液壓型風力發電機組能量傳遞與耗散

液壓型風力發電機組能量傳遞與耗散

艾超1,2閆桂山1孔祥東1,2董彥武1

1.燕山大學河北省重型機械流體動力傳輸與控制實驗室,秦皇島,066004

2.先進鍛壓成形技術與科學教育部重點實驗室(燕山大學),秦皇島,066004

摘要：為分析液壓型風力發電機機組能量轉化機理，針對其能量傳遞與耗散問題展開了研究。將整個機組分解為若干個關鍵子單元，建立機組能量傳遞模型，分析機組能量傳遞變化規律；以能量傳遞模型為基礎，對機組能量耗散進行推導分析，得到機組能量耗散數學模型。將30kV·A液壓型風力發電機組實驗臺作為仿真和實驗基礎，對機組能量傳遞與耗散進行仿真與實驗研究，進而驗證理論分析的準確性。研究結果表明：機組在工作過程中其能量特征狀態發生改變，并存在一定的能耗，整機效率約為65.7%。

關鍵詞：風力發電;液壓傳動;能量傳遞;能量耗散

中圖分類號：TH137;TK83

收稿日期：2015-05-18

基金項目：國家自然科學基金資助項目 (51405423)；國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術研究中心開放課題資助項目(NECSR-201305);燕山大學青年教師自主研究計劃課題資助項目(13LGB005)

作者簡介：艾超,男,1982年生。燕山大學機械工程學院講師。主要研究方向為液壓型風力發電機組。發表論文20余篇。閆桂山,男,1988年生。燕山大學機械工程學院碩士研究生。孔祥東(通信作者),男,1959年生。燕山大學機械工程學院教授、博士研究生導師。董彥武,男,1989年生。燕山大學機械工程學院碩士研究生。

EnergyTransferandDissipationinofHydraulicWindTurbines

AiChao1,2YanGuishan1Kong Xiangdong1,2DongYanwu1

1.HebeiProvincialKeyLaboratoryofHeavyMachineryFluidPowerTransmissionandControl,

YanshanUniversity,Qinhuangdao,Hebei,066004

2.KeyLaboratoryofAdvancedForging&StampingTechnologyandScience

(YanshanUniversity),MinistryofEducationofChina,Qinhuangdao,Hebei,066004

Abstract:Taking a hydraulic wind turbine as the research object, the energy transfer and dissipation were studied for energy conversion mechanism in hydraulic wind turbine. The entire unit was divided into several key sub-units. The energy transfer models were established, and the variation of energy transfer was analyzed. The energy dissipation was derived and analyzed based on energy transfer models, and mathematical models of energy dissipation were obtained. Using 30kVA hydraulic wind turbine simulation platform as the simulation and experimental foundation, simulation and experimental researches of energy transfer and dissipation were carried out.The accuracy of theoretical analyses was verified. The results show that energy feature state is changed during operation, containing a certain energy dissipation, and the overall efficiency is about 65.7%.

Keywords:windpower;hydraulictransmission;energytransfer;energydissipation

0引言

目前風力機組主流機型為齒輪箱傳動型和直驅型[1-2],但液壓型風力發電機組作為一種新型風力發電機型,采用液壓傳動系統實現風力機到發電機之間的能量傳輸，以其傳動靈活、可靠性高、裝機成本低等特點[3-4],在風力發電行業中具有強大的競爭力。

在液壓型風力發電機組中,機組能量傳遞與耗散問題直接決定了整機的效率，一直是國內外學者關注的熱點，也是液壓型風力發電機組的主要研究方向之一。

針對液壓型風力發電機組能量轉化問題，國內外學者分別對機組能量預測評估[5]、能量傳輸響應特性[6]和最佳功率追蹤[7-8]等進行了一系列研究，但尚為對機組能量傳輸與耗散規律進行深入研究。

為此,本文通過建立了定量泵、變量馬達和發電機的能量傳遞模型，并對其能耗規律進行了理論分析和仿真實驗測試,為液壓型風力發電機組實現高效節能、高性能控制提供理論參考和實驗依據。

1機組工作原理及能量傳遞分析

液壓型風力發電機組[9-10]工作原理與能量傳遞如圖1所示。由圖1可知,在分析機組能量傳遞與耗散過程中，可以將其分解為風力機、定量泵、變量馬達、同步發電機和高壓管路5個關鍵子單元。其中，風力機將風能轉化為機械能，并傳遞到定量泵；定量泵將風力機輸出的機械能轉化為液壓能經定量泵-變量馬達液壓調速系統后，傳遞到變量馬達；在液壓能作用下，變量馬達輸出機械能驅動同步發電機旋轉；最終，同步發電機將機械能轉化為電能而并網發電。

