水平軸潮流能發電機組液壓變槳技術研究與海試

劉宏偉，李　偉，林勇剛，顧亞京，李陽健，謝卓君

（浙江大學　流體動力與機電系統國家重點實驗室，浙江　杭州　310058）

水平軸潮流能發電機組液壓變槳技術研究與海試

劉宏偉，李偉，林勇剛，顧亞京，李陽健，謝卓君

（浙江大學流體動力與機電系統國家重點實驗室，浙江杭州310058）

變槳技術是水平軸潮流能發電機組的關鍵技術，對實現機組的功率控制和雙向發電具有重要意義。在綜合分析電氣變槳方案和液壓變槳方案的基礎上，完成了120 kW水平軸潮流能發電機組變槳機構及其控制系統的設計，并進行了變槳距系統的廠內試驗和海上試驗，試驗結果表明，該系統可以很好地實現機組的雙向發電并實現發電機輸出功率的有效控制，同時變槳距機構運行穩定，響應特性達到預期設計目標。

水平軸潮流能發電；液壓變槳；廠內試驗；海上試驗

水平軸潮流能發電技術具有效率高、啟動流速低等優點，已成為一種具有潛在商業化推廣價值的新能源發電技術。目前國際上在研或已完成海試的水平軸單機功率已達到兆瓦級，如挪威的Hammerfest、德國的Voith等。我國的水平軸潮流能發電機組在技術研發方面并不落后于國外，但在單機規模及示范應用上有待進一步提高，截至目前國內完成海試的單機功率最大的水平軸潮流能發電機組是由浙江大學于2015年完成的120 kW機組，同期也有一些國有大型企業在開展300 kW乃至600 kW機組的研制。

潮流能發電機組工作環境惡劣，機組工況復雜，可靠性、機組效率及安裝運維是水平軸潮流能發電機組技術產業化推廣前必須解決的三大重要問題。本文研究的變槳距技術是與機組的可靠性和高效性密切相關的關鍵技術，它在機組功率控制及雙向發電運行具有重要意義。目前國內外潮流能發電機組采用電氣變槳技術較多[1-4]，如MCT的300 kW及600 kW機組，Hammerfest公司的兆瓦級機組，而國內也有研究機構擬采用電氣變槳方案。本文擬在綜合分析電氣變槳和液壓變槳距技術的基礎上，重點對項目組研制的120 kW水平軸潮流能發電機組液壓變槳距技術和試驗進行介紹，以供同行交流。

1　變槳距方案的選型設計

根據執行機構不同，可以將變槳距系統分為電氣變槳和液壓變槳[5-6]。電氣變槳系統由驅動電機、減速箱及驅動電源、電刷滑環等組成，根據槳葉的驅動形式可以再分為統一變槳和獨立變槳，即三個葉片用一臺電機驅動還是每只葉片都用一臺電機，獨立變槳的優點在于可以同時進行功率控制和葉片載荷控制。對于要求結構緊湊（減小擋水面積）的潮流能發電機組而言，電氣變槳距機構需要較大的輪轂空間，而且需要可靠的電刷滑環，所以故障率較高。與電氣變槳方案相比，液壓變槳距具有結構緊湊、驅動力矩大、可靠性高等優點，筆者認為非常適合潮流能發電機組，槳轂里面只需保留驅動液壓缸或馬達，通過配油機構可以將液壓泵站及其控制系統都置于水面之上，故本文重點對液壓變槳距技術進行了研究，并完成了真機上的試驗驗證。

圖1所示為根據120 kW機組葉片載荷及響應特性而設計的潮流能發電機組液壓統一變槳距結構方案。該方案采用液壓缸驅動齒輪齒條的方法實現葉片的統一變槳，并通過活塞桿的直線位移傳感器將槳葉節距角信號傳輸給控制器。

圖1　潮流能機組液壓統一變槳距結構

圖2為變槳液壓驅動系統，設計的額定變槳速率為1°/s，通過電液比例換向閥實現葉片的順槳和逆槳動作。系統設計具有自動和手動兩種變槳功能，以便現場維護。

圖2　潮流能機組變槳液壓驅動系統

2　變槳系統控制策略及仿真研究

針對設計的液壓變槳距系統，需要從機械結構、液壓驅動及控制策略三個方面分別完成強度和功能的分析驗證，本文主要從控制和液壓驅動兩方面完成系統的功能性驗證。在進行液壓系統和控制系統的加工制造前需要進行必要的仿真分析。圖3為節距角控制流程圖，為便于調試，系統設計采用開環及閉環兩種控制模式。

如前所述，控制環節通過改變槳葉的節距角實現葉輪的功率控制和對流，所以槳葉節距角的目標值由水流方向和葉輪流體動力學特性決定。當機組的輸出功率小于額定功率時，根據已知的葉輪流速-轉速-功率特性曲線給出目標功率，將目標功率與實測功率的差值傳遞給變槳控制器，控制器給液壓系統控制信號，液壓系統驅動變槳油缸動作，從而實現槳葉的節距角調節，如圖3所示。當水流換向時，由流速流向儀記錄并反饋流速流向信號給控制器，控制器根據設定的控制邏輯給出節距角調節信號。

圖3　槳距角控制流程圖

圖4為在AMESim軟件下建立的液壓系統及機械系統模型，控制器通過給圖中的電液比例換向閥提供控制信號，實現閥控液壓缸及變槳距執行機構按設定的目標動作。仿真模型中的參數按照實際設計后系統結構參數給出，并需要根據仿真結果修正相關的設計參數。

