基于Automation Studio的风力发电变桨距液压系统的仿真分析.pdf

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机 械 设计 与 制造 Ma c h i n e r y D e s i g nMa n u f a c t u r e 第 6期 2 0 1 3年 6月 基于 A u t o m a t i o n S t u d i o的风力发电变桨距 液压系统的仿真分析 任育杰, 宋锦春 , 任广安, 郝壮 东北大学 机械工程与自动化学院, 辽宁 沈阳1 1 0 0 0 4 摘要 变桨机构通过调节风机叶片的节距角来保证风机在多变的环境下稳定运行。变桨距系统利用曲柄连杆机构与叶 片连接 , 实现直线往复运动与旋转运动的转换。 介绍 了风力发 电机组变桨距液压 系统的工作原理 ; 运用 A u t o m a t i o n S t u d i o 软件对变桨距液压系统进行建模和仿真分析, 形象直观的展示风机在各种工况下的状态, 检验流量、 压力和液压缸伸缩 速度等参数的实时数值是否满足工程需求, 为更深层次的仿真研究和系统优化提供了理论依据。 关键词 风力发电; 变桨距; 液压 ; Au t o ma t i o n S t u d i o ; 仿真 中图分类号 T H1 6 ; T K 8 3 文献标识码 A 文章 编号 1 0 0 1 ~ 3 9 9 7 2 0 1 3 0 6 0 0 4 0 0 3 Ap p l i c a t i o n o f Au t o ma t i o n St u d i o So f t wa r e i n Si mu l a t i o n o f Va r i a b l e Pi t c h Hy d r a u l i c S y s t e m o f W i n d Tu r b i n e R E N Y u - j i e , S O N G J i n - c h u n , R E N G u a n g - a n , H A O Z h u a n g S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g a n d A u t o m a t i o n , N o r t h e a s t e r n U n i v e r s i t y , L i a o n i n g S h e n y a n g 1 1 0 0 0 4 , C h i n a A b s t r a c t P i t c h c o n t r o l s t e m o f w i n d t u r b i n e is u s e d t o o a j nst t h e p i t c h a n g l e o f v ane s t o e n s u r e s t a b l e o p e r a t i o n oft h e w i n d t u r b i n e .C r a n k - l i n k me c h an i s m c o n n e c t c y l i n d e r a n d v ane ,t r a n s l ati n g l i n e a r mo v e me n t i n t o r o t ati o n .T h e t h e s i s i n t r o d u c e s t h e o p e r at i n g p r i n c i p l e o f v ari a b l e p i t c h h y d r a u l i c s t e m o f w i n d t u r b i n e . T h e s i mu l ati o n a n d t h e ana l y s is abo u t w i n d t u r b i n e are b u i l t b y u s i n g A u t o m a t i o n S t u d i o S o f t w are . h C an i n t u i t i v e l y s h o w s t at e s o f w i n d t u r b i n e i n a n y w o r k i n g c o n d i t i o n s . I t C an a l s o t e s t t h e flo w , p r e s s u r e and v e l o c i t y o f h y d r aul ic c y l i nde r w h e t h e r a c c o r d i n g w i t h e n g i n e e r i n g r e q u i r e m e n t s . A l s o i t p r o v i d e s t h e o r e t ic a l b a s is f o r s i mu l ati o n and o t h e r f u r t h e r r e s e arc h . Ke y W o r d s W i n d Tu r b i n e ; Va r i a b l e P i t c h; Hy d r a u l i c ; Au t o ma t i o n S t u d i o ; S i mu l a t i o n 1引言 在液压系统的设计中,为减少因重复试验和加工所带来的 巨额费用, 设计人员希望能够通过预测液压系统的静态和动态性 能来了解液压缸的负载特性, 从而, 缩短液压系统的设计周期和 试验周期, 降低设计成本. 