液压传动风力发电机的恒转速控制.pdf

2 0 1 3年 6月 第 4 1卷 第 1 1 期 机床与液压 MACHI NE TO0L HYDRAUL I CS J u n e 2 01 3 Vo 1 ． 4l No ．1 1 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 1 1 ． 0 2 0 液压传动风力发电机的恒转速控制 魏 列江 ，王栋 梁，胡 晓敏 兰州理工大学能源与动力工程 学院，甘 肃兰州 7 3 0 0 5 0 摘要针对传统风力发电机体积和质量大，故障率及维护成本高的缺点，介绍了利用液压传动的风力发电技术。论述 液压传动的风力发电的总体方案及工作原理，在此基础上，重点阐述了利用液压传动控制技术，将风机不稳定转速的输入 变为稳定的发电机输入的调速方案和实现方法。在该技术方案中，用液压柔性传动代替 了机械刚性传动，减少了机组的机 械故障率，降低了制造和维护成本。 关键词液压传动；风力发电；恒转速 中图分类号T H1 3 7 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 1 1 0 7 7 3 Co ns t a nt S pe e d Co n t r o l o f Hy d r a ul i c Tr a n s mi s s i o n W i nd Tur b i n e WE I L i i a n g ，WA N G D o n g l i a n g ，H U X i a o mi n S c h o o l o f E n e r g y a n d P o w e r E n g i n e e r i n g ，L a n z h o u U n 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 G a n s u 7 3 0 0 5 0．C h i n a Ab s t r a c t Ai mi n g a t t h e s h o r t c o mi n g s o f t h e t r a d i t i o n a l w i n d t u r b i n e g e n e r a t o r ， s u c h a s l a r g e s i z e， h e a v y w e i g h t ， h i g h f a i l u r e r a t e a n d mu c h c o s t f o r ma i n t e n a n c e ， a k i n d o f t e c h n o l o g i e s e mp l o y i n g h y d r a u l i c d ri v e for wi n d p o we r g e n e r a t i o n wa s i n t r o d u c e d ． A p l a n t h a t c o u l d f u l fi l l t h i s h y d r a u l i c d r i v e for w i n d p o we r g e n e r a t i o n a s a w h o l e wa s d i s c u s s e d a s w e l l as t h e o p e r a t i o n p rin c i p l e ． On b a s i s o f t h i s ，b y u s i n g h y d r a u l i c d ri v e c o n t r o l t e c h n o l o g y，t h e s p e e d g o v e r n i n g p r o g r a m wh i c h t u rne d u n s t e a d y r o t a t i n g s p e e d i n p u t f r o m w i n d t u r b i n e i n t o s t e a d y i n p u t f r o m e l e c t ric g e n e r a t o r a n d r e ali z a t i o n me t h o d we r e d