一種新型自穩(wěn)速機(jī)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)與仿真

蘇　睿　芮曉明　武　鑫

華北電力大學(xué),北京,102206

一種新型自穩(wěn)速機(jī)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)與仿真

蘇睿芮曉明武鑫

華北電力大學(xué),北京,102206

提出了一種新型自穩(wěn)速機(jī)構(gòu),以用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的恒頻輸出。從運(yùn)動(dòng)學(xué)原理的角度對(duì)傳統(tǒng)反饋調(diào)節(jié)穩(wěn)速機(jī)構(gòu)與新型自穩(wěn)速機(jī)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比分析。利用Simulink建立了具有不同穩(wěn)速機(jī)構(gòu)的風(fēng)電系統(tǒng)模型，以FAST仿真獲得的風(fēng)輪時(shí)變轉(zhuǎn)速為模型輸入,在相同輸入條件下對(duì)兩種穩(wěn)速機(jī)構(gòu)的輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行了比較。仿真結(jié)果表明:新型自穩(wěn)速機(jī)構(gòu)的穩(wěn)速效果優(yōu)于傳動(dòng)反饋調(diào)節(jié)穩(wěn)速機(jī)構(gòu)。

差動(dòng)輪系；差速器；穩(wěn)速；仿真

0　引言

國(guó)內(nèi)外研究者采用可連續(xù)變速的風(fēng)電傳動(dòng)系統(tǒng)方案,使輸入發(fā)電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)速穩(wěn)定,從而產(chǎn)生頻率恒定的電流[1-4],以解決風(fēng)電系統(tǒng)輸出電流的諧波成分高等問題[5]。Idan等[1]提出了基于差動(dòng)輪系和變速電動(dòng)機(jī)的反饋調(diào)速機(jī)構(gòu)方案,并對(duì)采用該方案的風(fēng)電傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。Zhao等[2]對(duì)該反饋調(diào)速方案中的電機(jī)控制方法進(jìn)行了研究。Claudio等[3]對(duì)比分析了采用帶傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)的反饋調(diào)速風(fēng)電傳動(dòng)方案。穆安樂等[4]研究了基于反饋調(diào)速的風(fēng)電系統(tǒng)各轉(zhuǎn)軸的角速度匹配關(guān)系。上述反饋調(diào)速機(jī)構(gòu)方案中,傳感器需實(shí)時(shí)采集信號(hào),并將采集到的信號(hào)反饋到控制器。控制器參考該信號(hào)發(fā)出指令以改變調(diào)速元件的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)速至穩(wěn)定。

筆者提出一種新型自穩(wěn)速機(jī)構(gòu)[6],在系統(tǒng)變速輸入的情況下，無需信號(hào)采集和反饋控制系統(tǒng)，利用差動(dòng)輪系和差速器，配合恒轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。對(duì)采用反饋調(diào)節(jié)穩(wěn)速機(jī)構(gòu)和自穩(wěn)速機(jī)構(gòu)的風(fēng)電系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，并對(duì)兩種穩(wěn)速機(jī)構(gòu)的輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行了比較以分析穩(wěn)速效果。

1　總體構(gòu)成說明

1.1差動(dòng)輪系中各構(gòu)件轉(zhuǎn)速關(guān)系

差動(dòng)輪系基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，其構(gòu)件轉(zhuǎn)速滿足下述關(guān)系式：

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

(1)

式中,nT為太陽輪轉(zhuǎn)速;nQ為齒圈轉(zhuǎn)速;nJ為輪架轉(zhuǎn)速;u為輪系的結(jié)構(gòu)參數(shù),數(shù)值上等于齒圈與太陽輪的齒數(shù)比。

圖1　差動(dòng)輪系基本結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)速輸入，則第三構(gòu)件的輸出轉(zhuǎn)速根據(jù)式(1)確定。

差速器為結(jié)構(gòu)參數(shù)u=1的特殊差動(dòng)輪系的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，其構(gòu)件轉(zhuǎn)速滿足下述關(guān)系式：

nL+nR=2nK

(2)

式中,nL為左輪轉(zhuǎn)速;nR為右輪轉(zhuǎn)速;nK為殼體轉(zhuǎn)速。

圖2　差速器基本結(jié)構(gòu)圖

1.2傳統(tǒng)的反饋調(diào)節(jié)穩(wěn)速機(jī)構(gòu)

(3)

使太陽輪輸出穩(wěn)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)速。

圖3　傳統(tǒng)反饋控制調(diào)節(jié)穩(wěn)速機(jī)構(gòu)示意圖

傳統(tǒng)反饋控制調(diào)節(jié)穩(wěn)速機(jī)構(gòu)的調(diào)速方案為：控制器根據(jù)采集的轉(zhuǎn)速信號(hào)，按式(3)計(jì)算得到齒圈所需要的轉(zhuǎn)速，并相應(yīng)調(diào)節(jié)變頻電源的供電頻率，變速電動(dòng)機(jī)輸出與時(shí)變轉(zhuǎn)速一一對(duì)應(yīng)的調(diào)速轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)齒圈，使太陽輪轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。

