液压型风力发电机的恒转速控制.pdf

Hyd r a ul i c s Pne u m a t i cs Se a l s ／ No． 0 2． 201 5 d o i l O ． 3 9 6 9 4 ． i s s n ． 1 0 0 8 0 8 1 3 ． 2 0 1 5 ． 0 2 ． 0 1 4 液压型风力发电机的恒转速控制 张立强 ， 练 敏 ， 张婧芳 ， 郑文婧 1 ． 兰州理工大学 能动学院 ， 甘肃 兰州7 3 0 0 5 0 ；2 ． 兰州理工大学 温州泵阀研究院， 浙江 温州3 2 5 1 0 5 摘 要 介绍了一种新型液压型风力发电装置的工作原理， 分析了发电机在不同风速下的恒转速控制 ， 并利用 M a t L a b ／ s i m u l i n k对其进 行建模仿真， 为今后的研究提供一些参考。 关键词 液压型； 风力发电； 恒转速控制 中图分 类号 T H1 3 7 文献标 志码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 5 0 2 0 0 3 7 0 3 Th e Co n s t a n t S p e e d Co n t r o 1 o f Hy d r a ul i c Ty p e W i n d Po we r S ys t e m Z H A NGL i - q i a n g L 2 , L I A NMi n L 2 , Z H A NGJ i n g -f a n g L 2 , Z H E NG W e n -rin g J。 1 ． S c h o o l o f E n e r g y a n d p o we r e n g i n e e r i n g， 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 gy ， L a n z h o u 7 3 0 0 5 0 ， Ch i n a ； 2 ．We n z h o u Ac a d e my o f P u mp a n d v a l v e E n g i n e e r i n g ， L anz h o u Un i v e r s i ty o f T e c h n o l o gy ， We n z h o u 3 2 5 1 0 5 ， C h i n a Ab s t r a c t A n e w t y p e o f h y d r a u l i c typ e wi n d p o we r e q u i p me n t i s e x p o u n d e d． Th e wo r k i n g p r i n c i p l e o f wi n d p o we r g e n e r a t i o n d e v i c e i s i n - t r o d u c e d． Th e n a n a l y z e d c o n s t a n t r o t a t e s p e e d c o n t r o l un d e r d i ff e r e n t c o n d i t i o n s， a n d o n t h e mo d e l i n g a n d s i mu l a t i o n ． I t c a n p r o v i d e s o me r e f e r e n c e f o r f u t u r e r e s e a r c h ． Ke y wo r d s h y dra u l i c t y p e ； wi n d p o we r ； c o n s t a n t c o n t r o l s p e e d 0 引言 随着 电力行业 的迅猛 发现 ， 风力发 电已成为 了人 们广泛关注的话题。目 前主要的风力发电装置传动方 式有三种， 分别为齿轮箱式传动、 直驱式传动和液压型 传动 。由于齿轮箱式传动齿轮容易造成磨损 ， 后续利用 电力 电子技术进行控制 ， 控制系统结构 比较复杂。直驱 式风力发电装置 ， 采用低速永磁同步发电机， 电机技术 难度 大 ， 重量重 ， 不易 吊装 。而液压型风力发 电机通过 调节泵和马达排量 ， 以容积式调节方式来实现恒频恒速 发电 ， 不需要复杂 的电力 电子控制 电路 ， 实现起来也较 容易， 能有效地解决传统风机所存在的一些问题。 1 液压型风力发电机整体结构 本文所用液压型风力发电装置结构如图 1 所示 。 图 1 液压型发 电装置 结构 图 该装置 由叶片轮毂连接齿轮箱 ， 转速通过齿 轮箱 增至变量泵所需的额定转速 ， 带动变量泵进行工作 ， 从 收稿 日期 2 0 1 4 0 8 2 0 基金项目 国家高技术研究发展 8 6 3 计划资助项目 2 O 1 2 A A 0 5 2 9 O 2 ； 甘 肃省自然科学研究基金计划项 目 1 0 1 4 1 L I 2 A 0 2 3 作者简 介 张立强 1 9 7 7 一 ， 男 ， 河北安 闺人 ， 副 教授 ， 硕士 ， 主要从事 流 体 、 测控技术方 面的教学和科研工作 。 