1_ 。仿真可以很好的解决上述问题, 利用 A u t o ma t i o n S t u d i o仿真软件建立了风机变桨距液压系统的仿真 模型, 形象直观的展现了液压系统的工作原理, 摆脱了复杂的数 学建模过程, 而且在该平台上, 能够模拟风机的各种运行状态, 对 实时数据进行有效的检测。 2 A u t o m a t i o n S t u d i o 软件简介 A u t o m a t i o n S t u d i o 软件具有液压系统设计、 动态仿真的功能 和易操作的图形化用户操作界面的特点。 液压元件模型在该软件 中用图标表示, 数学模型已经封装在内, 只需调出图标后连线, 即 可由计算机 自动生成回路的仿真模型,可实时看到仿真动作, 显 示全部的仿真数据日 。 A u t o ma t i o n S t u d i o 软件的另一个特点是包含机、 电、 液、 电磁 、 控制等多学科领域。通过建立电气模型来控制液压系统的运行。 该软件通用性强, 易操作 , 大力推动了液压产品现代设计方法的 实施。 3 A u t o m a t i o n S t u d i o平 台下变 桨距 液压 系统设计 3 . 1变桨距机构的工作原理 变桨距液压缸驱动示意图, 如图 1 所示。外圈为连接桨叶根 部的内压板,内圈为偏心块绕圆心 0的旋转平面, P点为液压缸 的支点 , 点为液压缸活塞杆初始位置,此时桨叶节距角 为 9 5 。 ; Q点为桨叶节距角 为 0 。 时活塞杆所在位置, 随着桨距角的 来稿 日期 2 0 1 2 0 8 1 1 作者简介 任育杰, 1 9 6 3 - , 男, 在读博士研究生, 主要研究方向 机、 电、 液一体化 宋锦春, 1 9 5 7 - , 男, 沈阳人, 博士, 教授, 博士生导师, 主要研究方向 机、 电、 液一体化 第 6期 任育杰等 基于 A u t o ma t i o n S t u d i o的风力发电变桨距液压 系统的仿真分析 4 1 变化, 液压缸绕着P点摆动。 风力发电机在启动前, 桨距角为 9 5 o , 即桨叶在顺桨位置。 当 风速达到切入风速时, 桨叶向 0 。 方向转动, 直到气流对桨叶产生 一 定的攻角, 叶轮开始进入工作状态。变桨距风力发电机的并网 运行根据风速的大小可以分为两个工况当风速低于额定风速 时, 利用变速恒频技术, 根据风速的大小相应控制转子的转速 , 可 以使发电机工作在最佳功率状态, 并不断追踪最佳功率曲线的过 程, 即是要求风能利用率 恒定为 c 的“ 恒 c 控制过程” 。 当风速大于额定风速, 小于切出风速时 , 风速变大使得发电机的 输出功率也随之增加, 这时输出功率已超过额定功率, 由于风力 发电机组的机械和电气极限的要求, 使得发电机的转速和输出功 率必须维持在限定值以下。 增大桨距角, 风能的利用率大幅减小, 发电机的输出功率也相应减小。因此, 当发电机输出功率大于额 定功率时, 通过调节桨距角来降低发电机的输出功率, 使之维持 在额定功率附近。 图 1变桨距液压缸驱动不意 图 F i g . 1 Op e r a t i n g P rin c i p l e o f t h e Hy d r a u l i c Cy l i n d e r 3 . 2 A u t o ma t i o n S t u d i o平台下变桨距液压 系统的仿真 分析 为了便于在 A u t o m a t i o n S t u d i o软件中进行建模和仿真, 我 们将变桨距的角度控制转换成液压缸的直线位移控制。 在实际的 液压原理图中,一个比例方向阀控制 3 个变桨距液压缸动作, 而 三个液压缸是完全相同的, 我们对其中一个液压缸进行建模和仿 真,同样能达到预期的效果。变桨距液压系统在 A u t o m a t i o n S t u d i o中的仿真模型, 如图 2 所示。 蛮 奖陌液 压缸 器 图2变桨距液压系统在 A u t o m a t i o n S t u d i o 中的仿真模型 F i g .2 T h e S i mul a t i o n Mo d e l o f Va r i a b l e Pi t c h o f Hy d r a ul i c S y s t e m i n Au t o ma t i o n S t u d i o 在图2的右侧部分为电控系统, 分别控制电机和各电磁阀。 顺桨时电磁阀 2带电, 电磁阀 1 和 3失电, 输入信号为 1 0 , 液压 缸从 0 。 向9 5 。 变化, 反馈装置的P I D参数为 1 , 0 , O 。顺 桨时的仿真回路, 如 3图所示。 输入信号, 如4图所示。 反馈装置, 如 5图所示 。 