基于動(dòng)態(tài)面控制的液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組穩(wěn)速控制研究

艾　超，　閆桂山，　孔祥東，　董彥武

(1. 燕山大學(xué) 河北省重型機(jī)械流體動(dòng)力傳輸與控制實(shí)驗(yàn)室，河北秦皇島 066004；

2. 燕山大學(xué) 先進(jìn)鍛壓成形技術(shù)與科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北秦皇島 066004)

?

基于動(dòng)態(tài)面控制的液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組穩(wěn)速控制研究

艾超1,2，閆桂山1，孔祥東1,2，董彥武1

(1. 燕山大學(xué) 河北省重型機(jī)械流體動(dòng)力傳輸與控制實(shí)驗(yàn)室，河北秦皇島 066004；

2. 燕山大學(xué) 先進(jìn)鍛壓成形技術(shù)與科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北秦皇島 066004)

摘要：針對(duì)液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組液壓調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)速控制問題，建立了風(fēng)速、風(fēng)力機(jī)特性數(shù)學(xué)模型和定量泵-變量馬達(dá)液壓調(diào)速系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)狀態(tài)方程.提出了一種基于動(dòng)態(tài)面控制的穩(wěn)速輸出控制方法，并對(duì)其控制律進(jìn)行推導(dǎo)分析，采用動(dòng)態(tài)面控制原理對(duì)變量馬達(dá)轉(zhuǎn)速進(jìn)行多閉環(huán)控制，并對(duì)30 kVA液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)研究.結(jié)果表明：該方法具有較好的控制效果，對(duì)風(fēng)力機(jī)輸入的時(shí)變性和不確定性具有良好的抑制作用，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組的穩(wěn)速控制.

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組； 液壓傳動(dòng)； 穩(wěn)速控制； 動(dòng)態(tài)面控制

符號(hào)說明：

Δω——風(fēng)速頻率間距，rad/s

ωi——第i個(gè)分量角速度，rad/s

SV(ωi)——第i個(gè)分量的振幅，m

N——風(fēng)速統(tǒng)計(jì)總數(shù)

φi——隨機(jī)變量分布

KN——地表粗糙系數(shù)

F——[0，1]內(nèi)的數(shù)值

u——相對(duì)高度的平均風(fēng)速，m/s

Ctm——變量馬達(dá)泄漏系數(shù)，m3/(s·Pa)

ωp——定量泵角速度，rad/s

ωm——變量馬達(dá)角速度，rad/s

Dp——定量泵排量，m3/rad

γ——變量馬達(dá)擺角

P——風(fēng)力機(jī)輸出功率，W

ω——風(fēng)力機(jī)角速度，rad/s

V0——單個(gè)腔室的總?cè)莘e，m3

ph——系統(tǒng)壓力，Pa

R——風(fēng)力機(jī)葉片半徑，m

βe——有效體積彈性模量，Pa

Te——變量馬達(dá)負(fù)載轉(zhuǎn)矩，N·m

Bm——變量馬達(dá)黏性阻尼系數(shù)，N·s/m

Jm——變量馬達(dá)和負(fù)載的總慣量，kg·m2

Km——變量馬達(dá)排量梯度，m3/rad

v——隨機(jī)風(fēng)速，m/s

Tv——風(fēng)力機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，N·m

Ct——總泄漏系數(shù)，m3/(s·Pa)

Jp——定量泵和負(fù)載的總慣量，kg·m2

qV,p——定量泵體積流量，m3/s

qV,m——變量馬達(dá)體積流量，m3/s

ρ——空氣氣流密度，kg/m3

Ctp——定量泵泄漏系數(shù)，m3/(s·Pa)

ωmd——變量馬達(dá)的參考轉(zhuǎn)速，rad/s

τ1——系統(tǒng)壓力參考信號(hào)濾波時(shí)間常數(shù)，s

CP(λ,β)——風(fēng)能利用系數(shù)

BP——定量泵黏性阻尼系數(shù)，N·s/m

Dm——變量馬達(dá)排量，m3/rad

phd——系統(tǒng)參考?jí)毫Γ琍a

液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組[1-3]采用液壓傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)到發(fā)電機(jī)之間的能量傳輸，有效地提高了發(fā)電質(zhì)量，降低了機(jī)艙的重量，緩解了對(duì)電網(wǎng)的沖擊.其中，風(fēng)能作為該機(jī)組的能量輸入，具有蘊(yùn)藏量豐富、可再生、分布廣和無污染等特點(diǎn)[4]，有效提高了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益，為機(jī)組的工程推廣奠定了良好的基礎(chǔ).

