液壓型風(fēng)力發(fā)電機組低電壓穿越過程主傳動系統(tǒng)瞬態(tài)特性研究*

艾 超，孔祥東*，閆桂山，華玉蘭，宋 豫

(1.燕山大學(xué)河北省重型機械流體動力傳輸與控制實驗室，河北秦皇島066004;2.燕山大學(xué)先進鍛壓成形技術(shù)與科學(xué)教育部重點實驗室，河北秦皇島066004;3.燕山大學(xué)機械工程學(xué)院，河北秦皇島066004;4.沈陽新松機器人自動化股份有限公司，遼寧沈陽110000)

0 引 言

液壓型風(fēng)力發(fā)電機組［1-3］(以下簡稱液壓型機組)采用定量泵-變量馬達柔性傳動，配合勵磁同步發(fā)電機，有效地提高了發(fā)電質(zhì)量，降低了機艙重量，降低了對電網(wǎng)的沖擊。

液壓型機組主傳動系統(tǒng)原理為:風(fēng)力機驅(qū)動定量泵輸出高壓油，傳動部分采用定量泵-變量馬達閉式液壓系統(tǒng)，變量馬達與勵磁同步發(fā)電機剛性連接。系統(tǒng)通過控制變量馬達的擺角實現(xiàn)發(fā)電機轉(zhuǎn)速的實時調(diào)整，從而控制發(fā)電機工作于同步轉(zhuǎn)速實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電［4-5］。

其中，低電壓穿越是風(fēng)電機組的一項關(guān)鍵技術(shù)，也是現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機組正常運行的要求，指風(fēng)電場并網(wǎng)點由于電網(wǎng)故障或擾動造成電壓跌落時，風(fēng)電機組能夠保持并網(wǎng)，并通過向電網(wǎng)提供一定的無功功率支撐電網(wǎng)恢復(fù)，最終“穿越”整個低電壓時間(區(qū)域)［6-8］。

與傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機組一樣，液壓型風(fēng)力發(fā)電機組需要具備低電壓穿越能力。液壓型機組在低電壓穿越過程中，為保證發(fā)電機穩(wěn)定工作于工頻轉(zhuǎn)速保持并網(wǎng)，液壓主傳動系統(tǒng)需要對其功率、壓力等瞬態(tài)特性進行快速調(diào)整。因此，液壓主傳動系統(tǒng)瞬態(tài)特性在低電壓穿越過程具有重要作用。

國內(nèi)外學(xué)者［9-11］對液壓系統(tǒng)瞬態(tài)特性開展了一些了研究，但針對低電壓穿越過程中液壓主傳動系統(tǒng)瞬態(tài)特性研究的文獻鮮見，未形成成熟的研究體系。因此，有必要對液壓型機組低電壓穿越過程主傳動系統(tǒng)瞬態(tài)特性展開研究。

本研究針對液壓型機組低電壓穿越過程，重點研究其主傳動系統(tǒng)瞬態(tài)特性。

1 液壓型機組液壓主傳動系統(tǒng)瞬態(tài)模型及分析

液壓型機組主傳動系統(tǒng)由定量泵-變量馬達閉式容積回路組成，其原理如圖1所示。

圖1 定量泵-變量馬達閉式回路原理圖

液壓型機組在低電壓穿越過程中，為保證發(fā)電機穩(wěn)定工作于工頻轉(zhuǎn)速保持并網(wǎng)，液壓主傳動系統(tǒng)需要對其功率、壓力等瞬態(tài)特性進行快速調(diào)整。因此本研究建立液壓主傳動系統(tǒng)定量泵-變量馬達數(shù)學(xué)模型［12］，得出液壓主傳動系統(tǒng)瞬態(tài)特性。

定量泵轉(zhuǎn)速瞬態(tài)傳遞函數(shù)為:

式中:θp—定量泵轉(zhuǎn)速，rad/s;Dp—定量泵的輸出排量，m3/r;γ—變量馬達斜盤傾角與其最大傾角比值，γ0—γ的初始值;Dm0—變量馬達的最大排量，m3/rad;Km—變量馬達排量梯度，m3/rad;Km0—Km初始值;θm—變量馬達轉(zhuǎn)速，rad/s;θm0—θm的初始值;Ct—總泄漏系數(shù)，m3/(s·Pa);V0—單個腔室的總?cè)莘e，m3;βe—有效體積彈性模量，Pa;Jp—定量泵和負載的總慣量，kg·m2;Bp—泵側(cè)粘性阻尼系數(shù)，N/(m/s);Tp—定量泵的驅(qū)動力矩，N/m。

