液压型风力发电机组能量传递与耗散

液压型风力发电机组能量传递与耗散

艾超1,2闫桂山1孔祥东1,2董彦武1

1.燕山大学河北省重型机械流体动力传输与控制实验室,秦皇岛,066004

2.先进锻压成形技术与科学教育部重点实验室(燕山大学),秦皇岛,066004

摘要：为分析液压型风力发电机机组能量转化机理，针对其能量传递与耗散问题展开了研究。将整个机组分解为若干个关键子单元，建立机组能量传递模型，分析机组能量传递变化规律；以能量传递模型为基础，对机组能量耗散进行推导分析，得到机组能量耗散数学模型。将30kV·A液压型风力发电机组实验台作为仿真和实验基础，对机组能量传递与耗散进行仿真与实验研究，进而验证理论分析的准确性。研究结果表明：机组在工作过程中其能量特征状态发生改变，并存在一定的能耗，整机效率约为65.7%。

关键词：风力发电;液压传动;能量传递;能量耗散

中图分类号：TH137;TK83

收稿日期：2015-05-18

基金项目：国家自然科学基金资助项目 (51405423)；国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心开放课题资助项目(NECSR-201305);燕山大学青年教师自主研究计划课题资助项目(13LGB005)

作者简介：艾超,男,1982年生。燕山大学机械工程学院讲师。主要研究方向为液压型风力发电机组。发表论文20余篇。闫桂山,男,1988年生。燕山大学机械工程学院硕士研究生。孔祥东(通信作者),男,1959年生。燕山大学机械工程学院教授、博士研究生导师。董彦武,男,1989年生。燕山大学机械工程学院硕士研究生。

EnergyTransferandDissipationinofHydraulicWindTurbines

AiChao1,2YanGuishan1Kong Xiangdong1,2DongYanwu1

1.HebeiProvincialKeyLaboratoryofHeavyMachineryFluidPowerTransmissionandControl,

YanshanUniversity,Qinhuangdao,Hebei,066004

2.KeyLaboratoryofAdvancedForging&StampingTechnologyandScience

(YanshanUniversity),MinistryofEducationofChina,Qinhuangdao,Hebei,066004

Abstract:Taking a hydraulic wind turbine as the research object, the energy transfer and dissipation were studied for energy conversion mechanism in hydraulic wind turbine. The entire unit was divided into several key sub-units. The energy transfer models were established, and the variation of energy transfer was analyzed. The energy dissipation was derived and analyzed based on energy transfer models, and mathematical models of energy dissipation were obtained. Using 30kVA hydraulic wind turbine simulation platform as the simulation and experimental foundation, simulation and experimental researches of energy transfer and dissipation were carried out.The accuracy of theoretical analyses was verified. The results show that energy feature state is changed during operation, containing a certain energy dissipation, and the overall efficiency is about 65.7%.

Keywords:windpower;hydraulictransmission;energytransfer;energydissipation

0引言

目前风力机组主流机型为齿轮箱传动型和直驱型[1-2],但液压型风力发电机组作为一种新型风力发电机型,采用液压传动系统实现风力机到发电机之间的能量传输，以其传动灵活、可靠性高、装机成本低等特点[3-4],在风力发电行业中具有强大的竞争力。

在液压型风力发电机组中,机组能量传递与耗散问题直接决定了整机的效率，一直是国内外学者关注的热点，也是液压型风力发电机组的主要研究方向之一。

针对液压型风力发电机组能量转化问题，国内外学者分别对机组能量预测评估[5]、能量传输响应特性[6]和最佳功率追踪[7-8]等进行了一系列研究，但尚为对机组能量传输与耗散规律进行深入研究。

为此,本文通过建立了定量泵、变量马达和发电机的能量传递模型，并对其能耗规律进行了理论分析和仿真实验测试,为液压型风力发电机组实现高效节能、高性能控制提供理论参考和实验依据。

1机组工作原理及能量传递分析

液压型风力发电机组[9-10]工作原理与能量传递如图1所示。由图1可知,在分析机组能量传递与耗散过程中，可以将其分解为风力机、定量泵、变量马达、同步发电机和高压管路5个关键子单元。其中，风力机将风能转化为机械能，并传递到定量泵；定量泵将风力机输出的机械能转化为液压能经定量泵-变量马达液压调速系统后，传递到变量马达；在液压能作用下，变量马达输出机械能驱动同步发电机旋转；最终，同步发电机将机械能转化为电能而并网发电。

