大型风电机组偏航闸液压系统的设计与建模.pdf

2 0 1 0年 8月 第 3 8卷 第 1 6 期 机床 与液压 MACHI NE TOOL ＆ HYDRAUL I CS Au g ． 2 01 0 Vo 1 ． 3 8 No ．1 6 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 6 ． 0 2 2 大型风电机组偏航闸液压 系统的设计与建模 褚金 ，高文元。 1 ．宁波大红鹰学院，浙江宁波3 1 5 1 7 5 ；2 ．兰州ZES - 大学，甘肃兰州7 3 0 0 5 0 摘要设计偏航闸液压系统原理图。应用功率键合图法，通过对系统的分析及简化处理，绘制出偏航闸液压系统的功 率键合图。根据功率键合图推导出系统数学模型。利用 Ma t l a b 7 ． 1的 S i mu l i n k工具箱对偏航闸液压系统进行仿真，结果证 明了系统的可靠性。 关键词大型风电机组；偏航闸；液压系统；建模仿真 中图分类号 T H 1 3 7 文献标 识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 1 6 0 6 0 3 De s i g n i n g a nd M o d e l i n g o f Ya wi n g Br a k e Hy d r a u l i c Sy s t e m f o r La r g e - s i z e W i nd Tu r bi n e C HU J i n ．GAO We n y u a n 1 ． N i n g b o D a h o n g y i n g U n i v e r s i t y ，N i n g b o Z h e j i a n g 3 1 5 1 7 5 ，C h i n a ； 2 ． L a n z h o u Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y，L a n z h o u Ga n s u 7 3 0 0 5 0，C h i n a A b s t r a c t T h e p fi n e i e d i a g r a m w a s d e s i g n e d f o r t h e y a w i n g b r a k e h y d r a u l i c s y s t e m．T h e p o w e r b o n d gra p h o f t h e s y s t e m w a s d r a wn o u t b y a n a l y s i s a n d s i mp l i f i c a t i o n o f t h e s y s t e m．T h e s y s t e m ma t h e ma t i c mo d e l w a s d e d u c e d a c c o r d i n g t o t h e p o w e r b o n d g r a p h ． T h e s i mu l a t i o n wa s ma d e f o r t h e s y s t e m u s i n g Ma t l a b ／S i mu l i n k ． T h e s i mu l a t i o n r e s u l t s p r o v e t h e r e l i a b i l i t y o f t h e s y s t e m． Ke y wo r d s L a r g e s i z e w i n d t u r b i n e s ；Ya wi n g b r a k e ； Hy d r a u l i c s y s t e m； Mo d e l i n g a n d s i mu l a t i o n 大型风力发电机组工作 中最 主要的问题是其运行 的可靠性、风能利用效率和输出功率曲线。随着风力 发电技术水平的 日益提高 ，变桨距技术 的应用优化了 输 出功率曲线 ⋯ ，而偏航 系统的发展大大改善 了风能 利用效率 。