e s c rib e d ma i n l y ． Amo n g t h i s t e c h n i c al p r o gra m， a fl e x i b l e h y d r a u l i c t r a n s mi s s i o n w a s i n s u b s t i t u t i o n for a rig i d me c h a n i c a l o n e a n d r e d u c e d me c h a n i c a l f a i l u r e r a t e o f the ma c h i n e s e t ． T h e c o s t s o f ma n u f a c t u r i n g a n d ma i n t e n an c e a r e l o w e r e d ． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c d ri v e ； W i n d p o w e r g e n e r a t i o n； C o n s t a n t s p e e d 目前 ，迅猛发展的风电产业 E t 益受到人们 的关 注。双馈型和直驱型风力发 电机组技术相对较成熟， 是风机市场的主要产品。但是双馈型风力发电机需三 级行星齿轮箱，故障率高，使用周期短 ，经济性和稳 定性较差。直驱型风机虽然没有齿轮箱 ，但是由于使 用了多级低速永磁发电机 ，其体积和质量却增加了， 这就使得制造和维护的成本上升。上述两种兆瓦级的 风力发 电机组机 舱和轮毂的总质量均达到数十 吨甚至 上百吨，并且都架在6 0～1 0 0 i n的塔架上 ，使得机组 的维修和安装难度加大 。除此 之外 ，发电机的转速和 频率 的调 节也不 尽人意 。采用液压传动风力发 电恒转 速控制技术 ，能有效地解决传统风机存在的上述 问 题 。 1 液压传动风力发 电机组的整体结构 图 1 为液压传动风力发 电机组 的构成框 图。它 包 括叶片、轮毂、变量泵、液压定量马达、冷却器、油 箱、输油管路 、同步交流发电机、机舱等 。其中传 动轴和变量泵装在机舱 中。轮毂 圆周 内装一 个大的 内 啮合齿轮，其随轮毂的旋转而转动。传动轴的一端装 小齿轮与轮毂上的大齿轮啮合，另一端直接驱动变量 泵。这样的传动装置还可以通过内啮合齿轮传动比将 风轮转速放大到变量泵的工作转速。可以在机舱中同 时装入多个变量泵 ，使它们同步工作，最终达到交流 发电机所需的转速。在具有旋转动作的液压管路上使 用液压旋转接头，防止偏航时扭曲液压管道。如图1 所示 ，虚线 I 内的设备在塔架上 ，虚线 I I 内的设备在 地 面 E。 I I 酷 I I 输油 管路 图 1 液压传动风力发电机组的构成框图 副教授，主要从事流体测控方面的研究工作。通信作者王栋梁 ，Em a i l y u l a n g 7 1 8 男 埘 一 期 介 日 简 稿 者 收 作 7 8 机床与液压 第 4 1卷 2 恒转速控制 众所周知，感应电动势的频率取决于同步交流发 电机的转速 n和磁极对数P ，即 厂 O U 从供电品质考虑，由众多同步交流发电机并联构 成的交流 电网的频率应该是一个不变 的值 。另外 ，对 于一种特定的发电机来说，其磁极对数P是一定的。 由于风力是一种不稳定的动力源，风速、风向经常变 化 ，而风力发电机与电网并网时，要求风电的频率 保持恒定。因此，转速就决定了发电机的频率，它是 决定发电机能否并网的关键因素。 2 ． 1 液压传动风力发 电机组的工作原理 图2为液压传动风力发电机组的工作原理图，采 用液压柔性传动。在切入风速的工况下 ，风力机叶片 获取风能 ，和轮毂一起开始旋转。变量泵传动轴在内 圈齿轮的驱动下转动。泵输出的液压油通过塔架内的 管道送 给地面的定量液压 马达 ，以驱动马达旋转 ，从 而带动同步交流发电机发电 液压马达输出的油液经 过冷却器、过滤器之后流回油箱。整个传动装置是一 个闭式系统。补油泵的作用是始终保持低压管路有一 定的压力 ，改善主泵的吸油条件，防止空气渗入和出 现空穴现象；除此之外 ，它不断地将油箱中冷却的油 液输入到回路中，迫使液压马达排出的热油一部分从 溢流阀流回油箱，把 回路中的部分热量带走。另外， 补油泵还为变量机构提供恒定的控制压 。