圖1　機組工作原理及能量傳遞圖

2機組能量傳遞與耗散理論分析

2.1機組關鍵部件數學模型

為研究機組能量傳遞與耗散問題，首先需對機組的關鍵部件風力機、定量泵和變量馬達等進行數學模型分析。

(1)風力機。風力機是整個系統的能量捕獲機構，是機組能量傳遞的源頭。對風力機的輸出功率與轉矩進行數學模型[11]分析,則有

(1)

式中,Pw為風力機輸出功率;ρ為氣流密度;R為葉片半徑;Tw為風力機輸出轉矩;Cp為風能利用系數；ωt為風力機角速度;v為風速。

(2)定量泵。定量泵在風力機驅動下輸出高壓油,其流量連續性方程為

Qp=Dpωp-Ctpph

(2)

定量泵在風力機作用下同軸旋轉,其力矩平衡方程為

(3)

式中,Qp為定量泵輸出流量;Dp為定量泵額定排量;ωp為定量泵角速度;Bp為定量泵側黏性阻尼系數;Jp為定量泵與負載總慣量;Ctp為定量泵泄漏系數;ph為系統壓力。

(3)變量馬達。定量泵輸出高壓油到變量馬達，變量馬達流量連續性方程為

Qm=Dmωm+Ctmph=Kmγωm+Ctmph

(4)

變量馬達同軸驅動發電機旋轉,其力矩平衡方程為

(5)

式中,Qm為變量馬達輸出流量;Dm為變量馬達額定排量;Ctm為變量馬達泄漏系數;ωm為變量馬達角速度;Bm為變量馬達側黏性阻尼系數;Jm為變量馬達與負載總慣量;Km為變量馬達排量梯度;γ為變量馬達擺角與其最大擺角比值;Te為發電機電磁轉矩。

(4)高壓管路。定量泵到變量馬達間高壓管路由于油液壓縮作用，產生的流量方程為

(6)

式中,V0為單個腔室的總容積;βe為有效體積彈性模量。

(5)同步發電機。同步發電機在變量馬達作用下,產生機械旋轉,其機械方程可表示為

(7)

式中,J為發電機轉動慣量;TD為發電機阻尼轉矩;Tm為變量馬達負載轉矩;P為發電功率;ω為發電機電氣角速度;f為發電頻率;p為發電機極對數。

同步發電機定子銅損較小,可忽略不計,其發電功率可近似為電磁功率,則有

P=Teωm

(8)

2.2機組能量傳遞模型

在分析機組能量傳遞與耗散過程中,將風力機能量輸入作為機組能量傳輸的源頭，則定量泵、變量馬達和發電機是機組能量傳輸的基本變換單元，也是連接系統內部各種能量特征狀態的橋梁和紐帶。針對上述能量變換單元，若分別取其輸入輸出端的能量特征狀態進行分析，即可得到該單元的能量傳遞模型。系統能量傳遞狀態如圖2所示。

圖2　機組能量傳遞狀態圖

(1)定量泵能量傳遞模型。由圖2可知,定量泵將風力機輸入機械能特征狀態矢量[Twωp]T轉化為液壓能特征狀態矢量[phQp]T,由式(2)和式(3)可知,定量泵能量傳遞模型為

(9)

式(9)定性表述了定量泵的能量特征狀態變換規律,即從風力機輸入機械能轉化為系統液壓能的傳遞關系。

(2)變量馬達能量傳遞模型。由圖2可知,變量馬達將液壓能特征狀態矢量[phQm]T轉化為機械能特征狀態矢量[Tmωm]T,進而驅動發電機并網發電。由式(4)和式(5)可知，變量馬達能量傳遞模型為

(10)

式(10)定性表述了變量馬達的能量特征狀態變換規律，即從系統液壓能輸入轉化為機械能輸出的傳遞關系。

(3)同步發電機能量傳遞模型。由圖2可知,同步發電機將變量馬達輸入機械能特征狀態矢量[Tmωm]T轉化為電能特征狀態矢量[Pf]T,由式(7)和式(8)可知,同步發電機能量傳遞模型為

(11)

式(11)定性表述了同步發電機的能量特征狀態變換規律,即從變量馬達機械能輸入轉化為機組電能輸出的傳遞關系。

2.3機組能量耗散分析

由液壓系統能量傳遞模型分析可知，若忽略管路沿程能量損失，定量泵、變量馬達和發電機是機組能量損耗的關鍵部件。

下面對機組能量消耗進行具體分析。系統能量流動特性如圖3所示。其中,Pp為定量泵輸出功率，Pp1為定量泵功率損耗，Ph為變量馬達輸出功率,Pm1為變量馬達功率損耗,Pg1為發電機功率損耗。

