风力发电机组液压变桨距控制系统建模及研究.pdf

2 0 1 1 年 1月 第 3 9卷 第 2 期 机床与液压 MACHI NE T00L HYDRAUL I CS J a n ． 2 01 1 Vo l _ 3 9 No ． 2 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 0 2 ． 0 2 6 风 力发 电机组液压变桨距控制 系统建模及研究 贾瀚方 ，胡建军 ，高伟政。 1 ．新 乡新航 集 团 1 1 6厂 ，河 南新 乡 4 5 3 0 0 0 ；2 ．徐 工集 团徐 州 I 液压 件 厂 ，江 苏徐 州 2 2 1 0 0 4 ； 3 ．太原科技 大学，山西太原 0 3 0 0 2 4 摘要 选用 电液 比例 阀作 为变桨距控制系统 的主阀 ，对 比例阀的流量方程 、液压缸 的流量连续 方程 以及系统 的动力平 衡方程等按实际情况进行适当的简化，摒弃以往建模时引入的负载压力和负载流量 ，建立变桨距系统在开、关桨时的相对 精确的数学模型 。 关键词 变桨距控制 ；比例阀 ；数学建模 中图分类号 T H 1 3 7 ． 1 文献标识码 A 文章编 号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 2 0 8 5 2 M o d e l i ng a nd Re s e a r c h o n Hyd r a ul i c Va r i a bl e Pi t c h Co nt r o l S y s t e m o f W i nd Po we r Ge n e r a t o r J I A Ha n f a n g ．H U J i a n j u n 。G A O We i z h e n g 。 1 ． 1 1 6 F a c t o r y o f X i n x i a n g S I A G r o u p ，X i n x i a n g He n a n 4 5 3 0 0 0 ，C h i n a ；2 ．X u z h o u H y d r a u l i c C o mp o n e n t F a c t o r y ，Xu z h o u C o n s t r u c t i o n Ma c h i n e ry C o ． ， L t d ．，Xu z h o u J i a n g s u 2 2 1 0 0 4，C h i n a； 3 ．T a i y u a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， T a i y u a n S h a n x i 0 3 0 0 2 4 ，C h i n a Ab s t r a c t A e l e e t r o h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a l v a l v e wa s s e l e c t e d a s ma i n v a l v e f o r v a r i a b l e p i t c h c o n t r o l s y s t e m． A c c o r d i n g t o t h e a c t ua l s i t u a t i o n，a n a p p r o p r i a t e s i mp l i fic a t i o n s we r e c on d uc t e d f or t h e flo w e q ua t i o n o f p r o p o r t i o n a l v a l v e，h y d r a ul i c c y l i n d e r flo w c o n t i n u i t y e q u a t i o n a n d t h e s y s t e m d y n a mi c e q u i l i b r i u m e q u a t i o n ． L o a d p r e s s u r e a n d l o a d fl o w t h o s e w e r e i n t r o d u c e d t o t h e ma t h e ma t i c a l mo d e l i n t h e p a s t we r e r e j e c t e d ． T h e r e l a t i v e l y p r e c i s e ma t h e ma t i c al mo d e l s we r e e s t a b l i s h e d d u r i n g o n ／ o ff t i me o f o a r i n t h e v a ria b l e pi t c h c o n t r o l s y s t e m． Ke ywo r ds Va r i a b l e p i t c h c o n t r o l ； P r o po r t i o na l v a l v e； Ma t h e ma t i c a l mo d e l i ng 随着世界各 国对环境保 护 、能源短缺及节 能等 问 题 的 日益关注 ，新能源发 电尤 其是风力发 电技术越来 越受到世界各国的普遍重视 ，而变速恒频变桨距型风 力发 电机 占据 了风力发 电的主导地位 。