然而風(fēng)能作為一種不穩(wěn)定的動(dòng)力源，具有間歇性和不完全可控性[5-6]，直接導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸入能量的隨機(jī)波動(dòng).風(fēng)能的上述特點(diǎn)為機(jī)組并網(wǎng)穩(wěn)速控制帶來了一定的挑戰(zhàn).液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在并網(wǎng)過程中，首先要求發(fā)電機(jī)保持穩(wěn)速輸出.因此，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組穩(wěn)速控制是決定其并網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)要求，是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的一個(gè)重要研究方向.

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組穩(wěn)速控制進(jìn)行了一系列研究.卞永明等[7]提出采用蓄能器對(duì)液壓系統(tǒng)中的壓力波動(dòng)進(jìn)行平抑控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)組穩(wěn)速控制；艾超等[8]在液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定轉(zhuǎn)速附近提出了一種小信號(hào)線性化抗干擾控制方式，可用于機(jī)組穩(wěn)速控制；石茂順等[9]采用液壓變壓器原理對(duì)發(fā)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，通過液壓變壓器的調(diào)壓原理，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的穩(wěn)速控制.

在液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，穩(wěn)速控制主要受風(fēng)力機(jī)輸入的時(shí)變性和不確定性以及負(fù)載擾動(dòng)等因素的影響.因此，針對(duì)液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組穩(wěn)速控制問題，筆者提出一種基于動(dòng)態(tài)面控制的穩(wěn)速輸出控制方法，并對(duì)其控制律進(jìn)行推導(dǎo)分析，通過動(dòng)態(tài)面控制原理實(shí)現(xiàn)機(jī)組的穩(wěn)速控制.

1液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

1.1機(jī)組工作原理

液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要由風(fēng)力機(jī)、定量泵-變量馬達(dá)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)和同步發(fā)電機(jī)等組成[10]，其工作原理如圖1所示.

圖1　液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作原理

圖1中風(fēng)力機(jī)與定量泵同軸相連，風(fēng)能驅(qū)動(dòng)定量泵旋轉(zhuǎn)輸出高壓油，高壓油經(jīng)液壓管路后驅(qū)動(dòng)變量馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，變量馬達(dá)與發(fā)電機(jī)同軸相連，同步發(fā)電機(jī)在變量馬達(dá)作用下實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電.機(jī)組通過調(diào)整變量馬達(dá)擺角，對(duì)變量馬達(dá)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)控制.

本文所闡述的液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組穩(wěn)速控制具體指發(fā)電機(jī)穩(wěn)定于同步轉(zhuǎn)速.考慮到變量馬達(dá)與同步發(fā)電機(jī)同軸相連，機(jī)組穩(wěn)速控制即為變量馬達(dá)(同步發(fā)電機(jī))保持同步轉(zhuǎn)速不變，進(jìn)而使同步發(fā)電機(jī)穩(wěn)速并網(wǎng)運(yùn)行.

1.2并網(wǎng)對(duì)機(jī)組穩(wěn)速控制的要求

為保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行，Q/GDW 392—2009 《風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》[11]要求發(fā)電機(jī)頻率與電網(wǎng)頻率一致，兩者頻率偏差不超過±0.2 Hz(0.4%).

針對(duì)液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，在風(fēng)力機(jī)波動(dòng)輸入和外部負(fù)載擾動(dòng)作用下，需要控制變量馬達(dá)(發(fā)電機(jī))轉(zhuǎn)速穩(wěn)定于同步轉(zhuǎn)速1 500 r/min，其轉(zhuǎn)速偏差不超過±6 r/min.

2數(shù)學(xué)模型

為實(shí)現(xiàn)液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)速控制，首先需對(duì)機(jī)組的關(guān)鍵部件(風(fēng)力機(jī)、定量泵和變量馬達(dá)等)進(jìn)行數(shù)學(xué)模型分析.

(1)風(fēng)速.

風(fēng)速是不可控因素，具有隨機(jī)性和間歇性.采用隨機(jī)風(fēng)模型[12]對(duì)風(fēng)速進(jìn)行建模分析，采用隨機(jī)噪聲成分來表示風(fēng)速的隨機(jī)性：

(1)

(2)風(fēng)力機(jī).

風(fēng)力機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的能量捕獲機(jī)構(gòu)，同時(shí)風(fēng)力機(jī)能量的波動(dòng)輸入對(duì)機(jī)組穩(wěn)速控制產(chǎn)生一定的影響.對(duì)風(fēng)力機(jī)的輸出功率和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行數(shù)學(xué)模型[13]分析，則有

(2)

(3)定量泵.

定量泵在風(fēng)力機(jī)作用下輸出高壓油，其體積流量連續(xù)性方程為

(3)

定量泵與風(fēng)力機(jī)同軸旋轉(zhuǎn)，其力矩平衡方程為

(4)

定量泵角速度的狀態(tài)方程為

(5)

(4)變量馬達(dá).