圖3　機組能量流動狀態圖

由圖3機組能量流動狀態圖可知,風力機輸入能量經定量泵-變量馬達液壓調速系統傳輸并網發電過程中，其主要能耗分別為定量泵功率損耗、變量馬達功率損耗和同步發電機功率損耗,具體分析如下：

(1)定量泵功率損耗。風力機驅動定量泵旋轉，輸入液壓系統功率為Pw(去除機械損失部分)，而定量泵在實際工作過程中存在內泄、氣穴和油液的彈性壓縮等因素，造成其流量存在一定損耗。由定量泵能量傳遞模型聯立式(2)、式(3)可得,定量泵功率損耗為

Pp1=phDpωp(1-ηpv)

(12)

式中,ηpv為定量泵容積效率。

(2)變量馬達功率損耗。變量馬達在高壓油作用下高速旋轉，向發電機輸入機械功率Ph(包含機械損失部分),與定量泵相似,變量馬達工作過程同樣存在一定的流量損耗。由變量馬達能量傳遞模型聯立式(4)和式(5)可得,變量馬達功率損耗為

Pm1=phKmγωm(1-ηmv)

(13)

式中,ηmv為變量馬達容積效率。

(3)同步發電機功率損耗。變量馬達輸入到發電機的機械功率Ph，扣除發電機的機械損耗Pm、鐵損PFe和附件損耗Pad后，通過電磁感應作用，機械能轉化為電能，這部分功率稱為電磁功率，忽略定子銅損，發電機發電功率P即為電磁功率。綜上所述，發電機功率損耗為

Pg1=Pm+PFe+Pad

(14)

3仿真與實驗研究

以燕山大學30kV·A液壓型風力發電機組實驗臺為基礎，針對機組能量傳遞與耗散問題進行仿真和實驗研究。實驗平臺見圖4，實驗平臺由風力機模擬系統、液壓傳動系統和采集與控制系統組成。實驗過程中，采用相似模擬原理，并對風力機轉動慣量進行模擬補償[7]，通過變頻器控制變頻電機模擬風力機特性，可對風力機輸出轉矩、轉速等進行相似模擬。依據實驗臺工作原理，采用MATLAB/Simulink與AMESim 軟件搭建系統仿真平臺進行仿真研究，仿真平臺如圖5所示，參數設定見表1。

(a)液壓系統實物圖

(b)采集與控制系統實物圖 圖4　液壓型風力發電機組實驗平臺

圖5　液壓型風力發電機組仿真平臺

序號名稱參數1風力機轉動慣量(kg·m2)4002定量泵輸出排量(mL/r)633變量馬達最大排量(mL/r)404定量泵轉速輸出范圍(r/min)100～10005發電機與負載轉動慣量(kg·m2)0.456變量馬達恒轉速輸出值(r/min)15007發電機額定電流(A)43.38發電機額定電壓(kV)0.4

對機組能量傳遞與耗散進行仿真和實驗研究,得到仿真實驗曲線如圖6所示。

由圖6仿真和實驗結果可知,如圖6a、圖6b所示,風力機(變頻電機)作為機組能量的源頭,其輸入能量特征狀態為(450±70)r/min波動轉速、(140±20)N·m波動轉矩;由圖6c、圖6d可知,由于定量泵能耗問題，其輸出流量為(30±4)L/min,系統壓力為(12±2)MPa；如圖6f、圖6g所示, 定量泵輸出能量特征狀態經過變量馬達轉化后,變量馬達輸出到發電機的能量特征狀態為(1500±4)r/min波動轉速、(30±2)N·m波動轉矩；如圖6h、圖6i所示，最后同步發電機將上述能量狀態轉化為電能并網發電，具體能量狀態表現為發電功率(4.5±0.2)kW,發電頻率(30±0.2)Hz。

(a)風力機轉速 (b)風力機轉矩(c)定量泵流量

(d)系統壓力 (e)變量馬達流量(f)變量馬達轉速

(g)液壓轉矩 (h)發電功率(i)發電頻率 圖6　機組能量傳遞仿真與實驗圖

綜上所述,風力機能量輸入經定量泵、變量馬達和發電機傳遞過程中，其能量特征狀態發生改變，同時在傳遞過程中能量存在一定的耗散。

為進一步比較，實驗過程中，設定風力機輸出能量標幺值[12]為100%,對圖6實驗結果進行計算，并結合機組能耗分析，可得能量在傳遞過程中各關鍵部件的能量輸出,如圖7所示。

