波浪能發(fā)電裝置液壓模擬測試技術(shù)研究

王項南，劉華江，段云棋

（國家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

波浪能發(fā)電裝置液壓模擬測試技術(shù)研究

王項南，劉華江，段云棋

（國家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

文中針對波浪能發(fā)電裝置液壓系統(tǒng)測試需要，介紹了液壓系統(tǒng)測試平臺的研制工作。該平臺采用由電液伺服閥和比例壓力閥組成的液壓系統(tǒng)模擬波浪能發(fā)電裝置在波浪作用下往復(fù)運動，實現(xiàn)測試液壓系統(tǒng)工作性能。建立系統(tǒng)傳遞函數(shù)，分析了系統(tǒng)穩(wěn)定性；通過計算仿真分析，其結(jié)果表明所設(shè)計的波浪能發(fā)電裝置液壓檢測平臺能夠滿足模擬波浪輸入條件的要求。

波浪能發(fā)電裝置；液壓系統(tǒng)；波浪模擬；測試平臺

為緩解能源短缺帶給社會發(fā)展的制約，尋找可再生能源作為補充或替代能源已成為全球共識。波浪能發(fā)電技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用有利于緩解世界所面臨的能源短缺、溫室氣體及大氣污染等各種問題帶來的壓力。此外，開發(fā)利用海洋波浪能對于解決我國偏遠沿海和海島地區(qū)供電問題意義重大[1]。

波浪能的利用是包括能量俘獲、傳遞及多種形式相互轉(zhuǎn)換的復(fù)雜過程，影響系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率的環(huán)節(jié)和因素較多[2-3]。波浪能發(fā)電裝置設(shè)計、加工完成后，在實驗室內(nèi)對其液壓傳動系統(tǒng)進行工作性能測試和分析，以此為依據(jù)進行系統(tǒng)改進和優(yōu)化，可使系統(tǒng)的工作性能達到比較理想的狀態(tài)且節(jié)約成本。因此，為規(guī)范和引導(dǎo)波浪能利用技術(shù)的開發(fā)工作，相關(guān)的測試方法和模擬測試技術(shù)研究工作是十分有必要的。

1 波浪能發(fā)電裝置液壓系統(tǒng)測試方法

多數(shù)波浪能發(fā)電裝置液壓系統(tǒng)采用液壓缸作為能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，液壓缸在波浪作用下往復(fù)運動，如圖1所示為擺式波浪能發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)原理，圖2為擺板在波浪作用下運動規(guī)律，液壓缸活塞腔容積變化為液壓系統(tǒng)提供高壓油，液壓系統(tǒng)帶動發(fā)電機發(fā)電。波浪能發(fā)電裝置需布放到海上工作，調(diào)試?yán)щy，針對波浪能發(fā)電裝置液壓系統(tǒng)的工作特性研制測試平臺，為液壓系統(tǒng)提往復(fù)運動動力源，測試液壓系統(tǒng)工作性能。

圖1 擺式波浪能發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)原理圖

圖2 擺板運動曲線

圖3 波浪能液壓系統(tǒng)測試平臺系統(tǒng)組成

波浪能液壓傳動系統(tǒng)綜合檢測平臺系統(tǒng)包括：輸入模擬裝置、安裝平臺、模擬負載裝置、控制系統(tǒng)。測試平臺系統(tǒng)采用液壓站驅(qū)動液壓缸作為動力源，液壓缸驅(qū)動測試平臺推板帶動液壓缸往復(fù)運動。波浪能發(fā)電裝置液壓系統(tǒng)為被測液壓系統(tǒng)，由被測試發(fā)電裝置研制方提供，輸入端為液壓缸，輸出端為液壓馬達，實現(xiàn)機械能—液壓能—機械能的轉(zhuǎn)換[2]。

被測系統(tǒng)液壓缸安裝在測試平臺上，液壓馬達輸出軸連接轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器和磁粉制動器。被測系統(tǒng)將測試平臺輸入的機械能轉(zhuǎn)換為液壓能，再經(jīng)過液壓馬達轉(zhuǎn)換為機械能。磁粉制動器根據(jù)電磁原理利用磁粉產(chǎn)生阻力轉(zhuǎn)矩的，阻力轉(zhuǎn)矩與激磁電流基本成線性關(guān)系。液壓馬達輸出軸與制動器之間安裝有轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器，可以采集液壓馬達的輸出參數(shù)。液壓伺服閥和加載裝置信號由計算機通過驅(qū)動模塊輸出，實現(xiàn)對液壓缸運動速度和液壓馬達負載轉(zhuǎn)矩的控制、調(diào)節(jié)。試驗臺輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡傳遞到計算機，計算機軟件可以對采集的各種數(shù)據(jù)進行處理和分析。

將液壓模擬測試裝置的輸入輸出端與被測液壓系統(tǒng)連接，根據(jù)被測液壓系統(tǒng)生產(chǎn)廠家提供的液壓缸及馬達工作特性參數(shù)（行程、工作壓力、缸徑，發(fā)電機扭矩等），計算出模擬輸入、輸出裝置的相應(yīng)參數(shù)，設(shè)定采樣頻率，啟動模擬輸入裝置。波能裝置運行平穩(wěn)后，利用扭矩儀測量波浪能轉(zhuǎn)換輸出的扭矩和轉(zhuǎn)速。處理試驗數(shù)據(jù)，計算波能功率、轉(zhuǎn)換效率及系統(tǒng)運行特性，得出波浪能俘獲裝置的轉(zhuǎn)換效率及相應(yīng)狀態(tài)參數(shù)。

