液壓增速傳動風力發電恒頻控制研究

石青易， 鄧曉剛， 岳凱凱， 肖鑫源， 張 碩

(重慶科技學院 機械與動力工程學院， 重慶 401331)

引言

當今，風力發電機組正逐漸朝著大型化發展，傳統齒輪箱式和直驅式風力發電機組易故障[1]、安裝與維護的高成本問題愈發明顯。液壓型風力發電機組由于具有系統剛度大和易于實現無級調速等優勢而逐漸引起人們的關注[2]。

風力發電機組恒頻發電的關鍵問題在于變量馬達的穩速控制, 國內外學者對此進行了相關研究。VAEZI M等[3]研究了在風速載荷變化的條件下，液壓型風力發電機組恒轉速輸出控制問題。石茂順等[4]采用液壓變壓器原理對發電機輸出轉速進行控制，通過液壓變壓器的調壓原理，實現發電機的穩速控制；艾超等[5-6]提出了基于動態面控制的穩速輸出控制等多種恒轉速輸出控制方法，但其模擬實驗與實際風場有較大差別。李富柱等[7]針對一種雙調節液壓變速恒頻控制展開了研究，但與蓄能器直接安裝在高壓管路的方式相比蓄能效率降低。林勇剛等[8]提出了一種機液混合傳動的液壓型風力發電機組，并驗證了該機型的轉速控制，但不能消除齒輪傳動故障率高的缺點。WEI L等[9-10]針對600 kW風力發電機組采用液壓蓄能的方式對機組轉速進行控制。

在液壓型風力發電機組中，恒頻控制主要受風力機輸入的波動性以及負載擾動等因素的影響。因此，針對低速定量泵-高速變量馬達增速傳動閉式回路系統，在恒流源控制基礎上，采用PID控制器[11]補償斜盤擺角方法[12]，并對其主傳動控制系統進行仿真和實驗分析，達到恒頻控制的目的。

1 液壓風力發電機組

圖1為工作原理簡圖，其結構由風力機模擬系統、低速大扭矩定量泵[13]、變量馬達、電勵磁同步發電機和補油設備等幾部分組成。該系統用變頻電機模擬風力機在低風速下轉動，帶動定量泵輸出高壓油。在安全閥不作用的情況下，液壓油通過高壓管路流入馬達內部，驅動其內部軸旋轉工作。變量馬達軸端與同步發電機內部轉子直接連接，在高速旋轉作用下產生電能。

圖1 工作原理簡圖

由同步發電機并網條件可知[12]，我國電網頻率為50 Hz，考慮產生的電能質量，要求同步發電機的轉速頻率與電網頻率一致，其偏差不超過±0.2 Hz (0.4%)，故需要控制發電機轉速穩定在(1500±6) r/min。由于系統為閉環控制系統，在安全閥不作用情況下，定量泵輸出流量全部流經變量馬達，即系統處于恒流源狀態。因此，要想保持變量馬達轉速不變，需要控制變量馬達斜盤擺角隨著定量泵轉速變化。利用定量泵軸上的轉速傳感器測量出定量泵轉速，然后折算出變量馬達擺角基準值，該值可通過斜盤擺角控制器調節變量馬達排量，使變量馬達轉速到達1500 r/min附近。但由于風速變化等干擾因素，變量馬達轉速會存在波動，難以穩定。由于PID 控制器具有方便性、魯棒性好等特點，能夠穩定控制在某一給定值上，故測量變量馬達輸出轉速，與給定的1500 r/min形成偏差值，通過PID控制器(斜盤擺角補償控制器)輸出斜盤擺角補償值，補償斜盤擺角基準實現恒轉速輸出控制。

2 機組數學建模

定量泵輸出流量Qp為：

Qp=Dpωp-Ctpph1

(1)

式中，Dp—— 低速泵的額定排量，m3/rad

ωp—— 低速泵的輸入轉速，rad/s

Ctp—— 低速泵的泄漏系數，m3/(s·Pa)

ph1—— 泵的進出口壓差，Pa

定量泵負載力矩Tp為:

Tp=Qpph1/ηp

(2)

式中，ηp為定量泵機械效率。

定量泵的力矩平衡方程：

(3)

式中，Tt—— 風力機輸出轉矩，N·m

θp—— 定量泵轉角，rad

Jp—— 定量泵軸上的轉動慣量，kg·m2

Bp—— 定量泵的阻尼系數，m·s/rad

Gp—— 定量泵端的負載彈簧剛度，N/m

變量馬達排量Dm為:

Dm=Kmγ

(4)

式中，Km—— 變量馬達排量梯度，m3/rad

γ—— 變量馬達擺角位置，(°)

變量馬達流量Qm為:

Qm=Kmγωm+Ctmph2

(5)

式中，ωm—— 為變量馬達轉速，rad/min

Ctm—— 變量馬達泄漏系數，m3/(s·Pa)

ph2—— 泵的進出口壓差，Pa

變量馬達輸出轉矩Tm為:

Tm=Qmph2/ηm

(6)

式中，ηm為變量馬達機械效率。

變量馬達的力矩平衡方程：

(7)

