液压型风力发电机组低电压穿越过程主传动系统瞬态特性研究*

艾 超，孔祥东*，闫桂山，华玉兰，宋 豫

(1.燕山大学河北省重型机械流体动力传输与控制实验室，河北秦皇岛066004;2.燕山大学先进锻压成形技术与科学教育部重点实验室，河北秦皇岛066004;3.燕山大学机械工程学院，河北秦皇岛066004;4.沈阳新松机器人自动化股份有限公司，辽宁沈阳110000)

0 引 言

液压型风力发电机组［1-3］(以下简称液压型机组)采用定量泵-变量马达柔性传动，配合励磁同步发电机，有效地提高了发电质量，降低了机舱重量，降低了对电网的冲击。

液压型机组主传动系统原理为:风力机驱动定量泵输出高压油，传动部分采用定量泵-变量马达闭式液压系统，变量马达与励磁同步发电机刚性连接。系统通过控制变量马达的摆角实现发电机转速的实时调整，从而控制发电机工作于同步转速实现并网发电［4-5］。

其中，低电压穿越是风电机组的一项关键技术，也是现代风力发电机组正常运行的要求，指风电场并网点由于电网故障或扰动造成电压跌落时，风电机组能够保持并网，并通过向电网提供一定的无功功率支撑电网恢复，最终“穿越”整个低电压时间(区域)［6-8］。

与传统风力发电机组一样，液压型风力发电机组需要具备低电压穿越能力。液压型机组在低电压穿越过程中，为保证发电机稳定工作于工频转速保持并网，液压主传动系统需要对其功率、压力等瞬态特性进行快速调整。因此，液压主传动系统瞬态特性在低电压穿越过程具有重要作用。

国内外学者［9-11］对液压系统瞬态特性开展了一些了研究，但针对低电压穿越过程中液压主传动系统瞬态特性研究的文献鲜见，未形成成熟的研究体系。因此，有必要对液压型机组低电压穿越过程主传动系统瞬态特性展开研究。

本研究针对液压型机组低电压穿越过程，重点研究其主传动系统瞬态特性。

1 液压型机组液压主传动系统瞬态模型及分析

液压型机组主传动系统由定量泵-变量马达闭式容积回路组成，其原理如图1所示。

图1 定量泵-变量马达闭式回路原理图

液压型机组在低电压穿越过程中，为保证发电机稳定工作于工频转速保持并网，液压主传动系统需要对其功率、压力等瞬态特性进行快速调整。因此本研究建立液压主传动系统定量泵-变量马达数学模型［12］，得出液压主传动系统瞬态特性。

定量泵转速瞬态传递函数为:

式中:θp—定量泵转速，rad/s;Dp—定量泵的输出排量，m3/r;γ—变量马达斜盘倾角与其最大倾角比值，γ0—γ的初始值;Dm0—变量马达的最大排量，m3/rad;Km—变量马达排量梯度，m3/rad;Km0—Km初始值;θm—变量马达转速，rad/s;θm0—θm的初始值;Ct—总泄漏系数，m3/(s·Pa);V0—单个腔室的总容积，m3;βe—有效体积弹性模量，Pa;Jp—定量泵和负载的总惯量，kg·m2;Bp—泵侧粘性阻尼系数，N/(m/s);Tp—定量泵的驱动力矩，N/m。

变量马达转速瞬态传递函数为:

式中:Qp—定量泵的输出流量，m3/rad;Tm—变量马达轴上的外负载力矩，N/m。

变量马达输出功率传递函数为:

式中:ph—高压管路压力，Pa;ph0—ph初始值;P—变量马达输出功率，W。

当电网电压跌落时，为实现低电压穿越，液压型机组通常采用直接控制变量马达摆角的方法，通过增大变量马达排量，调整系统瞬态压力ph，使变量马达输出功率P迅速降低，从而使定量泵转速θp提高，将多余的能量储存到风力机中。最终系统通过控制变量马达转速使发电机稳定工作于工频转速保持并网，实现低电压穿越。

2 液压型机组主传动系统瞬态特性仿真研究

本研究以燕山大学30 kVA液压型机组实验系统为基础，依据液压型机组低电压穿越控制原理，搭建系统仿真平台。笔者采用AMESim软件搭建主传动系统瞬态特性仿真模块，利用Matlab/Simulink软件搭建风速与风轮特性模块、低电压穿越控制器模块、电力系统模块，并利用接口技术实现两个软件的联合仿真。仿真平台如图2、图3所示，仿真参数设定如表1～3所示。

图2 液压主系统瞬态特性仿真模块

表1 Simulink参数设定

表2 AMESim参数设定

图3 液压型机组低电压穿越仿真平台

表3 液压系统参数表

2.1 运行工况对主传动系统瞬态特性影响

本研究模拟风力机典型工况，分别设置定量泵转速为400 r/min和600 r/min，研究主传动系统瞬态特性，仿真结果如图4所示。

由图4可知，随着定量泵转速增加，变量马达摆角增大、转速波动增大，系统瞬态压力增高。此外，定量泵转速分别设定为400 r/min和600 r/min时，在变量马达摆角调整1 s后，对应发电功率下降幅度分别为12%和16%。可知，在不同工况下，变量马达摆角初始值设定和发电功率响应的快速性不同，变量马达摆角初始值越大，对应发电功率瞬态响应越快。

图4 不同工况下主传动系统瞬态特性仿真结果

由上述仿真结果分析可知，在低电压穿越过程中，本研究根据不同的电压跌落深度，通过调节系统压力，实现了定量泵液压负载转矩的控制，最终调整定量泵至最佳转速。

2.2 管道长度对主传动系统瞬态特性影响

笔者通过仿真分析管道长度对主传动系统瞬态特性的影响规律，缩短主传动系统液压管路长度，即减少液压管路初始容积。设定定量泵转速为900 r/min时，仿真结果如图5所示。

图5 不同管道长度主传动系统瞬态特性仿真结果

由图5可知，缩短液压管路长度、减小液压管路初始容积，有利于发电功率的瞬态响应速度的提高，但是变量马达在摆角快速调整瞬时，其转速会波动增大(转速波动是在电力系统允许范围内的)。因此，在主传动系统定量泵-变量马达闭式回路中，缩短管路长度有利于发电功率快速响应。

依据上述分析，本研究对主传动液压系统管路进行优化，分别缩短高、低压管路，优化后对系统频域特性进行分析，仿真结果如图6所示。

图6 主传动系统压力特性频域仿真结果

由图6可知，在幅值为 -3 dB时，频宽 ωb=76.2 rad/s≈12.1 Hz，即缩短液压管路后，系统压力特性响应速度较快，在低电压穿越过程中可迅速调整至设定值。

由上述仿真结果分析可知，为实现低电压穿越，液压型机组在工程推广过程中，在满足机组液压系统安装的前提之下，应该尽量缩短液压管道长度，提高液压型机组的低电压穿越控制能力。

3 结束语

本研究通过数学模型和仿真分析，研究液压型机组低电压穿越过程主传动系统瞬态特性。主要得到以下结论:

(1)建立了低电压穿越过程液压主传动系统的瞬态模型;

(2)给出了定量泵转速与主传动系统瞬态响应的作用规律，即提高量泵转速有利于系统的快速响应。为不同运行工况下低电压穿越的控制方法提供了参考依据;

(3)提出了管道长度对主传动系统发电功率响应的影响规律，即缩短管道长度有利于发电功率的快速调整。为低电压穿越控制中液压系统管路优化奠定了基础。

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