液压型风力发电机恒转速控制的研究

, , , 　(1.兰州理工大学 能源动力学院， 甘肃 兰州　730050； 2.兰州理工大学 温州泵阀研究院， 浙江 温州　325105)

引言

能源是人类赖以生存和发展的物质基础，而如今风能已经成为清洁可再生能源的代表，风力发电逐渐走进人们的视野。传统的风力发电机按照转速的不同，风力发电机类型可分为定转速、受限变转速和变转速三种。在变速风力发电机中，两种最有竞争能力的结构形式是异步电机双馈式和永磁同步电机直接驱动式机。直驱式风力发电装置，采用低速永磁同步发电机，发电机直径大、重量大、制造成本高，安装难度大。而液压型风力发电机通过调节泵和马达组成容积调速回路，提高系统的效率，降低了制造成本，且易于安装。

1　液压型风力发电机的整体结构

本研究所用液压型风力发电装置结构如图1所示。

图1液压型风力发电机的组成框图

该装置包括风力传动部分、液压传动部分以及发电部分。风力传动部分包括风力发电机叶轮和轮毂。叶片轮毂连接齿轮箱，风力机轴的转速通过齿轮箱增至定量泵所需的额定转速，定量泵正常工作之后带动变量马达工作，马达与发电机连接，将液压能转化为电能，最终达到发电机正常工作所需的转速。

2　恒转速控制

2.1　液压型风力发电机的工作原理

1、10.油箱　2.溢流阀　3.补油泵　4.过滤器　5.安全阀 6.定量泵　7.齿轮增速箱　8.单向阀　9.蓄能器　11.比例阀 12.变量柱塞　13.测速电机　14.变量马达 图2　液压传动风力发电机的工作原理图

蓄能器9在这里主要起节能作用，当风速突然增大时，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5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，保证系统安全运行。由于系统有泄漏，所以增加补油泵3，以补充系统的泄漏。

2.2　建立系统数学模型

1) 阀控液压缸

该机构是用电液伺服阀控制的液压缸，当外部不加信号时，变量马达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液压缸输出量xp关于给定输入量xv的传递函数：

(1)

式中:ωh—— 液压固有频率

ζh—— 液压阻尼比

Ap—— 为液压缸活塞的有效面积

kq—— 阀在稳定工作点附近的流量增益

2) 活塞-斜盘倾角

变量机构中变量柱塞的位置与马达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：kε—— 为变量马达斜盘倾角系数

γ—— 变量马达斜盘倾角

xp—— 柱塞输出量

3　不同定量泵转速对变量马达恒转速输出的影响

AMESim是学科领域复杂系统建模与仿真平台，具有复杂液压元件结构参数化的功能模块。 利用AMESim软件建模如图3所示，表1各元件设置参数。运用AMESim里面的液压库，机械库和信号库，简化了系统原理模型， 用函数f(x)代替了原理图中电液反馈部分，使定量泵转速与变量马达的斜盘倾角存在某种函数关系，使其能达到恒转速调节的目的。

图3　AMESim仿真图

表1　各元件设置参数

根据流量反馈原理：

(3)

式中：np—— 为定量泵转速(r/min)

vp—— 定量泵排量(mL/r)

r—— 变量马达要求输出转速，该方案中为1500 r/min

vm—— 变量马达最大排量(mL/r)

当定量泵转速分别为850 r/min，1000 r/min、1100 r/min 时，对应马达转速输出曲线分别如图4～图6所示。其中给定的转速信号持续时间为3 s。

图4　定量泵转速850 r/min

图5　定量泵转速1000 r/min

图6　定量泵转速1100 r/min

当定量泵转速为850 r/min时，马达转速最终稳定时系统没有超调量，定量泵转速为1000 r/min时，此时系统存在超调量，但与图4相比，系统调节时间较短。当定量泵转速1100 r/min时，系统超调量明显比定量泵转速1000 r/min时要高。定量泵转速不同时，之所以会出现如图4～图6的曲线变化，是因为变量马达存在一个斜盘倾角基准值，此基准值是由转速为理想转速1000 r/min计算而来的，因此在定量泵转速在临近1000 r/min上下波动时，马达转速曲线会呈现不同的变化。离基准值越近，变量马达斜盘倾角需要调整的幅度越小，系统越容易稳定，超调量也越小。定量泵转速超过基准值时，系统超调量上升，震荡较大，马达转速低于基准值时，系统没有超调量，但调节时间较长。

4　结论

(1) 通过对液压型风力发电机液压传动部分的研究，提出了定量泵控变量马达的设计方案，克服了传统发电装置体积庞大，制造成本高的缺点；

(2) 通过AMESim仿真模型的建立，可以模拟泵控马达的调节过程，调节结果都可以实现变量马达的恒转速控制。定量泵转速越接近设定值，马达最终调节到恒转速的时间越短，超调量也较小。这对以后研究如何加快恒转速系统的调节时间和提高稳定性提供了参考。

参考文献：

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