而带动马达 ， 马达与发电机相连接 ， 将液压能转化为电 能 ， 后续通过并网系统与电网进行并 网输送至变电站 ， 再 由变 电站变压转换为生活用电 ， 减去 了复杂的电力 电子控制模块， 也使得液压泵在正常转速下工作， 降低 了发电机的成本 。 2 恒转速控制 由 ．厂 P知， 感应电动势的频率取决于发电机 o U 的输入转速 n和磁极对数 P。 从供 电品质考虑 ， 众多 同步交流发 电机并联构成 的交流电网的频率理应是一个定值。而对于给定的发 电机， 它的磁极对数为一定值 ， 故而我们只需将其转速 控制为恒定值就能满足其恒频发电。 2 ． 1液压型风力发电装置的工作原理 风机转速经过增速器增速后传递到液 压系统 ， 转 化 为液压能 ， 再 由经液压马达传递到发电机转化 为电 能。当风机转速为某一定值时， 变量泵的输出流量也 为某一定值 ， 所以定量马达的输出转速也为一定值， 即 发 电机在某一 固定转速下稳定发 电。然而 ， 事实上风 力的大小是时时刻刻都在变化的， 我们设计通过调节 变量泵的斜盘倾角来改变液压泵的排量， 使之流量保 持恒定， 在流量恒定的前提下， 定量马达的转速也为恒 定值 ， 发电机正常发电。不论风机转速多大， 发电机始 终恒频恒速发 电。液压型风力发 电装置工作原理图如 图 2所示 。 液 压 气 动 与 霜p t d ／ 20 1 5．年 第 02期 卜叶片2 一 齿 轮增 速箱3 一 变量泵4 一 单 向阀5 一 溢流 阀6 一 蓄能器 7 一 电液比例阀 8 一 活塞缸9 一 定量马达1 0 、 1 1 、 1 2 - 油箱 图2 液压型风力发电装置工作原理图 当风速突然变大时， 固定在定量马达上的转速传 感器感受到其转速增大的信号 ， 并将此信号传递到控 制器与给定转速值进行比较 ， 将误差值转化为相应的 电流信号来控制电液比例阀的输入电流大小 ， 从而相 应的调节阀的开 口量 ， 控制活塞杆向左运动 ， 活塞杆推 动变量泵的斜盘使斜盘倾角变大， 使其流量做出相应 的调整， 直到马达的转速值调至给定转速为止， 风力突 然减小时， 其调节方式上述动作相反。蓄能器在这里 起节能作用 ， 当风速增大时 ， 蓄能器可以储存一部分能 量 ， 吸收系统中产生的流量脉动和冲击 ， 当风速突然减 小 时 ， 蓄能器给系统补充一部分能量 。溢流阀设定一 个溢流压力， 当风速特别大的时候 ， 油液通过溢流阀进 行溢流。 2 ． 2 建立系统数学模型 1 四通阀控变量活塞 此 系统所用 阀假定为零开 口四边滑阀 ， 四个节流 口是匹配和对称的 ， 供油压力恒定 ， 回油压力为零 。由 于位置伺服系统动态分析经常是在零位工作条件下进 行 的 ， 此 时 增量 和 变量 相 等 ， 则 阀 的线 性化 流 量方 程为 g L K q X 一 Kp L 1 设 定 阀与液压缸 的连接管道对称且粗而短 ， 管道 中的压力损失和管道动态可以忽略； 液压缸每个工作 腔内各处压力相等 ， 油温和体积弹性模量为常数 ； 液压 缸内、 外泄漏均为层流流动。则流量连续性方程简化 g I _ 誓 C tpP L 2 式中c 。 变量活塞总泄露 系数 ； A 变量活塞有效作用面积 ； 活塞位移 ； 有效体积弹性模量 包括油液、 连接管道 和缸体的机械柔度 。 活塞缸与空载的力平衡方程 d d x A p p mt 邶 K x 3 式 中m。 活塞折算到活塞上的总质量 ； 3R Xp A p ‘ 4 v 乓 式中 斜盘摆角 ； 斜盘倾角系数 。 6 y f 乓 1 一 式 中0 液压马达的转角 ； 变量泵 的流量增益。 - L 一 一 7 y s 乓 1 1 K X． X S 2 ㈦ v y p v 。 r 2 1 、 一 一 7 2亡 、， P J Hy d r a u l i c s P n e u m a t i c s S e a l s ／ No ． 0 2 ． 2 0 1 5 d o i l O ． 3 9 6 9 ． is s n ． 1 0 0 8 0 8 1 3 ． 2 0 1 5 ．0 2 ． 0 1 5 敏感性分析法在减压阀设计中的应用 吉利科 ， 张 伟 西安航空动力控制公司， 陕西 西安 7 1 0 0 7 7 摘 要 以减压阀为例 ， 通过在液压元件传统设计中嵌入敏感性分析 ， 找出产品设计 目标实现的敏感要素并提出解决对策 ， 得到既满足 产品使用精度要求又降低经济指标的设计结果。这种新思路对降低研制成本， 提高产品性价比和竞争力具有重要意义。 