变桨 距液压缸 器 图 3变桨距系统在 A u t o ma t i o n S t u d i o中顺桨时的仿真 回路 Fi g .3 T h e S i mu l a t i o n Ci r c u i t o f Va ria b l e Pi t c h o f Hy d r a u l i c S y s t e m i n Au t o ma t i o n S t u d i o Du rin g Cl o s i n g Pi t c h 输入信号 苫 冒 图4变桨距系统顺桨时的输入信号 F i g .4 I n p u t S i g n a l Du rin g C l o s i n g Pi t c h 反馈装置 图5变桨距系统顺桨时的 P I D参数 Fi g . 5 PI D Para me t e r s Du r i n g Cl o s i n g Pi t c h 输入信号为 1 O , 变桨距系 I哽 桨时液压缸的位移, 如图6所 示。整个顺桨过程历时 l 2 . 2 s 。 吕 吕 变桨距系统顺桨时液压缸位移曲线 ,-一 / / / / / 。 / 一 . 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 单位 s 图6变桨距系统顺桨时液压缸位移曲线 F i g .6 T h e Di s p l a c e me n t o f Hy d r a u l i c C y l i n d e r Du rin g Cl o s i n g P i t c h 姗姗瑚 啪∞o 4 2 机 械 设计 与 制造 No . 6 J u n e . 2 0 1 3 赋予 P I D参数控制器的值为 6 , K 0 ; K e 0 , 得到的变桨 距系统顺桨时液压缸位移曲线,如图 7 所示。响应时间缩短至 8 . 8 s , 曲线更加平稳、 光滑, 符合实际工程要求的 8 s 钟完成顺桨 动作。 ‘ 暑 吕 噩 L 加入 P I D的变桨距系统顺桨时液压缸位移曲线 / / / / / / / 单位 S 图 7加入 P I D的变桨距系 顷桨时液压缸位移曲线 F i g .7 T h e Di s p l a c e me n t o f H y d r a u l i c C y l i n d e r A d j u s t e d b y PI D Co n t r o l l e r Du rin g Cl o s ing P i t c h 逆桨时电磁阀 1 、 2和3全部带电, 输入信号为 1 0 , 液压缸从 9 5 。 向0 。 变化, 反馈装置的P I D参数为 1 , 0 , K -- 0 。 逆桨时的 仿真回路, 如图 8 所示。 2 5 M 变桨距液压缸 图8 S t u d i o 中逆桨时的仿真回路 F i g .8 T h e S i mu l a t i o n Ci r c u i t o f Va r i a b l e P i t c h o f Hy d r a u l i c S y s t e m i n Au t o ma t i o n S t u d i o Du r i n g Op e n i n g P i t c h 输入信号为 1 0 , 变桨距系统逆桨时液压缸的位移 , 如图 9 所 示 。整个逆桨过程历时 1 0 . 9 s 。 I 魍 各 \ \ \ \ \ 、 \ \ 单 位 s 图 9变桨距系统逆桨时液压缸的位移 曲线 F i g . 9 T he Di s p l a c e me n t o f Hy d r a u l i c C y l i n d e r Du rin g Op e n i n g P i t c h 赋予 P I D参数控制器的值为 8 , , K -- 0 ,得到的变桨 距系统逆桨时液压缸的位移曲线, 如图 1 0所示。 响应时间缩短至 l 0 . 6 s , 曲线更加平稳、 光滑, 符合实际工程要求的 1 0 s 完成逆桨动 作。 吕 吕 田 L 加入 P I D的变桨距系统逆桨时液压缸位移曲线 、 \ \ \ \ \ \ 单位 s 图1 O加入P I D的变桨距系统逆桨时液压缸位移曲线 F i g . 1 0 The D i s p l a c e me n t o f Hy d r a u l i c C y l i n d e r A d j u s t e d b y P I D C o n t r o l l e r Du rin g Op e n i n g P i t c h 4结束语 2 通过利用 A u t o ma t i o n S t u d i o 软件仿真演示了液压系统的工 作运行情况, 对实时的流量 、 压力和液压缸伸缩速度进行监测, 避 免繁琐的系统公式推导, 简化参数设置步骤, 有效地提高研究效 率, 有利于工程技术人员学习掌握该系统, 为培训提供有效手段, A u t o m a t i o n S t u d i o 仿真软件必将在工程领域得到广泛的应用。 参考文献 [ 1 ] 张利平.液压控制系统及设计[ M] 一 E 京化学工业出版社, 2 0 0 6 6 . Z h a n g L i - p i n g . Hy d r a u l i c C o n t r o l S y s t e ms a n d I t s D e s i g n [ M] . B e i j i n g C h e mi c a l I n d u s t r y P r e s s , 2 0 0 6 6 . [ 2 ]F a m i c T e c h n o l o g i e s I n c . A U T O M A T I O N S T U D I O U s e r ’ s G u i d e [ M] . C a n a d a . [ 3 ] 顾鑫. 