补油泵 的流量一般为主泵最大流量 的 1 0 ％ ～1 5 ％左右。旁 路蓄能器可以维持一段时间内的输出功率稳定。系统 中所使用的同步交流发电机转子旋转的速度和发电频 率有绝对的正比关系。与异步发电机相比，永磁同步 交流发电机转子为铁氧体材料制造的永磁体磁极，通 常为低速多极式，能在较低的风速下发电。它无需励 磁绕组 ，并且不需要从所接的 电网中汲取滞 后的磁化 电流，因此 ，在同功率等级下，功率因数较高 ，整个 系统能保证入网的风电与电网的频率相同。 2 ． 2 调速控制回路 的数 学模型 液压变量泵将机械能转化为液压能，通过油路驱 动定量马达恒速旋转。因为是定排量马达，所以马达 输人流量直接对应马达的输出转速。 风速的变化会 引起 变量泵转速 的变化 。系统通过 转速传感器将变量泵和定量液压马达的工作转速信号 送入控制器中 。控制器根据变量泵的转速和马达输 出转速的变化调整变量泵的控制信号。变量机构会根 据控制信号来调节轴向柱塞变量泵斜盘的倾斜角度。 同时，控制器还会分别发出控制信号来调整风机 叶片的桨距角和偏航系统，使风轮的转速维持在一定 的范围内。控制器 、电液伺服阀、变量柱塞和斜盘倾 角构成了一个闭环的控制回路。 图2 液压传动风力发电机组的工作原理图 2 ． 2 ． 1 阀控变量柱塞 该机构是用电液伺服阀控制的双作用液压缸。当 外部不加信号时，变量泵的斜盘倾角保持不变。利用 缸 的流量连续性方程 、滑阀的线性化方程 、液压缸空 载的力平衡方程可推导出柱塞输出量 。 s 关于给定 输入量 s 的传递函数 Kq _ 1 v 2 1 1 ＼ h ∞h ／ 式中 为液压固有频率； 为液压 阻尼 比； A为液压缸活塞的有效面积； 为阀在稳定工作点附近的流量增益。 2 ． 2 ． 2 活塞 一 斜盘倾角 变量机构中变量柱塞的位置与泵的排量调节系数 一一 对应。从柱塞位移到泵 的摆角之间的传递函数 为 2 式中 为变量泵斜盘倾角系数。 r s 为变量泵的斜盘摆角。 。 s 为柱塞输 出量 。 2 ． 2 ． 3 泵控马达回路 由变量泵的排量公式、变量泵流量方程、液压马 达和负载的力矩平衡方程可建立此回路的数学模型 马达输出轴转角对变量泵斜盘倾角的传递函数为 、 0 s D ， r s 一 f l 1 s I s l I ＼ ∞ ∞h ／ 式中 为变量 泵的流量增 益 ； D 为液压马达 的排量 。 第 1 1 期 魏列江 等 液压传动风力发电机的恒转速控制 7 9 可以将反馈回路上的速度传感器视为一个比例环 节，最终可得系统的闭环传递函数为 0 s K ， ． 、 “ s 2 ks z K ， O h ⋯ 式中K 为系统 的闭环增益 ，K ，K 为控制 器增 益 ； K 为系统 的开环增 益 ，K K u K v ，K 是 转速 测量增 益 ； ／ ／ , S 为输人电压信号。 选用 S A U E R ． D A N F O S S 萨奥 ．丹佛 斯公 司 9 0系列的轴向柱塞变量泵和轴向柱塞 马达。若马达 的排量 为 4 0 m L ／ r ；变量泵 的流量增 益为 1 ． 7 91 0 1T I ／ r a d s ；转速测量增益为 0 ． 1 5 V s ／ r a d ；变量泵斜 盘倾角系数为 0 ． 0 1 ；液压固有频率为 2 8 r a d ／ s ；液压 阻尼比为0 ． 5 。最后可得系统的闭环传递函数为 0 s 2 4 8 ． 7 u s 一1 ． 41 0 - 3 3 3 3 ． 71 0- 2 3 2s 3 7 ． 3 在MA T L AB ／ S i m- u l i n k中搭建模型，以 三 一 个阶跃 信号为系统 的输 入 ，得 到 图 3所 痢 示的仿真结果。根据 茹 发 电机 的 磁极 对 数 ， 可 以确定 同步磁场 的 转速，从而就 知道 了 马达转速 调节 的范 围。 图3 马达的恒转速输出 可 以看 出在 2 S 内马达 的输 出转速 即达到 了要 求 的范 围 之 内 。 分析 图 3可得 ，泵的流量大于 总的泄漏量 时 ，风 力机组的变量泵开始有流量输送到定量马达。通过改 。 。 。 。 。 ’ 。 。 ’ 。 。 。 。 ’ 。 。 ’ 。 。 ’ 。 。 。 。 ’ 。 。 。 。 。 。 ’ 。 。 ’ 。 。 。 。 。 。 。 。。 。 ’ 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 光洋科技首创机床 j ； 仅靠手提箱大小的一个智能控制器 ，就能模 拟 l 0多吨 i重大型机床的全套动作，并可进行深度研发操作。最近举行 i的 “ 中大型机床亚微米级集成控制技术国际研讨会”上， i大连光洋科技公司首创 的这一技术赢得国 内外专家一致赞 誉。 ； 在光洋科技研发 中心 ，这 台体积 只有 0 ． 0 5 in 的小装 i置 ，受到了前来观摩的国内外专家高度关注。它通过 内置的 “ 数控仿真仿真系统 ” ，像打计算机游戏一样，能模拟操 控 庞大的数控机床，既可完成工具切削、功能部件加工 ，还可 简单编程 ，对机床工艺技术进行深度研发。 ； 无锡透平叶片公司副总工艺师张家军介绍 “ 它是相 当 o 。 ◆ 。 。 ◆ o o ◆ o 。 ◆o o o o o o o o 。 。 0 0 0 ． o o ◆ 。 。 o o o 0 o 0 0 0 ◆ 。 。 ◆。 。 ◆ 。 。 。 。 ． o 。 t o o o o o 变泵的调节参数，马达就会对应一个恒定的输 出转 速 。马达 以此转速来 带动 同步交流发 电机 开始 发 电 ， 最终使得风电的频率保持恒定。 3结束语 液压传动风力发电技术是一种新型的风力发电技 术。目前，国外只有挪威一家公司和美国一家公司制 造过液压传动风力发电机的实验样机 ，但没有商业化 机型。国内只有大连星火新能源发展有限公司在作这 方面的研究。该技术方案针对传统风力机质量和体积 大、故障率和维护成本高的缺点提出完全不同的设计 理念。用柔性传动代替了刚性，取消了易损的变速 箱，将同步交流发电机设备从塔架上移至地面上，有 效地降低了塔架的承受重载荷 ，使整个风力发电机组 的维护成本和难度大幅下降。作者重点介绍了该技术 方案并阐述了利用液压控制系统的调速技术来控制同 步交流发电机的输入转速，将风机不稳定的转速控制 在发电机稳定的转速范围之内。整个技术方案有利于 风电成本的降低，为提高风电机组的性能和推动风电 产业的发展提供了参考。 参考文献 【 1 】陈建业， 周强． 液压传动在风力发电系统 中的应用[ J ] ． 移动电源与车辆， 2 0 1 1 1 3 0 3 2 ． 【 2 】赵克刚， 柳文斌． 基于液压复合传动的变速恒频风力发 电系统研究[ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 8 3 5 3 5 5 ． 【 3 】官忠范． 液压传动系统[ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 09． 【 4 】王芙蓉， 罗绍新． 泵控马达系统的复合控制[ J ] ． 山东理 工大学学报， 2 0 0 3 6 3 5 3 7 ． 【 5 】 李婷婷． 电液 比例变量泵一马达恒速控制系统的研究 [ D] ． 西安 长安大学， 2 0 0 4 ． 【 6 】 徐磊 ， 陶建峰， 刘成良 电液 比例变量泵控制方法研究 [ J ] ． 中国测试， 2 0 1 0 4 1 4 ． 【 7 】彭增雄 ， 苑士华． 液压泵控马达数字调速系统研究[ J ] ． 北京理工大学学报 ， 2 0 0 9 3 2 0 5 2 0 8 ． 。 。 。 。 ’ 。 。 。 。 。 ’ 。 。 ’ 。 。 。 。 ’ 。 。 。 。 。 ’ 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 ’ 。 。 。 。 。 。 ’ 。 。 微米集成控制技术 i 于把它迷你化了， 大大节省调试时间，包括减少人力物力 的 ； 消耗 。 ”在传统数控机床生产过程 中，激光主要用于后期检 i 测， 光洋科技则把高精密的激光测控技术前置到生产环节， ； 使大中型机床生产达到 0 ． 1 I．L m的重复定位精度，比传统机 ； 床精度提高了一个数量级。利用这一技术，一些高精度的机 ； 床设备生产可完全替代进 口。 同济大学教授张曙评价道“ 这是目前测量精度最高的 j 一 种方法，可以说进入国际高精密机床的领域。 ” 目前，我 ； 国9 5 ％的高档数控机床来 自进口，光洋科技推出的这种数 i 控集成新技术，填补了国内技术空白，市场前景广阔。 ； 内容来源科技 日 辗