关键词 敏感性分析； 减压阀； 液压元件 ； 产品设计； 性价比 中图分 类号 T H1 3 7 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 - 0 8 1 3 2 0 1 5 0 2 - 0 0 3 9 - 0 4 P r e s s u r e Re d u c i n g Va l v e De s i g n wi t h S e ns i t i v i t y An a l y s i s J I Li k e． Z HANG We i Xi a n Ae r o e n g i n g C o n t r o l ， Xi ’ a n 7 1 0 0 7 7 ， C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o f i n d t h e s e n s i t i v i t y f a c t o r s o f r e a l i z i n g p r o d u c t d e s i g n t a r g e t ， p r o p o s e s o l v i n g me tho d s a n d a c h i e v e t h e d e s i gn r e s u l t s wh i c h c a r l s a t i s fie s the a c c u r a c y r e q u i r e me n t a n d ma k e t h e p r o d u c t mo r e e c o n o mi c a l ， the s e n s i t i v i t y an a l y s i s i s u s e d i n t h e d e s i g n o f h y d r u - l i e c o mp o n e t ，s u c h a s p r e s s u r e r e d u c i n g v a l v e ． T h e n o v e l me tho d i s q u i t e me ani n g f ul f o r r e d u c i n g p r o d u c t c o s t ，i mp r o v i n g c o s t -p e r f o r - ma l i c e r a t i o ， an d e n h an c i n g c o mp e t i t i v e n e s s ． Ke y wo r d s s e n s i t i v i t y a n a l y s i s ； p r e s s u r e r e d u c i n g v a l v e ； h y d r a u l i c c o mp o n e n t ； p r o d u c t d e s i gn ； c o s t - p e r f o r ma n c e r a t i o O 引言 传统设计方式 中 ， 零组件尺寸公差一般根据 经验 收稿 日期 2 0 1 4 - 0 7 2 3 作者简介 吉利科 1 9 8 1 一 ， 男 ， 河北邢台人， 硕士， 工程师 ， 现从事机械 和公差 给定 。公差 过大 ， 不能保证 产品质量 ； 公差 过 小 ， 加 工 困难 ， 成本提 高 。在市场竞 争 E l 益激烈 的今 天 ， 寻找精 度要 求与经济指标 的最佳平衡点在产品研 制时显得更为重要 。 敏感性分 析是 产品评价 的一种方法 ， 在一定程度 液压产品设计与制造领域的 科学研究。 上 描述 了不确定 性 因素的变动对产 品研制效果 的影 - - - 一- - - - - - - - 一- - - - - - - - - - - - 0 一 2 2 3． 7 5 X 0． 0 01 2 75 5s 。 十0 ． 0 3 57 s S 38 ． 4 用 Ma t L a b ／ S i mu l i n k进行仿真 ， 用 阶跃 函数代替指 令输入 ， 得到如下图3 所示 ， 横轴为时间， 纵轴为液 压马达转速 。 时 间 ／ s 图3 马达转速 仿真 图 由上图我们可 以看 出响应时间大概在 1 ． 3 5 s， 给定 一 个输入位移 ， 系统马上做出相应的调整， 使之转速保 持恒定， 从而进行恒频恒速稳定发电。 3 结论 新型液压型风力发电装置减少了复杂的电力电子 控制部分， 节约了成本， 而加入的液压传动部分传递效 率高， 能量损失小 ， 并且控制部分结构简单 ， 可实现 自 动控制 ， 实现恒频恒速控制容易。 本 系统前半部分 为机械结构 ， 后半部分为液压结 构， 机械传动效率高达9 5 ％以上， 而液压部分传动效率 也在9 0 ％左右 ， 系统响应速度快， 并网容易， 同时也节 约 了成本。 参考文献 王春行． 液压控制系统f M】 ． 北京 机械工业出版社 ， 1 9 9 9 ． 魏列江， 王栋梁 ， 胡晓敏． 液压传动风力发电机的恒转速控 制[ J 】 ． 机床与液压 2 0 1 3 ， 4 1 6 7 7 7 9 ． 张高峰． 液压传动型风力发 电系统马达转速特性研究【 D 】 ． 大连 大连理工大学， 2 0 1 2 ． 艾超． 液压型风力发电机组转速控制和功率控制研究【 D 】 ． 秦皇岛 燕山大学， 2 0 1 2 ． 韩利坤． 基于能量液压传递的“ 变速恒频” 技术研究【 D 】 ． 杭 州 浙江大学， 2 0 1 2 ． 单铁亮． 液压风力发电系统稳定性控制仿真研究【 D 】 ． 秦皇 岛 燕山大学， 2 0 1 2 ． 孔祥东． 液压型风力发电机组主传动系统综述f J 1 ． 液压与气 动， 2 0 1 3 ， 1 1 - 6 ． 3 9 Ⅲ 闭 嘲