理系統，依靠剛性傳動的齒輪對將輸入轉速的時變特征傳遞到差速器，利用差速器和恒轉速電動機對差動輪系進行調節，使輸出轉速穩定。

比較發電機轉速圖可知，自穩速機構輸出轉速偏差低、精度高、波動小，具有良好的穩速效果。但在實際工程應用中，結構形式還可進一步完善。

[1]Idan M,Lior D.Continuously Variable Speed Wind Turbine Transmission Concept and Robust Control[J].Wind Energy,2000,24(3):151-167．

[2]Zhao X，Maiber P．A Novel Power Splitting Drive Train for Variable Speed Wind Power Generator[J]．Renewable Energy，2003，28 (13)：2001-2011．

[3]Claudio R，Piero C．W-CVT Continuously Variable Transmission for Wind Energy Conversion System[C]//IEEE Proceeding of Power Electronics and Machines in Wind Applications．Lincoln：PEMWA，2009：1-10．

[4]穆安樂，劉宏昭，張明洪，等．新型變速恒頻風能轉換系統的實現原理與運動學分析[J]. 機械工程學報，2008，44(1)：195-204．

Mu Anle，Liu Hongzhao，Zhang Minghong，et al．Theory and Kinematics Analysis of a Novel Variable Speed Constant Frequency Wind Energy Conversion System[J]．Chinese Journal of Mechanical Engineering，2008，44(1)：195-204．

[5]劉德順，戴巨川，胡燕平，等．現代大型風電機組現狀與發展趨勢[J]. 中國機械工程，2013，24(1):125-135.

Liu Deshun,Dai Juchuan,Hu Yanping,et al.Status and Development Trends of Modern Largescale Wind Turbines[J]. China Mechanical Engineering，2013，24(1)： 125-135．

[6]芮曉明,蘇睿,武鑫,等.基于差速機構自適應調速復合傳動的并網風力發電系統:中國,201210313409.X[P].2013-01-02.

[7]Jason J.FAST User’s Guide[EB/OL].U S:National Renewable Energy Laboratory,2005[2013-01-01].http://wind.nrel.gov/designcodes/simulators/fast/FAST.pdf．

[8]Terryn W.Wind Turbine Design[M].New York:Fer Publishing,2012．

[9]李穎.Simulink動態系統建模與仿真[M].西安:西安電子科技大學出版社,2009.

(編輯張洋)

Conceptual Design and Simulation of a Novel Speed Self-stabilizing Mechanism

Su RuiRui XiaomingWu Xin

North China Electric Power University,Beijing,102206

A speed stabilizing mechanism was introduced for outputing constant frequency current of wind turbine.The traditional feedback adjusting speed stabilizing mechanism and the novel speed self-stabilizing mechanism were contrasted and analyzed from the angle of the kinematics principle.The Simulink models of wind power system with different speed stabilizing mechanisms were built.The time varing speed of wind rotor simulated by FAST software served as the inputs of the model.Two kinds of speed stabilizing mechanisms worked under the same input conditions.The simulation results show that the quality of steady speed from novel speed self-stabilizing mechanism is better than that from traditional feedback adjusting speed stabilizing mechanism.

differential gear train;differential mechanism;speed stabilization;simulation

2014-05-07

中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(13XS07)

TH112.3DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.08.012

蘇睿,男,1988年生。華北電力大學能源動力與機械工程學院博士研究生。主要研究方向為風電傳動調速技術。發表論文5篇。芮曉明,男,1955年生。華北電力大學能源動力與機械工程學院教授、博士研究生導師。武鑫,男,1980年生。華北電力大學能源動力與機械工程學院講師、博士。