1.3新型自穩(wěn)速機(jī)構(gòu)

相對(duì)于傳統(tǒng)反饋調(diào)節(jié)穩(wěn)速方案，新型自穩(wěn)速方案主要特征在于：免去了較復(fù)雜的信號(hào)采集/控制裝置，需實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的變頻電源和變速電動(dòng)機(jī)替換為無需實(shí)時(shí)控制的恒頻電源和恒速電動(dòng)機(jī)，并添加了差速器和齒輪對(duì)，方案如圖4所示。

圖4　新型自穩(wěn)速機(jī)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)時(shí)變輸入轉(zhuǎn)速nJ通過平行軸齒輪對(duì)同時(shí)傳遞到差動(dòng)輪系的輪架和差速器的左輪，差速器的右輪由恒速電動(dòng)機(jī)以常值轉(zhuǎn)速nM驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn),差速器的殼體與差動(dòng)輪系的齒圈以齒輪嚙合的形式連接，差動(dòng)輪系的太陽輪為系統(tǒng)輸出端。齒輪對(duì)傳動(dòng)比為iCLD,殼體與齒圈傳動(dòng)比為iKQ。

為使差動(dòng)輪系太陽輪轉(zhuǎn)速穩(wěn)定,差動(dòng)輪系齒圈轉(zhuǎn)速nQ應(yīng)滿足式(3),則驅(qū)動(dòng)齒圈的差速器殼體轉(zhuǎn)速nK應(yīng)滿足下式：

(4)

(5)

(6)

式(5)所示為左輪轉(zhuǎn)速nL與時(shí)變輸入轉(zhuǎn)速nJ的關(guān)系,應(yīng)將傳動(dòng)比iCLD與傳動(dòng)比iKQ按下式進(jìn)行選值:

(7)

電動(dòng)機(jī)的常值轉(zhuǎn)速按式(6)設(shè)定。

時(shí)變輸入轉(zhuǎn)速nJ經(jīng)過傳動(dòng)比為iCLD的齒輪對(duì)變速后,驅(qū)動(dòng)差速器左輪旋轉(zhuǎn),電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)差速器右輪以常值轉(zhuǎn)速nM旋轉(zhuǎn),疊加后的殼體轉(zhuǎn)速等效于傳統(tǒng)反饋控制調(diào)節(jié)的變速電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

2　仿真分析

將傳統(tǒng)反饋調(diào)節(jié)穩(wěn)速機(jī)構(gòu)用于風(fēng)力發(fā)電傳動(dòng)系統(tǒng)，在時(shí)變風(fēng)速的驅(qū)動(dòng)下，風(fēng)輪以時(shí)變轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速經(jīng)增速箱提速后驅(qū)動(dòng)差動(dòng)輪系的輪架旋轉(zhuǎn)，差動(dòng)輪系的齒圈由變速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，差動(dòng)輪系的太陽輪與同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子連接。傳統(tǒng)反饋調(diào)節(jié)穩(wěn)速機(jī)構(gòu)的調(diào)速過程為：采集輪架時(shí)變轉(zhuǎn)速信號(hào)后,按式(3)計(jì)算得到齒圈所需要的轉(zhuǎn)速，相應(yīng)調(diào)節(jié)變頻電源的供電頻率，使變速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒圈以特定的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，通過齒圈調(diào)節(jié)太陽輪轉(zhuǎn)速至穩(wěn)定，從而使同步發(fā)電機(jī)恒頻輸出。

將新型自穩(wěn)速機(jī)構(gòu)用于風(fēng)力發(fā)電傳動(dòng)系統(tǒng),在時(shí)變風(fēng)速的驅(qū)動(dòng)下,風(fēng)輪經(jīng)增速箱傳遞時(shí)變轉(zhuǎn)速到圖4所示自穩(wěn)速機(jī)構(gòu)的平行軸齒輪對(duì)，太陽輪連接同步發(fā)電機(jī)。新型自穩(wěn)速機(jī)構(gòu)的調(diào)速過程為：按式(7)設(shè)置平行軸齒輪對(duì)傳動(dòng)比iCLD、殼體與齒圈傳動(dòng)比iKQ,并按式(6)設(shè)置恒速電動(dòng)機(jī)的常值轉(zhuǎn)速。根據(jù)式(2)、式(4)，利用差速器的轉(zhuǎn)速疊加功能，使自穩(wěn)速機(jī)構(gòu)中差速器殼體的轉(zhuǎn)速等效于反饋調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中變速電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而使差動(dòng)輪系的太陽輪轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，與太陽輪相連的同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速亦穩(wěn)定。