图1　机组工作原理及能量传递图

2机组能量传递与耗散理论分析

2.1机组关键部件数学模型

为研究机组能量传递与耗散问题，首先需对机组的关键部件风力机、定量泵和变量马达等进行数学模型分析。

(1)风力机。风力机是整个系统的能量捕获机构，是机组能量传递的源头。对风力机的输出功率与转矩进行数学模型[11]分析,则有

(1)

式中,Pw为风力机输出功率;ρ为气流密度;R为叶片半径;Tw为风力机输出转矩;Cp为风能利用系数；ωt为风力机角速度;v为风速。

(2)定量泵。定量泵在风力机驱动下输出高压油,其流量连续性方程为

Qp=Dpωp-Ctpph

(2)

定量泵在风力机作用下同轴旋转,其力矩平衡方程为

(3)

式中,Qp为定量泵输出流量;Dp为定量泵额定排量;ωp为定量泵角速度;Bp为定量泵侧黏性阻尼系数;Jp为定量泵与负载总惯量;Ctp为定量泵泄漏系数;ph为系统压力。

(3)变量马达。定量泵输出高压油到变量马达，变量马达流量连续性方程为

Qm=Dmωm+Ctmph=Kmγωm+Ctmph

(4)

变量马达同轴驱动发电机旋转,其力矩平衡方程为

(5)

式中,Qm为变量马达输出流量;Dm为变量马达额定排量;Ctm为变量马达泄漏系数;ωm为变量马达角速度;Bm为变量马达侧黏性阻尼系数;Jm为变量马达与负载总惯量;Km为变量马达排量梯度;γ为变量马达摆角与其最大摆角比值;Te为发电机电磁转矩。

(4)高压管路。定量泵到变量马达间高压管路由于油液压缩作用，产生的流量方程为

(6)

式中,V0为单个腔室的总容积;βe为有效体积弹性模量。

(5)同步发电机。同步发电机在变量马达作用下,产生机械旋转,其机械方程可表示为

(7)

式中,J为发电机转动惯量;TD为发电机阻尼转矩;Tm为变量马达负载转矩;P为发电功率;ω为发电机电气角速度;f为发电频率;p为发电机极对数。

同步发电机定子铜损较小,可忽略不计,其发电功率可近似为电磁功率,则有

P=Teωm

(8)

2.2机组能量传递模型

在分析机组能量传递与耗散过程中,将风力机能量输入作为机组能量传输的源头，则定量泵、变量马达和发电机是机组能量传输的基本变换单元，也是连接系统内部各种能量特征状态的桥梁和纽带。针对上述能量变换单元，若分别取其输入输出端的能量特征状态进行分析，即可得到该单元的能量传递模型。系统能量传递状态如图2所示。

图2　机组能量传递状态图

(1)定量泵能量传递模型。由图2可知,定量泵将风力机输入机械能特征状态矢量[Twωp]T转化为液压能特征状态矢量[phQp]T,由式(2)和式(3)可知,定量泵能量传递模型为

(9)

式(9)定性表述了定量泵的能量特征状态变换规律,即从风力机输入机械能转化为系统液压能的传递关系。

(2)变量马达能量传递模型。由图2可知,变量马达将液压能特征状态矢量[phQm]T转化为机械能特征状态矢量[Tmωm]T,进而驱动发电机并网发电。由式(4)和式(5)可知，变量马达能量传递模型为

(10)

式(10)定性表述了变量马达的能量特征状态变换规律，即从系统液压能输入转化为机械能输出的传递关系。

(3)同步发电机能量传递模型。由图2可知,同步发电机将变量马达输入机械能特征状态矢量[Tmωm]T转化为电能特征状态矢量[Pf]T,由式(7)和式(8)可知,同步发电机能量传递模型为

(11)

式(11)定性表述了同步发电机的能量特征状态变换规律,即从变量马达机械能输入转化为机组电能输出的传递关系。

2.3机组能量耗散分析

由液压系统能量传递模型分析可知，若忽略管路沿程能量损失，定量泵、变量马达和发电机是机组能量损耗的关键部件。

下面对机组能量消耗进行具体分析。系统能量流动特性如图3所示。其中,Pp为定量泵输出功率，Pp1为定量泵功率损耗，Ph为变量马达输出功率,Pm1为变量马达功率损耗,Pg1为发电机功率损耗。

图3　机组能量流动状态图

由图3机组能量流动状态图可知,风力机输入能量经定量泵-变量马达液压调速系统传输并网发电过程中，其主要能耗分别为定量泵功率损耗、变量马达功率损耗和同步发电机功率损耗,具体分析如下：