变速恒频变桨 距型风力发电机在世界范围内得到了广泛的使用和迅 速发展 ，发展潜力 巨大 。其 中液压变 桨距 控制系统是 核心技术，主要利用液压变桨距动力大 、工作平稳、 易于控制等特点 ，建立精确 的数 学模 型是对 液压控制 系统进行动态特性分析 的基础 。 1 阀的选择 风力发 电机组必须设在风况 良好 、风力 较强的地 方 ，且 年平均风速必须达 到 6 m ／ s ，因此风力 发 电机 组一般都设在海洋 、高 山山口、海 岛风 口以及草原等 人烟稀少 的地 区。这就要求元部件必 须适应 恶劣的工 作环境 。目前 ，变桨距液压控制 系统 主机上的主阀主 要 有伺服 阀和 电液 比例 阀两种类 型。考虑 到风力发电 所 处环境 恶劣 ，液 压 系统 很 容易 受 到外 界 环境 的 影 响 ，伺 服阀抗污染能力相对较差 ，而 电液 比例 阀的频 响虽然偏 低 ，但 其各方面性能完全满足变桨距液压 系 统的性能要求 ，且抗 污染 能力强 。因此作者选用 电液 比例 阀作为变桨距控制 系统 的主阀。 2变 桨距 系统 建模 在大型 风力 机 中 ，曲柄 滑 块 机构 的应 用 最 为广 泛，将调距机构的往复运动变为风轮叶片的旋转运 动。液压驱动系统采用的是电液比例阀控制非对称缸 系统 。由于 液压 缸 的非 对称 性 ，导 致 变桨 距 系统 在 开 、关桨 时的动 、静态特性有很大差异 ，因此需要对 开 、关 桨过程分别建模 。 2 ． 1 关桨数学模型 关桨时非对称液压缸 的活塞 杆伸出 ，桨距角变 大 如图 1 所示 。 无论是采用对心 曲柄 滑块结构还是采用 非对心 曲柄 滑 块 结 构 ，由 文 献 [ 1 ] 可 知 ，液 压 缸 活 塞 图 1 关桨过程变桨距 系统机构示意 图 杆位 移与桨距角之间都是非线性关系 。线性化处理后 收稿 日期 2 0 0 91 2 2 1 作者简 介 贾瀚方 ，女 ，工程师 ，从事机械加工 、设计和流体设计等 。电话 1 5 0 6 2 1 0 5 3 2 8 ，Em a i l j 2 6 8 8 1 6 3 ． c o m。 8 6 机床与液压 第 3 9卷 √ 垫 1 c 雠 √ {QQ cC pP C ep 二≥ 一 2， I p。一 z一 一 一 z p A 一 p 2 A 咖I ， 3 ’ - 。A ．IY l 孛 l 4 L o A 。y ～ A 2 夕 _『 令 叼 I 1 1 可得 P 一 P 卵 2 p 。 △ △ 。 ． 。 其 中 0 ＼ V l A I ． 0 [ V I p． 5 由于力臂长 度 的变 化量 △ 西 很 小 ，一般 用常 数 近似代替 L ，则式 3 可化为 p A 一 P 2 A J 7 1 6 将式 1 、 2 、 6 线性化取增 量式并将式 5 代人得无杆腔进油时的线性化增量数学模型为 f A Q A x △ p l △ Q l G ． 卸l 一 卸2 K b ．A y K ．△ l A l △ 1 卸 。A ， ～ P 2A 2 J 【 A p】 一T ／ 2 Ap 7 式 中 K x c a √ 吾 p s P lO ， 为 流 量 增 益 ； K p C dz √ 为 流 量 一 压 力 系 数 。 对式 7 取拉普拉斯变换可得 省略 △ f s X s 一 p 。 s l Q s C [ P 。 s - p s ] K Y s { K ．sp 。 s A s Y s 8 f [ P 。 s A 。 - p s A ] 咖 s T s l P l s 一r t 2 p 2 s 又因为 A y 。 △ 对上式取拉普拉斯 变换可得 Y 0 s 9 联立式 8 、 9 可得 系统 的传递 函数为 击 竺 二 1 0 K 3 式 中 4 K p C i ， 曰 比例阀 的响应速度 远远大 于油缸 的响应速度 ，因 此 电液 比例 阀的阀芯位移与给定 电压信号之间可看作 比例环节 参考文献[ 2 ] s KU s 式 中K为比例 阀总放 大 系数 ， 为 输入 比例 阀 的 电压信号。 则式 1 0 可化为 ， ⋯ 2 ． 2开桨数学模型 开桨过程也就是液压缸 活塞杆 的回缩过程 ，其 比 下转第 8 9页 第 2期 周 燕辉 等 高压水 喷射 去毛刺技术 的应用研究 8 9 喷嘴出 口处 的射流速度称为射流喷射速度 ，其计 算公式 为 “13 i Q ／ A 。 