兆瓦级风力发电机组液压变桨距系统研究[ D ] . 无锡 江南大学, 2 0 08 1 8 - 2 0 . Gu X i n . R e s e a r c h o n H y d r a u l i c V a r i a b l e P i t c h S y s t e m o f Me g a w a t t Wi n d T u r b i n e [ D ] . Wu x i J i a n g n a n U n i v e r s i t y . 2 0 0 8 1 8 2 0 . [ 4 ]E C F i t c h , I T H o n g . H y d r a u l i c s y s t e m m o d e l i n g a n d s i m u l a t i o n【 M] . Ba r Dy n e, I n c , 2 0 0 1 . [ 5 ] B a il s . 0, S e r r a . O a n d Ma h i r T . F e a s i b i l i t y s t u d y o f w i n d f a r ms A c a s e s t u d y f o r I z m i r T u r k e y [ J ] . J o u r n a l o f w i n d e n g i n e e r i n g a n d i n d u s t ri a l a e r o d y n a - mi e s , 2 0 0 6 9 4 7 2 5 - 7 4 3 . [ 6 ] H a n s e n A D , S ore n s e n P and I o v F . C e n t r a l i z e d p a w e r c o n t r o l o f w i n d f a r m w i t h d o u b l y f e d i n d u c t i o n g e n e r a t o r s[ J ] .R e n e w a b l e E n e r g y , 2 0 0 6 3 1 9 3 5 9 51 . 1 7 j E . C . F i t c h , I . T . H o n g . H y d r a u l i c s y s t e m d e s i g n f o r s e r v i c e a s s u r a n c e [ M] . Ba r Dy ne , t n c , 2 0 0 4 . [ 8 ] P e t e r D r ans f i e l d . H y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m [ M ] . S p ri n g e r - V e r l a g . 1 9 8 1 . 1 9 J P e t e r J , G a w t h r o p a n d Ge r a i n t P B e v a n . B o n d - g r a p h mo d e l i n g [ J ] .I E E E C o n t r o l s y s t e m s m a g a z i n e , 2 0 0 7 4 2 4 4 5 . [ 1 O ] 杨 国平 , 周栋 , 俞佳倩.液压破碎锤的三维建模及改进设计[ J ] . 机械设 计与制造 , 2 0 1 1 1 0 4 1 - 4 2 . Y a n g G u o p i n g , Z h o u D o n g , Y u J i a q i a n 3 D mo d e l i n g a n d i mp r o v e - m e n t d e s i g n o f H y d r a u l i c h a m m e r_ J ] . M a c h i n e r y D e s i g n a n d M a n u f a c t u r e , 2 0 1 1 1 0 4 1 4 2 。 [ 1 1 ] 王磊. 高速电梯液压主动导靴自适应模糊控制[ J ] _机械设计与制造, 2 0 1 1 1 1 1 7 8 1 8 0 . . . Wa n g L e i . H i g h - s p e e d e l e v a t o r h y d r a u l i c a c t i v e g u i d b o 0 t s a d a p t i v e f u z z y c o n t r o l [ J ] . M a c h i n e r y D e s i g n a ri dM a n u f a c t i i-e , 2 0 1 1 1 1 1 7 8 - 1 8 0 . 、 . ‘ ■ 一 ’ .
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