圖4　變槳系統仿真模型

圖5為變槳距液壓系統的階躍響應曲線，仿真時將幅度為180的階躍信號作為目標槳距角的模擬信號。從仿真結果可知，液壓系統響應速度較快，上升時間為1.8 s，峰值時間2.75 s，系統誤差很小，系統具有很好的響應特性。

圖5　變槳距液壓系統的階躍響應曲線

3　變槳系統試驗研究

3.1廠內性能試驗

在變槳距液壓系統試驗臺設計、加工完成后，若不經廠房試驗而直接進行海上試驗，風險較大而且可能會導致難以預料的情況出現，所以進行初步試驗是很有必要的。如圖6所示為廠內試驗照片，分別進行了系統開環特性和閉環特性試驗。

圖6　變槳距系統廠內測試

圖7　控制電壓為±5 V時開環試驗結果

試驗油缸行程約130 mm，缸內徑50 mm，活塞桿直徑22 mm。首先對變槳距液壓系統進行開環試驗，通過PLC控制器輸出控制電壓到比例放大器再控制比例換向閥動作，在滿量程控制電壓下的模擬槳距角及控制電壓的變化如圖7所示。由于與實際變槳液壓缸相比，試驗油缸行程短、缸徑小，所以對應的變槳時間較短，分別為1 450 ms（順槳）和1 800 ms（逆槳）。

閉環特性試驗是在廠房內120 kW實物機組上進行的，如圖8所示，在測試液壓系統的同時，對箱體內部的液壓管線進行測試。圖9為變槳距閉環試驗結果，其中系列2為給定的槳葉目標值，系列1為實測的槳葉節距角，在0時刻給定目標節距角為180°，系統經過約300 s左右，葉片節距達到180°，從而可以認為葉片實現雙向對流功能需要約5 min，這對于潮流換向的時間來講是足夠的。由于系統具有較大的阻尼，也保證了系統具有較好的線性特性和無超調的特性。

當變槳距系統用于功率控制時，可以通過調節流量控制閥的開度來實現槳葉節距角的速度控制。

圖8　變槳距閉環試驗

圖9　變槳閉環試驗結果

3.2海上試驗驗證

為有效驗證變槳距系統的有效性，對完成的120 kW機組進行了海上現場變槳試驗。圖10所示為海上變槳距試驗結果，在20:20'55''進行葉片順槳試驗，當葉片節距角達到90°時，葉輪處于停機位置，發電機輸出功率為0。在20:33'左右開始逆槳至180°，葉輪開始工作，發電功率逐漸增大到70 kW左右。從而有效驗證了變槳距系統在開機及停機過程中的功能。

圖10　節距角與功率關系海試結果

4　結論

本文針對120 kW水平軸潮流能發電機組的變槳距系統，完成了變槳距系統的設計、數字仿真、廠內試驗和海上現場試驗。仿真及試驗結果均表明，本文所設計的變槳距系統可以滿足百千瓦級水平軸潮流能發電機組的實海況運行需要，即提高機組的可靠性、實現雙向運行、提高捕能等。試驗結果完全達到預期設計要求，該技術有望應用于中大型水平軸潮流能發電機組，為潮流能裝備未來向著大型化、商業化方向發展積累了豐富的經驗。

[1]Fraenkel P.The Tide Turns for Marine Current Turbines[J].International Water Power&Dam Construction,2001,53(12):18-21.

[2]Fraenkel P L.Marine Current Turbines:Pioneering the Development of Marine Kinetic Energy Converters[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,Part A:Journal of Power and Energy,2007,221(2):159-169.

[3]Chen H,Ait-Ahmed N,Zaim E H,et al.Marine Tidal Current Systems:State of the Art[C]//Industrial Electronics(ISIE),2012 IEEE International Symposium on.IEEE,2012:1431-1437.

[4]Zhou Z,Scuiller F,Charpentier J F,et al.An Up-to-Date Review of Large Marine Tidal Current Turbine Technologies[C]//Power Electronics and Application Conference,Shanghai,China,2014.

[5]劉宏偉,李偉,林勇剛，等.基于液壓傳動的潮流能發電裝置及其變槳距機構研究[C]//中國可再生能源學會海洋能專業委員會第三屆學術討論會論文集,2010.

[6]劉林,麥云飛,寧李譜.兆瓦級風力發電機組電動變槳距控制系統設計[J].機械制造,2008,46(9):15-18.

Research and Sea Trails of the Hydraulic Pitch Control Technology for Horizontal Tidal Current Turbines

LIU Hong-wei,LI Wei,LIN Yong-gang,GU Ya-jing,LI Yang-jian,XIE Zhuo-jun
State Key Laboratory of Fluid Power&Mechatronic Systems,Zhejiang University,Hangzhou 310027,Zhejiang Province,China

The pitch control technology is key technology for horizontal tidal current turbines(HTCT),which is significant for achieving power control and dual-directional operation of turbines.Based on comprehensive analysis of electrical pitch and hydraulic pitch schemes,this paper finishes the mechanical design and control system design of a 120 kW HTCT,and the workshop tests and sea trails have been carried out.The test results show that the designed system can well realize dual-directional power generation and effective nominal power control,with the system working steadily and response characteristics reaching desired design target.

horizontal tidal current turbine(HTCT);hydraulic pitch control;workshop test;sea trail

P743.1

A

1003-2029（2016）05-0066-04

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.05.013

2016-05-10

國家自然科學基金資助項目（51575477）；國家可再生能源專項資金資助項目（GHME2015GC02）；浙江省自然科學基金資助項目（LY14E050019）

劉宏偉（1978-），男，博士，副教授，主要研究方向為潮流能發電裝備及部分風電技術。E-mail：zju000@163.com