圖7　機組能量耗散圖

由圖7結果可知,當風力機輸出能量為100%時，定量泵輸出能量約為87.6%,變量馬達輸出能量約為68.8%,最終發電功率約為65.7%;則在整個過程中，定量泵能量損耗約為12.4%，變量馬達能量損耗約為18.8%,發電機能量損耗約為3.1%。進一步，機組在能量傳遞過程中存在一定的耗散，主要來源于定量泵-變量馬達液壓傳動系統,最終可知機組能量傳遞的整機效率約為65.7%。

4結論

(1)分析了機組關鍵部件的能量特征狀態，建立了機組能量傳遞模型。

(2) 推導了機組關鍵部件的能耗數學模型，得到了機組能量耗散規律。

(3) 仿真和實驗分析表明，機組在工作過程中，定量泵能量損耗約為12.4%，變量馬達能量損耗約為18.8%，發電機能量損耗約為3.1%，整機效率約為65.7%。

參考文獻:

[1]FahadA,BekirS.ThermoeconomicAnalysisofShroudedWindTurbines[J].EnergyConversion

andManagement,2015,96：599-604．

[2]陳雪峰,李繼猛,程航,等.風力發電機狀態監測和故障診斷技術的研究與進展[J].機械工程學報,2011,47(9):45-52.

ChenXuefeng,LiJimeng,ChengHang,etal.ResearchandApplicationofConditionMonitoringandFaultDiagnosisTechnologyinWindTurbines[J].JournalofMechanicalEngineering,2011,47(9):45-52.

[3]艾超,閆桂山,孔祥東,等.液壓型風力發電機組恒轉速輸出補償控制[J].中國機械工程,2015,26(9):1189-1193.

AiChao,YanGuishan,KongXiangdong,etal.CompensationControlofConstantSpeedOutputinHydraulicWindTurbine[J].ChinaMechanicalEngineering,2015,26(9):1189-1193.

[4]DiepeveenNFB,SegerenMLA.StretchingtheApplicabilityoftheMonopilebyUsingaDelftOffshoreTurbine[J].WindEnergy,2012,5(3):1-10.

[5]SilvaP,GiuffridaA,FergnaniN,etal.PerformancePredictionofaMulti-MWWindTurbineAdoptinganAdvancedHydrostaticTransmission[J].Energy.2014,(64):450-461.

[6]JiangZhiyu,YangLimin,GaoZhen,etal.NumericalSimulationofaWindTurbineWithaHydraulicTransmissionSystem[J].EnergyProcedia,2014,53:44-55.

[7]艾超,孔祥東,閆桂山,等.液壓型風力發電機組最優功率追蹤控制方法研究[J].動力工程學報,2015,35(2):126-133.

AiChao,KongXiangdong,YanGuishan,etal.ResearchonMaximumPowerPointTrackingofHydraulicWindTurbine[J].JournalofChineseSocietyofPowerEngineering,2015,35(2):126-133.

[8]石茂順,李偉，劉宏偉,等.基于最大功率跟蹤控制的海流發電能量管理系統[J].浙江大學學報(工學版),2013,47(5):750-754.

ShiMaoshun,LiWei,LiuHongwei,etal.TidalCurrentPowerManagementSystemwithMPPT[J].JournalofZhejiangUniversity(EngineeringScience),2013,47(5):750-754.

[9]艾超,孔祥東,陳文婷,等.液壓型風力發電機組主傳動系統穩速控制研究[J]. 太陽能學報，2014，35(9):1757-1763.

AiChao,KongXiangdong,ChenWenting,etal.ResearchonSpeedControloftheMainTranslationSystemofHydraulicWindEnergyConversionSystem[J].ActaEnergiaeSolarisSinica,2014,35(9):1757-1763.

[10]ThomsenaKE,DahlhaugbOG,NissaMOK,et

al.TechnologicalAdvancesinHydraulicDriveTrainsforWindTurbines[J].EnergyProcedia,2014,24:76-82.

[11]杜靜,秦月,李成武.風力發電機組傳動鏈動力學建模與仿真分析[J]. 太陽能學報,2015,35(10):1950-1957.

DuJing,QinYue,LiChengwu.DynamicsModelingandSimulationAnalysisofWindTurbineDriveTrain[J].ActaEnergiaeSolarisSinica,2015,35(10):1950-1957.

[12]孫立華.標幺值表示方法探討[J].編輯學報,2010,22(3):200-221.

SunLihua.DiscussiononRepresentationforPerUnit[J].ActaEditologica,2010,22(3):200-221.

(編輯袁興玲)