3 其 中 ． 为射流 喷速 ，m ／ s 。 现假设 流量 为 2 3 L ／ m i n ，喷 嘴直 径为 d1 m m， 依据公式 3 可得流速为 4 8 4 m ／ s 。 6 最优喷距 、喷射 角 高压水射流 的冲击 力存 在最优喷距 。选取该值为 D 8～1 0 d 4 其 中 d为喷嘴直径 。认为射流在距离 喷嘴 D处 具有 最大 的冲击 力 ，清洗效果最佳 。通常选择斜喷嘴 的喷 射角度 为 2 4 。 ～ 3 0 。 。 假设 喷嘴直径为 d1 m m，则依 据公式 4 可 得 ，D8～ 1 0 m m，喷射角选 2 4 。 。 7 数控 系统 的确定 数控 系统的确定较为容易 ，主要根据被清洗对象 的复 杂程度来 确定 ，一般 选用 3轴联 动 ，复杂的选 用 4轴联 动 。 采用 F A U N C系统 ，数控 机床为 V C 1 0 5 5 ，3轴联 动 。整体结构如 图 3所示 。 S 6 7 R 9 图 3 清洗方案结构示 意图 3结 论 高压水去毛刺技术是 国际上新兴 发展的一项新技 术 ，具有 环保 、效率高 、易于 自动化等优点 ，也是 我 国正在规戈 0 的重大战略产业 ，合理确定 压力 、流量等 关键参数 ，结合数控技术，必将开发出极具市场潜力 的新产品 。 参考文献 【 1 】秦忠旺， 等． 去毛刺技术手册[ M] ． 北京 宇航出版社， 1 99 5． 【 2 】K i m J ． D e v e l o p m e n t o f a d r i l l i n g b u r r c o n t r o l c h a n f o r l o w l 一 手动 滑 门 2 一 主轴 做盘 3 一 油雾 收集 器 4 一加 工 单元 5 -- 电控 盘 撇 油 器 7 一 桶 形过 滤 器 8 m 喷射泵 水 箱 a l l o y s t e e l ， A I S I 4 1 1 8 『 J ] ． J o u r n a l o f Ma t e r i a l s P r o c e s s i n g T e c h n o l o g y， 2 0 0 1， 1 1 3 ． 【 3 】陈镇宇， 王贵成． 毛刺的研究现状及去除技术[ J ] ． 现代 制造工程 ， 2 0 0 4 2 1 2 61 2 8 ． 【 4 】家成昭重[ 日] ． 水力去毛刺[ J ] ． 工具技术， 1 9 9 4 1 1 293 0． 【 5 】沈忠厚． 水射流理论与技术[ M] ． 山东 石油大学出版 社 ， 1 9 9 8 ． 【 6 】张惠生． 机械零件去毛刺工艺的现状与发展 [ J ] ． 北京 建筑工程学 院学报 ， 2 0 0 1 4 5 8 6 3 ． 上接 第 8 6页 例 阀的流量方程 、液压缸 的流量连续方程 和系统的动 力平衡方 程与关 桨过程相类似 ，按照 同样 的建模 方法 可以得 出开桨过程的传递 函数 。 ，、 助 s 一 C s T s K v p2 J s 3C J s 2 A2 a DsKv y 2a D 式 中 C 十C i 十C C i 叩 ， D A 2 A l 叩 L 。 3结论 经作者 多年 的实地 考察 和研究 ，以往 数 学建 模 中负载 流量和 负载压力 的 引入 严 重影 响 了数 学模 型 的精度 。鉴于此 ，作者 摒弃 了 以往 建 模 时 引入 的负 载压力 和负载 流量 ，建 立 了 与实 际更 加 贴近 的数 学 模 型 ，其 精度 大大提 高 ，可 为工 程实 践 提供 理论 参 考 参考文献 【 1 】徐灏． 机械设计手册 第一版， 第二卷 [ M] ． 北京 机械 工业出版社 ， 1 9 9 2 ． 【 2 】路甬祥， 胡大 ． 电液比例控制技术[ M] ． 北京 机械工 业 出版社 ， 1 9 8 8 ． 【 3 】陈晓波． 风力发电机组电液比例变桨距控制半物理仿真 试验台研究[ D] ． 杭州 浙江大学硕士论文， 2 0 0 6 ． 2 ． 【 4 】杨尔庄． 液压技术在风力发电中的应用概况[ J ] ． 液压 气 动与密封 ， 2 0 0 6 2 ． 【 5 】赵文珍， 秦立学， 姚兴佳， 等． MW级风力发电机组变桨距 系统建模研究[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 6 6 1 5 71 5 8 ， 1 6 2 ． 【 6 】王传礼， 许贤良． 阀控非对称液压缸机构建模探讨． 矿山 机械 ， 1 9 9 8 7 6 66 8 ． 【 7 】赵周礼， 周恩涛， 周士昌， 等． 非对称缸系统精确建模方 法研究[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 2 1 9 2 9 4 ．