2 測試系統(tǒng)設(shè)計

建立波浪能液壓傳動系統(tǒng)檢測平臺如圖4所示，根據(jù)波浪能發(fā)電裝置液壓系統(tǒng)確定液壓系統(tǒng)檢測平臺的特征參數(shù)。平臺需要為被測系統(tǒng)液壓缸提供可控的動力源，測試平臺采用伺服閥控制驅(qū)動液壓缸來為被測系統(tǒng)提供驅(qū)動力。驅(qū)動液壓缸推動測試平臺滑塊移動，帶動被測液壓系統(tǒng)液壓缸活塞桿左右運動，使波浪能發(fā)電裝置液壓系統(tǒng)工作。液壓缸驅(qū)動形式液壓系統(tǒng)測試平臺模擬波浪能發(fā)電裝置的第一級能量轉(zhuǎn)換機構(gòu)，其運動形式與往復(fù)式波浪能發(fā)電裝置的液壓油缸運動形式相同，因此可以作為模擬輸入能量源。根據(jù)被測波浪能發(fā)電裝置在不同波浪條件和負載條件下的工作條件，推算其液壓缸運動周期、速度等工作參數(shù)作為測試平臺的輸入?yún)?shù)。

圖4 測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

該液壓系統(tǒng)由液壓缸、伺服閥、伺服放大器、位移傳感器及負載構(gòu)成。伺服閥傳遞函數(shù)為：

式中：Kav為伺服閥增益；ωav為伺服閥固有頻率；ζav為伺服閥阻尼比[5-6]。

對稱閥控非對稱液壓缸動力機構(gòu)傳遞函數(shù)為：

由圖可求得閥控缸位置控制系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為：

系統(tǒng)參數(shù)為：A1=9.5×10-3m2，A2=2.37×10-3m2，ωsv=600 rad/s，ζsv=0.7，βe=6.85×108Pa，Kce1=Kce2=0.46×10-9

圖5 液壓系統(tǒng)傳遞函數(shù)圖

在y＞0和y＜0的情況下，存在動態(tài)不對稱性。當(dāng)y＞0時，其幅值裕度為Kg=4.28 dB，相位裕度γ= 80.2°；當(dāng)y＜0時，其幅值裕度為Kg=5.44 dB，相位裕度γ=81.6°，該系統(tǒng)是穩(wěn)定的[5-7]。

圖6 系統(tǒng)伯德圖

2.2 系統(tǒng)工作性能仿真分析

經(jīng)過對試驗臺液壓系統(tǒng)簡化，建立系統(tǒng)模型[4,8]。設(shè)定負載為阻尼C=105N/(m/s)，液壓缸在波浪作用下大致為周期5 s，行程0.3 m的往復(fù)運動。根據(jù)模擬負載設(shè)定壓力閥壓力值，將給定信號和液壓缸位置反饋信號進行PID處理得到伺服閥輸入信號，計算得到液壓缸運動位移曲線。位置誤差在0.05 m以內(nèi)，可以達到模擬實驗要求。

圖7 液壓系統(tǒng)模型仿真結(jié)果

3 結(jié)語

本文根據(jù)海洋波浪能發(fā)電裝置液壓系統(tǒng)測試需求，設(shè)計了海洋波浪能發(fā)電裝置液壓系統(tǒng)測試平臺的方案，該平臺可以對波浪能發(fā)電裝置的液壓系統(tǒng)工作性能進行測試，為波浪能發(fā)電裝置測試平臺研制和相關(guān)工作具有一定指導(dǎo)意義。

[1]曲泉鈾,何宏舟.波浪能發(fā)電技術(shù)的研究現(xiàn)狀與展望[C]//第一屆中國海洋可再生能源發(fā)展年會暨論壇,北京,2012:151-157.

[2]李建心.一種用于海浪發(fā)電機的液壓系統(tǒng)設(shè)計[J].液壓與氣動,2008(4):25-26.

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[6]管成,朱善妥.液壓位置跟蹤系統(tǒng)的多級反演自適應(yīng)控制[J].機床與液壓2004(7):47-49,94.

[7]高桃桃,韓慶瑤,程穎,等.兆瓦級風(fēng)機電液比例變槳距系統(tǒng)建模及穩(wěn)定性分析[J].機床與液壓2012,40(11):1-7.

[8]梁全,蘇齊瑩.液壓系統(tǒng)AMESim計算機仿真指南[M].北京:機械工業(yè)出版社.2014.

Study on the Hydraulic Simulation System for Wave Energy Converters

WANG Xiang-nan,LIU Hua-jiang,DUAN Yun-qi
National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China

Aimed at meeting the need of hydraulic transmission system testing for wave energy converters,the detecting bench of wave energy converters is designed and introduced in this paper.The hydraulic simulation system provides the wave energy converter with a hydraulic system reciprocating motion simulating the wave environment to test the wave energy converter.This paper analyzes the stability of the hydraulic simulation system with transfer function.The computational simulation of the hydraulic system is carried out,which indicates that the detecting bench of wave energy converters can be used for testing the wave energy converter hydraulic system.

wave energy converter;hydraulic transmission system;wave simulation system;testing platform

P743.2

A

1003-2029（2017）04-0030-04

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.04.006

2017-04-12

海洋可再生能源專項資金資助項目(GHME2014ZC01)

王項南(1965-)，男，研究員，主要研究方向為波浪能開發(fā)利用技術(shù)。E-mail:notckj@vip.sina.com