變量馬達轉(zhuǎn)速瞬態(tài)傳遞函數(shù)為:

式中:Qp—定量泵的輸出流量，m3/rad;Tm—變量馬達軸上的外負載力矩，N/m。

變量馬達輸出功率傳遞函數(shù)為:

式中:ph—高壓管路壓力，Pa;ph0—ph初始值;P—變量馬達輸出功率，W。

當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時，為實現(xiàn)低電壓穿越，液壓型機組通常采用直接控制變量馬達擺角的方法，通過增大變量馬達排量，調(diào)整系統(tǒng)瞬態(tài)壓力ph，使變量馬達輸出功率P迅速降低，從而使定量泵轉(zhuǎn)速θp提高，將多余的能量儲存到風(fēng)力機中。最終系統(tǒng)通過控制變量馬達轉(zhuǎn)速使發(fā)電機穩(wěn)定工作于工頻轉(zhuǎn)速保持并網(wǎng)，實現(xiàn)低電壓穿越。

2 液壓型機組主傳動系統(tǒng)瞬態(tài)特性仿真研究

本研究以燕山大學(xué)30 kVA液壓型機組實驗系統(tǒng)為基礎(chǔ)，依據(jù)液壓型機組低電壓穿越控制原理，搭建系統(tǒng)仿真平臺。筆者采用AMESim軟件搭建主傳動系統(tǒng)瞬態(tài)特性仿真模塊，利用Matlab/Simulink軟件搭建風(fēng)速與風(fēng)輪特性模塊、低電壓穿越控制器模塊、電力系統(tǒng)模塊，并利用接口技術(shù)實現(xiàn)兩個軟件的聯(lián)合仿真。仿真平臺如圖2、圖3所示，仿真參數(shù)設(shè)定如表1～3所示。

圖2 液壓主系統(tǒng)瞬態(tài)特性仿真模塊

表1 Simulink參數(shù)設(shè)定

表2 AMESim參數(shù)設(shè)定

圖3 液壓型機組低電壓穿越仿真平臺

表3 液壓系統(tǒng)參數(shù)表

2.1 運行工況對主傳動系統(tǒng)瞬態(tài)特性影響

本研究模擬風(fēng)力機典型工況，分別設(shè)置定量泵轉(zhuǎn)速為400 r/min和600 r/min，研究主傳動系統(tǒng)瞬態(tài)特性，仿真結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，隨著定量泵轉(zhuǎn)速增加，變量馬達擺角增大、轉(zhuǎn)速波動增大，系統(tǒng)瞬態(tài)壓力增高。此外，定量泵轉(zhuǎn)速分別設(shè)定為400 r/min和600 r/min時，在變量馬達擺角調(diào)整1 s后，對應(yīng)發(fā)電功率下降幅度分別為12%和16%。可知，在不同工況下，變量馬達擺角初始值設(shè)定和發(fā)電功率響應(yīng)的快速性不同，變量馬達擺角初始值越大，對應(yīng)發(fā)電功率瞬態(tài)響應(yīng)越快。

圖4 不同工況下主傳動系統(tǒng)瞬態(tài)特性仿真結(jié)果

由上述仿真結(jié)果分析可知，在低電壓穿越過程中，本研究根據(jù)不同的電壓跌落深度，通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力，實現(xiàn)了定量泵液壓負載轉(zhuǎn)矩的控制，最終調(diào)整定量泵至最佳轉(zhuǎn)速。

2.2 管道長度對主傳動系統(tǒng)瞬態(tài)特性影響

筆者通過仿真分析管道長度對主傳動系統(tǒng)瞬態(tài)特性的影響規(guī)律，縮短主傳動系統(tǒng)液壓管路長度，即減少液壓管路初始容積。設(shè)定定量泵轉(zhuǎn)速為900 r/min時，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同管道長度主傳動系統(tǒng)瞬態(tài)特性仿真結(jié)果