偏航闸是保证偏航系统稳定可靠工作、 准确定位和制动的重要组成部件。作者采用液压系统 控制偏航 闸的松开或锁紧 ，实现偏航过程中的阻尼和 制动。 1 偏航闸液压系统设计 根据风速风 向仪的信号 ，风力发电机对准风向时 需将风力机底盘与塔架固定锁紧 ，偏航对风过程中需 要提供阻尼力矩 。为达 到此 目的，采用 液压控制 ， 其液压 系统 原 理 图 省 略 了温度 传 感器 等 附件 如图 1 所示。 风力发电机正 常工作时 ，偏航闸靠弹簧力处于锁 紧状态，此时液压系统不向偏航液压缸提供压力。由 于整个风力发电机组液压 系统共用一个液压站 ，偏航 系统所需压力要低于变桨距系统，所以偏航系统供油 路加减压 阀 l O 。需要偏航时 ，伺服 阀 1 5 ． 1 右位得 电， 压力油经减压 阀 1 0 调定 压力 、单 向 阀 5 - 2 、5 - 3 、 节流阀 1 1 1和伺服阀 1 5 1 进入偏航液压缸 1 4 ，向偏 航油缸活塞提供一定的压力，抵消部分弹簧力，起到 1 ～油箱2 一液 压泵 3 一 电动 机4 一高 压 滤油 器 5 ～单向阀6 一压力传感器7 一溢流阀8 一蓄能器 9 ～可调节流 阀 l O 一减 压 阀 1 1 一 节流 阀 1 3 一压力 开关1 4 一偏航闸液压缸l 5 一电液伺服阀 2 0 一背压阀 图 1 偏航 闸液压系统原理图 偏航阻尼的效果 ，有杆 腔液 压油经伺 服 阀 1 5 - 1和背 压阀2 0 预调到设定压力 3 M P a 流 回油箱。当压 力降到设定压力以下，背压阀打不开了，保证蓄能器 8 1中有一定压 力。蓄能器 8 一 l 和液 压泵 2一起提供 并保持回路压力，当压力达到溢流阀 7 - 2调定压力 时 ，液压油经溢流阀 7 ． 2旁路流 回油箱 ，系统压力 由 收稿日期2 0 0 9 0 8 2 8 基金项目宁波市 自然科学基金项 目 2 0 0 9 A 6 1 0 0 9 4 ；宁波大红鹰学院软件学 院院基金项 目 2 0 0 9 0 4 作者简介褚金 1 9 8 2 一 ，男，教 师，主要从事机械设计及其 自动化、机 电一体化及风力发 电的研究工作。电话 1 5 0 6 7 4 3 0 8 8 7，Ema i l c h u j i n - 2 0 0 3 1 6 3 ． c o m。 第 1 6期 褚金 等大型风电机组偏航闸液压系统的设计与建模 6 1 蓄能器 8 - 1 提供 。系统偏航 到位后 ，伺服 阀 1 5 ． 1 左位 得 电，在偏航油缸有杆腔卸荷后失电 ，系统在 弹簧力 的作用下锁紧 ，底 盘与塔 架固定 。需要 较大锁 紧力矩 时 ，伺服阀 1 5 1左 位 得 电 向偏 航 油缸 无 杆 腔供 油 ， 和弹簧一起 提供锁 紧力矩 。 2 偏航闸液压 系统建模 2 ． 1 简化 系统原 理 图 为了便 于建模 与 仿 真 ，将 图 1简化 成 如 图 2所 不 图 2 偏航闸液压系统简化 图 2 ． 2 建立数学模型 功率键合 图法是 液 压系 统建 模 的一 种实 用 的方 法 。在建立该系统的功率键合图时 ，电液伺 服阀将 对系统的动态特性起 主要作用 ，其 阀 口的液 阻应予 以 考虑 。 在该 系统 中，电液 伺 服控制 阀 1 5 - 1阀 芯的位 移 是 系统 的输 入 信 号 ，它 以某 种 方 式 作用 于系 统 。 控制阀阀芯和阀套 的相对位置形成 了 4个控制 口，其 液阻分别用 R 表 示。各控制 口的液阻值 都 随位 移 的大小 和方 向的变 化 而变化 ，故均 为 的 函数 ，记 为 尺 ． 。 14 z3 1 c 。 咀 一 T F 。 l S 伺 服 阀 2 l c 偏 航 闸 液 压 缸 图3 偏航闸液压系统功率键合图 根据功率键合 图的绘制规则 ，忽略溢流阀等对 系统动态特性的影响 ，画出图 2的液压 系统对应 的键 合 图如 图 3所示 。图 中 S 为恒压 源 ，R 为伺服 阀阀 口P 液阻， 。 为伺服阀阀口T液阻， 。 。 为伺服阀阀 口A液阻，R 。 为伺服阀阀口 B液阻， 为有杆腔液 容 ， 为无杆腔液 容 ，P 昔为背压 阀 2 0调定压 力 ，， 为负载惯量 ，A 为有杆 腔活塞 有效 面积 ，A 为无杆 腔活塞有效 面积 。 