為對(duì)比傳統(tǒng)反饋調(diào)節(jié)穩(wěn)速機(jī)構(gòu)和新型自穩(wěn)速機(jī)構(gòu)的調(diào)速效果，對(duì)采用上述兩種穩(wěn)速機(jī)構(gòu)的風(fēng)力發(fā)電傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真(模型采用相同的輸入便于對(duì)比分析)，其建模方案為：在時(shí)變風(fēng)速的驅(qū)動(dòng)下，風(fēng)輪經(jīng)增速箱提速后，輸入時(shí)變轉(zhuǎn)速到不同的穩(wěn)速機(jī)構(gòu)，穩(wěn)速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)各自的發(fā)電機(jī)運(yùn)行，如圖5所示。

圖5　用于對(duì)比分析的建模方案

2.1FAST仿真輸入轉(zhuǎn)速

FAST軟件由美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室開發(fā),可以對(duì)風(fēng)電機(jī)組工作狀態(tài)進(jìn)行仿真[7]。采用此軟件模擬了風(fēng)電機(jī)組在不同風(fēng)速下的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速。取平均風(fēng)速為9 m/s、12 m/s、15 m/s和18 m/s,并設(shè)置20%的湍流強(qiáng)度。仿真的風(fēng)速如圖6所示，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速如圖7所示。

圖6　FAST仿真的風(fēng)速

圖7　FAST仿真的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速

2.2SIMULINK仿真輸出轉(zhuǎn)速

設(shè)置機(jī)構(gòu)參數(shù):差動(dòng)輪系結(jié)構(gòu)參數(shù)u=3,同步發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1500 r/min。自穩(wěn)速機(jī)構(gòu)的參數(shù)如下:單級(jí)齒輪傳動(dòng)比iCLD=6,iKQ=4,電動(dòng)機(jī)常值轉(zhuǎn)速nM=1000 r/min,方向與輸入轉(zhuǎn)速相反。為反饋調(diào)節(jié)穩(wěn)速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)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(fēng)輪轉(zhuǎn)速作為模型輸入,仿真時(shí)間為30 s。

在圖6所示不同平均風(fēng)速下,反饋調(diào)節(jié)穩(wěn)速機(jī)構(gòu)和自穩(wěn)速機(jī)構(gòu)輸入同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)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(fēng)速9 m/s時(shí),同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速

圖9　平均風(fēng)速12 m/s時(shí),同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速

圖10　平均風(fēng)速15 m/s時(shí),同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速

圖11　平均風(fēng)速18 m/s時(shí),同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速

相對(duì)于傳統(tǒng)反饋調(diào)節(jié)穩(wěn)速機(jī)構(gòu),自穩(wěn)速機(jī)構(gòu)在啟動(dòng)時(shí)能較快地上升到目標(biāo)轉(zhuǎn)速1500 r/min,根據(jù)圖8～圖11中的局部放大圖可知，自穩(wěn)速機(jī)構(gòu)輸出轉(zhuǎn)速偏差在±1 r/min范圍內(nèi),而反饋調(diào)節(jié)穩(wěn)速機(jī)構(gòu)的輸出轉(zhuǎn)速比目標(biāo)轉(zhuǎn)速大,在1502 r/min以上波動(dòng)，相對(duì)于目標(biāo)轉(zhuǎn)速的偏差為2～10 r/min。

3　結(jié)語

對(duì)傳統(tǒng)反饋調(diào)節(jié)穩(wěn)速機(jī)構(gòu)和新型自穩(wěn)速機(jī)構(gòu)進(jìn)行了比較分析。自穩(wěn)速機(jī)構(gòu)無需信號(hào)采集/處理系統(tǒng)，依靠剛性傳動(dòng)的齒輪對(duì)將輸入轉(zhuǎn)速的時(shí)變特征傳遞到差速器，利用差速器和恒轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)對(duì)差動(dòng)輪系進(jìn)行調(diào)節(jié)，使輸出轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。

比較發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速圖可知，自穩(wěn)速機(jī)構(gòu)輸出轉(zhuǎn)速偏差低、精度高、波動(dòng)小，具有良好的穩(wěn)速效果。但在實(shí)際工程應(yīng)用中，結(jié)構(gòu)形式還可進(jìn)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(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，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(xiàn)代大型風(fēng)電機(jī)組現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]. 中國(guó)機(jī)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(jī)構(gòu)自適應(yīng)調(diào)速復(fù)合傳動(dòng)的并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng):中國(guó),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(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模與仿真[M].西安:西安電子科技大學(xué)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(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)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(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院博士研究生。主要研究方向?yàn)轱L(fēng)電傳動(dòng)調(diào)速技術(shù)。發(fā)表論文5篇。芮曉明,男,1955年生。華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。武鑫,男,1980年生。華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院講師、博士。