由圖5可知，縮短液壓管路長度、減小液壓管路初始容積，有利于發(fā)電功率的瞬態(tài)響應(yīng)速度的提高，但是變量馬達在擺角快速調(diào)整瞬時，其轉(zhuǎn)速會波動增大(轉(zhuǎn)速波動是在電力系統(tǒng)允許范圍內(nèi)的)。因此，在主傳動系統(tǒng)定量泵-變量馬達閉式回路中，縮短管路長度有利于發(fā)電功率快速響應(yīng)。

依據(jù)上述分析，本研究對主傳動液壓系統(tǒng)管路進行優(yōu)化，分別縮短高、低壓管路，優(yōu)化后對系統(tǒng)頻域特性進行分析，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 主傳動系統(tǒng)壓力特性頻域仿真結(jié)果

由圖6可知，在幅值為 -3 dB時，頻寬 ωb=76.2 rad/s≈12.1 Hz，即縮短液壓管路后，系統(tǒng)壓力特性響應(yīng)速度較快，在低電壓穿越過程中可迅速調(diào)整至設(shè)定值。

由上述仿真結(jié)果分析可知，為實現(xiàn)低電壓穿越，液壓型機組在工程推廣過程中，在滿足機組液壓系統(tǒng)安裝的前提之下，應(yīng)該盡量縮短液壓管道長度，提高液壓型機組的低電壓穿越控制能力。

3 結(jié)束語

本研究通過數(shù)學(xué)模型和仿真分析，研究液壓型機組低電壓穿越過程主傳動系統(tǒng)瞬態(tài)特性。主要得到以下結(jié)論:

(1)建立了低電壓穿越過程液壓主傳動系統(tǒng)的瞬態(tài)模型;

(2)給出了定量泵轉(zhuǎn)速與主傳動系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)的作用規(guī)律，即提高量泵轉(zhuǎn)速有利于系統(tǒng)的快速響應(yīng)。為不同運行工況下低電壓穿越的控制方法提供了參考依據(jù);

(3)提出了管道長度對主傳動系統(tǒng)發(fā)電功率響應(yīng)的影響規(guī)律，即縮短管道長度有利于發(fā)電功率的快速調(diào)整。為低電壓穿越控制中液壓系統(tǒng)管路優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

［1］DIEPEVEEN N F B，SEGEREN M L A.Stretching the applicability of the monopile by using a delft offshore turbine［J］.Wind Energy，2012，5(3):1-10.

［2］李 偉，涂 樂，林勇剛.風(fēng)力發(fā)電中液壓技術(shù)的應(yīng)用研究［J］.液壓與氣動，2013(3):1-8.

［3］MORTENSEN K A，HENRIKSEN K H.Efficiency Analysis of a Radial Piston Pump Applied in a 5MW Wind Turbine with Hydraulic Transmission［D］.Denmark:Aalborg University，2011.

［4］孔祥東，艾 超，王 靜.液壓型風(fēng)力發(fā)電機組主傳動控制系統(tǒng)綜述［J］.液壓與氣動，2013(1):1-7.

［5］李 金，袁 巍.對轉(zhuǎn)風(fēng)力機的設(shè)計及流場數(shù)值模擬［J］.流體機械，2013，41(5):22-28.

［6］SONG Z F，XIA C L，SHI T N.Assessingtransient response of DFIG based wind turbines duringvoltage dips regarding main flux saturation and rotordeep-bar effect［J］.Applied Energy，2010，87(10):3283-3293.

［7］國家電網(wǎng)公司.Q/GDW392-2009，風(fēng)電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定［S］.北京:中國電力出版社，2009.

［8］ABDEL B O，NASIRI A.A dynamic LVRT solution fordoubly fed induction generators［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2010，25(1):193-196.

［9］蔣 丹，李松晶，包 鋼.伴隨氣泡和氣穴低壓管路瞬態(tài)的建模與分析［J］.航空動力學(xué)報，2007，22(12):2602-2607.

［10］李 軍，陳 明，趙懷軍.液壓脈沖系統(tǒng)的壓力瞬態(tài)脈動仿真研究［J］.機床與液壓，2007，35(1):122-124.

［11］GIACOBBO F，MARSEGUERRA M，ZIO E.Solving the inverse problem of parameter estimation by genetic algorithms the case of a groundwater contaminant transport model［J］.Annals of Nuclear Energy，2002，29(4):967-981.

［12］張 剛.液壓型風(fēng)力發(fā)電機組主傳動系統(tǒng)功率控制研究［D］.秦皇島:燕山大學(xué)機械工程學(xué)院，2012.