在图 3中，设 当 为正 时 例 如令 向右 为 正 ，控制 口 P和 B打 开 ，而控制 口 A和 T关 闭，所 以液 阻 ， 。 和 。 。 应取某一有限值 ，而 和 R 。 。 为无穷 大，即流量 q 。 、q 为某一有限值，而 q ， 和 口 为 0 。 这时液流经控制 口 l 2 进入液压缸左腔 ，缸向右运动 ， 缸右腔经控制 口 1 7回油。反之 ，当 为 负时 ，各 液 阻值将相应发生变化，控制阀至液压缸之间油液的流 向也将相应地改变。 根据图 3所 示 的功 率键 合 图 ，设 系统 状态 变 量 X q ， F q ，e为力变 量 P ， f为 流变 量 q 。经 整 理得 偏航 闸液压 系统 的状态方程 ，即数学模型为 一 一 忐 S o P *t J 百 一 百 一 l ∞ } A 2 1 一 ％ I g g ∞ 一 一 P *r 【 一 可 一 I J g 四 1 3偏航 闸液压系统仿真 3 ． 1参数 的确 定 滑阀阀 口的液 阻为 尺 √ 号 卸 ． 2 式 中 R 为 阀 口液 阻 ，d为 阀芯 直径 ，C 为阀 口流 量 系数 ， 为阀芯的位移 假设 向右 为正 ，P为油 液密度。由式 2 得各阀口液阻代入式 1 整理 得 一 Al q 一 A2 ％ 一 Cd ,-／ 7 -d ． v ％ 背 6 2 机床与液压 第3 8 卷 3 ． 2 S i m i l i n k仿真模型的建立 利用 Ma t l a b 7 ． 1中 S i m u l i n k工具 箱 中的子模 型库 将式 3 所示的系统状态方程表示成仿真模型，如 图 4所示 。 擘 I汹 _ - 畦t ∞r 童 r 囊 t z 。 o 王 t j dp 一 - 一 ∞ - 篁 ． 苎 竺 兰兰 呈兰 三 二 三 至 二 曼堂曼 图 4 偏航 闸液压系统仿真模 型 4结论 由图 4所示仿真 模型设 定一 定 的参数 ，给定 输 入信号 ，可以得到偏航液压系统的响应曲线，设定 参数不同，响应曲线也随之变化。将系统各参数代 人模型 ，分别调节对偏 航 闸液压 系统起 主要影 响 的 参数 伺服 阀 1 5 - 1阀芯位 移量 、减 压 阀 l 0凋定 压力 s ，得到 的响应 曲线基 本上符合 理论 曲线 的变 化规律。 参考文献 【 1 】B r u n e C S ， S p e e R ， Wa l l a c e A K ． E x p e r i m e n t a l e v a l u a t i o n o f a v a r i a b l e s p e e d ， d o u b l e f e d wi n d p o w e r g e n e r a t i o n s y s t e n[ J ] ． I E E E T r a n s o n I n d u s t r y A p p l i c a t i o n ， 1 9 9 4， 3 0 3 6 4 8 6 5 5 ． 【 2 】 H u n t L J ． A n e w t y p e o f i n d u c t i o n m o t o r [ J ] ． I E E E ， 1 9 9 7 ， 3 9 1 6 4 86 6 7 ． 【 3 】高文元， 褚金， 井明波， 等． 大型风电机组偏航和变桨距 控制系统研究[ J ] ． 中国制造业信息化， 2 0 0 8 ， 3 7 3 5 9 61． 【 4 】杨培元， 朱福元． 液压系统设计简明手册[ M] ． 北京 机 械工业 出版社 ， 1 9 9 4 ． 7 ． 【 5 】 褚金． 兆瓦级风 电机组智 能偏航液压系统虚拟设计 [ D] ． 兰州 兰州理工大学， 2 0 0 8 ． 9 ． 【 6 】王恩东． 风机液压系统 C A D与仿真分析[ D] ． 沈阳 沈 阳工业大学 ， 2 0 0 3 ． 2 ． 【 7 】王中双． 键合图理论及其在系统动力学中的应用[ M] ． 哈尔滨 哈尔滨工程大学出版社 ， 2 0 0 0 ． 3 ． 【 8 】 宫靖远． 风电场工程技术手册[ M] ． 北京 机械工业出版 社 ． 2 0 0 4． 3 ．