(1)定量泵功率损耗。风力机驱动定量泵旋转，输入液压系统功率为Pw(去除机械损失部分)，而定量泵在实际工作过程中存在内泄、气穴和油液的弹性压缩等因素，造成其流量存在一定损耗。由定量泵能量传递模型联立式(2)、式(3)可得,定量泵功率损耗为

Pp1=phDpωp(1-ηpv)

(12)

式中,ηpv为定量泵容积效率。

(2)变量马达功率损耗。变量马达在高压油作用下高速旋转，向发电机输入机械功率Ph(包含机械损失部分),与定量泵相似,变量马达工作过程同样存在一定的流量损耗。由变量马达能量传递模型联立式(4)和式(5)可得,变量马达功率损耗为

Pm1=phKmγωm(1-ηmv)

(13)

式中,ηmv为变量马达容积效率。

(3)同步发电机功率损耗。变量马达输入到发电机的机械功率Ph，扣除发电机的机械损耗Pm、铁损PFe和附件损耗Pad后，通过电磁感应作用，机械能转化为电能，这部分功率称为电磁功率，忽略定子铜损，发电机发电功率P即为电磁功率。综上所述，发电机功率损耗为

Pg1=Pm+PFe+Pad

(14)

3仿真与实验研究

以燕山大学30kV·A液压型风力发电机组实验台为基础，针对机组能量传递与耗散问题进行仿真和实验研究。实验平台见图4，实验平台由风力机模拟系统、液压传动系统和采集与控制系统组成。实验过程中，采用相似模拟原理，并对风力机转动惯量进行模拟补偿[7]，通过变频器控制变频电机模拟风力机特性，可对风力机输出转矩、转速等进行相似模拟。依据实验台工作原理，采用MATLAB/Simulink与AMESim 软件搭建系统仿真平台进行仿真研究，仿真平台如图5所示，参数设定见表1。

(a)液压系统实物图

(b)采集与控制系统实物图 图4　液压型风力发电机组实验平台

图5　液压型风力发电机组仿真平台

序号名称参数1风力机转动惯量(kg·m2)4002定量泵输出排量(mL/r)633变量马达最大排量(mL/r)404定量泵转速输出范围(r/min)100～10005发电机与负载转动惯量(kg·m2)0.456变量马达恒转速输出值(r/min)15007发电机额定电流(A)43.38发电机额定电压(kV)0.4

对机组能量传递与耗散进行仿真和实验研究,得到仿真实验曲线如图6所示。

由图6仿真和实验结果可知,如图6a、图6b所示,风力机(变频电机)作为机组能量的源头,其输入能量特征状态为(450±70)r/min波动转速、(140±20)N·m波动转矩;由图6c、图6d可知,由于定量泵能耗问题，其输出流量为(30±4)L/min,系统压力为(12±2)MPa；如图6f、图6g所示, 定量泵输出能量特征状态经过变量马达转化后,变量马达输出到发电机的能量特征状态为(1500±4)r/min波动转速、(30±2)N·m波动转矩；如图6h、图6i所示，最后同步发电机将上述能量状态转化为电能并网发电，具体能量状态表现为发电功率(4.5±0.2)kW,发电频率(30±0.2)Hz。

(a)风力机转速 (b)风力机转矩(c)定量泵流量

(d)系统压力 (e)变量马达流量(f)变量马达转速

(g)液压转矩 (h)发电功率(i)发电频率 图6　机组能量传递仿真与实验图

综上所述,风力机能量输入经定量泵、变量马达和发电机传递过程中，其能量特征状态发生改变，同时在传递过程中能量存在一定的耗散。

为进一步比较，实验过程中，设定风力机输出能量标幺值[12]为100%,对图6实验结果进行计算，并结合机组能耗分析，可得能量在传递过程中各关键部件的能量输出,如图7所示。

图7　机组能量耗散图

由图7结果可知,当风力机输出能量为100%时，定量泵输出能量约为87.6%,变量马达输出能量约为68.8%,最终发电功率约为65.7%;则在整个过程中，定量泵能量损耗约为12.4%，变量马达能量损耗约为18.8%,发电机能量损耗约为3.1%。进一步，机组在能量传递过程中存在一定的耗散，主要来源于定量泵-变量马达液压传动系统,最终可知机组能量传递的整机效率约为65.7%。

4结论

(1)分析了机组关键部件的能量特征状态，建立了机组能量传递模型。

(2) 推导了机组关键部件的能耗数学模型，得到了机组能量耗散规律。

(3) 仿真和实验分析表明，机组在工作过程中，定量泵能量损耗约为12.4%，变量马达能量损耗约为18.8%，发电机能量损耗约为3.1%，整机效率约为65.7%。

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(编辑袁兴玲)