定量泵輸出高壓油到變量馬達(dá)，變量馬達(dá)體積流量連續(xù)性方程為

(6)

變量馬達(dá)同軸驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，其力矩平衡方程為

(7)

由式(6)和式(7)可知，變量馬達(dá)角速度的狀態(tài)方程為

(8)

(5)高壓管路.

定量泵到變量馬達(dá)間的高壓管路由于油液壓縮性，產(chǎn)生的體積流量為

(9)

系統(tǒng)壓力狀態(tài)方程為

(10)

3動(dòng)態(tài)面控制

為實(shí)現(xiàn)機(jī)組穩(wěn)速控制，提出了基于動(dòng)態(tài)面控制[14]的穩(wěn)速輸出控制方法，該方法基于反步法的設(shè)計(jì)思想，在虛擬控制過程中引入一階濾波器，從而獲得了另一個(gè)控制變量，有效避免了后推法在設(shè)計(jì)過程中的“微分項(xiàng)爆炸”現(xiàn)象[15]，具體設(shè)計(jì)步驟如下.

由以上分析可知，機(jī)組穩(wěn)速控制的實(shí)質(zhì)是對(duì)變量馬達(dá)轉(zhuǎn)速的控制，因此可根據(jù)變量馬達(dá)的轉(zhuǎn)速及其參考輸入定義第一個(gè)動(dòng)態(tài)面為

(11)

將式(8)代入式(11)并求導(dǎo)可得

(12)

動(dòng)態(tài)面S1的實(shí)質(zhì)是跟蹤期望軌跡ωmd的誤差，于是可以取系統(tǒng)壓力為虛擬控制信號(hào)，使得S1→0.由式(12)可知，虛擬控制信號(hào)為

(13)

(14)

根據(jù)系統(tǒng)壓力及其參考信號(hào)，定義第二個(gè)動(dòng)態(tài)面為

(15)

將式(10)代入式(15)并求導(dǎo)可得

(16)

由式(16)可以得到系統(tǒng)的控制輸入，即變量馬達(dá)擺角給定為

(17)

式(17)可進(jìn)一步表示為

(18)

由式(18)可知，系統(tǒng)控制輸入(即變量馬達(dá)擺角)控制律由3部分組成，分別為定量泵輸出體積流量折算所得的變量馬達(dá)擺角基準(zhǔn)值γ0、系統(tǒng)泄漏對(duì)變量馬達(dá)擺角的修正值γ1和系統(tǒng)壓力波動(dòng)對(duì)變量馬達(dá)擺角的修正值γ2.上述動(dòng)態(tài)面控制可以實(shí)現(xiàn)變量馬達(dá)轉(zhuǎn)速的多閉環(huán)控制，其控制框圖如圖2所示.

由圖2可知，采用動(dòng)態(tài)面控制對(duì)變量馬達(dá)擺角輸入給定進(jìn)行規(guī)劃，對(duì)變量馬達(dá)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，具體包括3個(gè)閉環(huán)，分別為定量泵輸出體積流量基準(zhǔn)環(huán)、系統(tǒng)泄漏修正環(huán)和系統(tǒng)壓力波動(dòng)修正環(huán).

通過動(dòng)態(tài)面控制原理對(duì)變量馬達(dá)轉(zhuǎn)速進(jìn)行多閉環(huán)控制，可實(shí)現(xiàn)機(jī)組的穩(wěn)速輸出，確保發(fā)電機(jī)保持同步轉(zhuǎn)速且并網(wǎng)運(yùn)行.

圖2　穩(wěn)速控制框圖

4仿真和實(shí)驗(yàn)

以燕山大學(xué)30 kVA液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)驗(yàn)臺(tái)為基礎(chǔ)，依據(jù)所提出的基于動(dòng)態(tài)面控制的穩(wěn)速輸出控制方法進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)研究.

利用Matlab/Simulink與AMESim軟件搭建機(jī)組仿真平臺(tái)(見圖3)，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定見表1.

圖3　仿真平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和測(cè)控系統(tǒng)等組成(見圖4).實(shí)驗(yàn)過程中通過變頻器控制變頻電機(jī)來模擬風(fēng)力機(jī)特性.采用相似模擬原理，并進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的模擬補(bǔ)償[16]，可對(duì)風(fēng)力機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行相似模擬.

仿真和實(shí)驗(yàn)過程中，采用相似模擬原理對(duì)實(shí)際風(fēng)力機(jī)工作系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)速補(bǔ)償[17]，通過Matlab/Simulink軟件對(duì)風(fēng)速模型進(jìn)行實(shí)時(shí)編程，通過計(jì)算得到風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)輸入，并將其下載到dSPACE控制器中，進(jìn)而采用相似模擬原理設(shè)定風(fēng)力機(jī)(定量泵)波動(dòng)轉(zhuǎn)速輸入為400 r/min、600 r/min和800 r/min，采用基于動(dòng)態(tài)面控制的穩(wěn)速輸出控制方法對(duì)機(jī)組進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)研究.