式中，Te—— 變量馬達軸上的轉矩，N·m

θm—— 變量馬達轉角，rad

Jm—— 變量馬達軸上的轉動慣量，kg·m2

Bm—— 變量馬達的阻尼系數，m·s/rad

Gm—— 變量馬達端的負載彈簧剛度，N/m

高壓管路流量方程為:

(8)

式中，V0—— 主傳動控制系統的高壓腔內總容積，m3

βe—— 高壓油的綜合體積彈性模量，Pa

ph—— 高壓管路壓力，Pa

3 恒頻控制仿真與實驗研究

以37 kW液壓型風力發電機組實驗平臺(如圖2所示)為基礎，探究變量馬達穩速輸出的影響因素以及恒轉速輸出的抗干擾性能。

仿真利用AMESim軟件[14]建立液壓型風力發電機組定量泵-變量馬達主傳動控制系統模型，通過改變電動機輸入轉速模擬不同風速，改變負載溢流閥壓力模擬負載變化。實驗利用變頻電機通過減速箱帶動低速定量泵轉動[15](模擬低風速輸入)，然后通過主傳動控制系統驅使變量馬達高速轉動，帶動與其直接連接的電勵磁同步發電機產生頻率穩定的電能。

液壓系統主要結構基本參數見表1。

1.變量馬達 2.變頻電機 3.電控柜 4.補油泵 5.定量泵 6.同步發電機圖2 37 kW試驗平臺

3.1 變量馬達轉速影響因素分析

采用恒轉速控制方法，分別研究馬達斜盤擺角折算系數和不同低速泵轉速輸入對高速變量馬達恒定輸出轉速的影響。

1) 不同擺角折算系數對高速變量馬達恒定輸出轉速的影響分析

仿真和試驗時，低速泵轉速輸入和高速變量馬達速度控制閉環PID參數保持不變。給定馬達斜盤擺角基準折算系數分別為0.0788，0.0807，0.0826，低速泵轉速輸入如圖3所示，分析液壓型風力發電機組變量馬達轉速變化，如圖4所示。

表1 基本參數

圖3 不同折算系數時低速泵轉速輸入曲線

由仿真和試驗曲線可知，馬達斜盤擺角折算系數在0.0788～0.0826小范圍變化時，變量馬達輸出轉速數值基本一致，在(1500±2)r/min內波動，沒有產生明顯變化，同時滿足(1500±6)r/min的轉速控制要求。可見該系數對變量馬達恒轉速輸出的影響不明顯。

圖4 不同折算系數時變量馬達輸出轉速曲線

2) 不同低速泵轉速輸入對高速變量馬達恒定輸出轉速的影響分析

仿真和試驗時，高速變量馬達斜盤擺角基準折算系數和其速度控制閉環PID參數保持不變。給定不同低速泵轉速7，8，9 r/min，如圖5所示。分析液壓型風力發電機組變量馬達轉速變化，如圖6所示。

圖5 不同低速泵轉速輸入曲線

由仿真和試驗曲線可知，在不同定量泵轉速輸入下，變量馬達轉速數值基本保持不變，僅在(1500±3)r/min范圍內波動，同時滿足(1500±6)r/min的轉速控制要求。這是由于變量馬達擺角基準與定量泵轉速成正比關系，在補償擺角小范圍作用下，斜盤擺角幾乎仍與定量泵轉速成正比關系。因此，在恒流源狀態下變量馬達轉速依然保持不變。

圖6 不同低速泵轉速輸入時變量馬達轉速輸出曲線

3.2 低速泵波動轉速下的變量馬達恒轉速輸出分析

由于實際風速是實時波動的，導致定量泵轉速也處于變化狀態，因此需要探究波動風速對變量馬達恒轉速輸出的影響[16]，驗證轉速控制方法的抗干擾性能。

仿真和試驗時，給定發電機負載功率保持不變，利用圖7a所示定量泵波動轉速模擬實際風速變化，得到變量馬達輸出轉速變化如圖7b所示。由圖可知，在定量泵轉速輸入變化時，變量馬達輸出轉速會隨著定量泵轉速輸入變化趨勢在小范圍內波動，其值穩定在(1500±4)r/min內，滿足(1500±6)r/min的轉速控制要求。可見，在定量泵波動轉速下，變量馬達轉速依然保持在有效范圍內，能夠實現有效并網發電，其轉速控制方法在低風速下抗干擾性能良好。

4 結論

(1) 采用低速定量泵-高速變量馬達增速傳動閉式回路系統，在恒流源控制基礎上，應用PID控制器補償斜盤擺角方法能夠實現液壓風力發電機組的恒頻控制;

(2) 馬達斜盤擺角基準折算系數和不同低速泵轉速輸入對變量馬達恒定輸出轉速的影響效果不明顯；

圖7 低速泵波動轉速下變量馬達輸出轉速變化

(3) 在低速泵的波動轉速輸入下，恒頻控制方法能夠有效實現變量馬達恒轉速輸出，滿足并網需求，其系統穩定性好，抗干擾性能良好。