考慮到風(fēng)能本身的間歇性和不完全可控性，風(fēng)力機(jī)輸入液壓系統(tǒng)的波動(dòng)能量是機(jī)組穩(wěn)速輸出的關(guān)鍵影響因素.因此，首先模擬波動(dòng)轉(zhuǎn)速下風(fēng)力機(jī)輸出特性，對(duì)風(fēng)力機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)研究，其結(jié)果見圖5.由圖5可知，采用相似模擬原理，通過變頻器控制變頻電機(jī)對(duì)風(fēng)力機(jī)特性進(jìn)行模擬，可得到波動(dòng)轉(zhuǎn)速下的風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速特性曲線.風(fēng)力機(jī)的波動(dòng)轉(zhuǎn)速輸入是機(jī)組穩(wěn)速控制的關(guān)鍵影響因素.

表1　液壓系統(tǒng)參數(shù)

采用基于動(dòng)態(tài)面控制的穩(wěn)速輸出控制方法對(duì)機(jī)組穩(wěn)速輸出進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)研究，其結(jié)果見圖6.由圖6可知，采用該方法在風(fēng)力機(jī)時(shí)變擾動(dòng)輸入下，變量馬達(dá)轉(zhuǎn)速可以快速穩(wěn)定于同步轉(zhuǎn)速1 500 r/min，其穩(wěn)態(tài)誤差小于±1 r/min，同時(shí)系統(tǒng)壓力具有較快的響應(yīng)速度，最終保持于穩(wěn)定壓力.

圖4　實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

(a)400r/min波動(dòng)轉(zhuǎn)速輸入(b)600r/min波動(dòng)轉(zhuǎn)速輸入(c)800r/min波動(dòng)轉(zhuǎn)速輸入

圖5風(fēng)力機(jī)(定量泵)轉(zhuǎn)速曲線

Fig.5Speed curve of the wind turbine (fixed displacement pump)

(a)變量馬達(dá)轉(zhuǎn)速仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(b)系統(tǒng)壓力仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5結(jié)論

(1) 建立了液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)速、風(fēng)力機(jī)特性數(shù)學(xué)模型和定量泵-變量馬達(dá)調(diào)速系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的狀態(tài)方程.提出了一種基于動(dòng)態(tài)面控制的穩(wěn)速輸出控制方法，并對(duì)其控制律進(jìn)行推導(dǎo)分析，得到了變量馬達(dá)轉(zhuǎn)速多閉環(huán)控制方案.

(2) 所提出的基于動(dòng)態(tài)面控制的穩(wěn)速輸出控制方法具有良好的控制效果，有效地抑制了風(fēng)力機(jī)輸出的時(shí)變性和不確定性，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組的穩(wěn)速控制.

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Research on Steady Speed Control of Hydraulic Wind Turbines Based on Dynamic Surface Control

AIChao1,2，YANGuishan1，KONGXiangdong1,2，DONGYanwu1

(1. Hebei Provincial Key Laboratory of Heavy Machinery Fluid Power Transmission and Control,Yanshan University, Qinhuangdao 066004, Hebei Province, China; 2. MOE's Key Laboratory of Advanced Forging & Stamping Technology and Science, Yanshan University,Qinhuangdao 066004, Hebei Province, China)

Abstract：To achieve steady speed control of hydraulic governing system in hydraulic wind turbines, mathematical models were built up for the wind speed and wind turbine characteristics, while state equations were established for key parameters in the fixed displacement pump-variable displacement motor hydraulic governing system. A steady speed control method based on dynamic surface control was proposed, of which the control law was derived and analyzed, so as to realize multi-closed-loop control of the motor speed using dynamic surface control principles. The proposed conrol method was verified on the basis of a 30 kVA hydraulic wind turbine platform. Simulation and experimental results show that the control method based on dynamic surface control has good control effect, with good inhibiting functions on time-varying behavior and uncertainty of wind input, achieving steady speed control of the wind turbine.

Key words：wind turbine; hydraulic transmission; steady speed control; dynamic surface control

文章編號(hào)：1674-7607(2016)01-0030-06

中圖分類號(hào)：TK229.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A學(xué)科分類號(hào)：470.30

作者簡(jiǎn)介：艾超(1982-)，男，河北唐山人，講師，博士，研究方向?yàn)橐簤盒惋L(fēng)力發(fā)電機(jī)組.

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51475406,51405423)；燕山大學(xué)青年教師自主研究計(jì)劃課題資助項(xiàng)目(13LGB005)

收稿日期：2015-04-17

修訂日期：2015-05-28

孔祥東(通信作者)，男，教授，博士，電話(Tel.):0335-8051166；E-mail：xdkong@ysu.edu.cn.