水平轴潮流能发电机组液压变桨技术研究与海试

刘宏伟，李　伟，林勇刚，顾亚京，李阳健，谢卓君

（浙江大学　流体动力与机电系统国家重点实验室，浙江　杭州　310058）

水平轴潮流能发电机组液压变桨技术研究与海试

刘宏伟，李伟，林勇刚，顾亚京，李阳健，谢卓君

（浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室，浙江杭州310058）

变桨技术是水平轴潮流能发电机组的关键技术，对实现机组的功率控制和双向发电具有重要意义。在综合分析电气变桨方案和液压变桨方案的基础上，完成了120 kW水平轴潮流能发电机组变桨机构及其控制系统的设计，并进行了变桨距系统的厂内试验和海上试验，试验结果表明，该系统可以很好地实现机组的双向发电并实现发电机输出功率的有效控制，同时变桨距机构运行稳定，响应特性达到预期设计目标。

水平轴潮流能发电；液压变桨；厂内试验；海上试验

水平轴潮流能发电技术具有效率高、启动流速低等优点，已成为一种具有潜在商业化推广价值的新能源发电技术。目前国际上在研或已完成海试的水平轴单机功率已达到兆瓦级，如挪威的Hammerfest、德国的Voith等。我国的水平轴潮流能发电机组在技术研发方面并不落后于国外，但在单机规模及示范应用上有待进一步提高，截至目前国内完成海试的单机功率最大的水平轴潮流能发电机组是由浙江大学于2015年完成的120 kW机组，同期也有一些国有大型企业在开展300 kW乃至600 kW机组的研制。

潮流能发电机组工作环境恶劣，机组工况复杂，可靠性、机组效率及安装运维是水平轴潮流能发电机组技术产业化推广前必须解决的三大重要问题。本文研究的变桨距技术是与机组的可靠性和高效性密切相关的关键技术，它在机组功率控制及双向发电运行具有重要意义。目前国内外潮流能发电机组采用电气变桨技术较多[1-4]，如MCT的300 kW及600 kW机组，Hammerfest公司的兆瓦级机组，而国内也有研究机构拟采用电气变桨方案。本文拟在综合分析电气变桨和液压变桨距技术的基础上，重点对项目组研制的120 kW水平轴潮流能发电机组液压变桨距技术和试验进行介绍，以供同行交流。

1　变桨距方案的选型设计

根据执行机构不同，可以将变桨距系统分为电气变桨和液压变桨[5-6]。电气变桨系统由驱动电机、减速箱及驱动电源、电刷滑环等组成，根据桨叶的驱动形式可以再分为统一变桨和独立变桨，即三个叶片用一台电机驱动还是每只叶片都用一台电机，独立变桨的优点在于可以同时进行功率控制和叶片载荷控制。对于要求结构紧凑（减小挡水面积）的潮流能发电机组而言，电气变桨距机构需要较大的轮毂空间，而且需要可靠的电刷滑环，所以故障率较高。与电气变桨方案相比，液压变桨距具有结构紧凑、驱动力矩大、可靠性高等优点，笔者认为非常适合潮流能发电机组，桨毂里面只需保留驱动液压缸或马达，通过配油机构可以将液压泵站及其控制系统都置于水面之上，故本文重点对液压变桨距技术进行了研究，并完成了真机上的试验验证。

图1所示为根据120 kW机组叶片载荷及响应特性而设计的潮流能发电机组液压统一变桨距结构方案。该方案采用液压缸驱动齿轮齿条的方法实现叶片的统一变桨，并通过活塞杆的直线位移传感器将桨叶节距角信号传输给控制器。

图1　潮流能机组液压统一变桨距结构

图2为变桨液压驱动系统，设计的额定变桨速率为1°/s，通过电液比例换向阀实现叶片的顺桨和逆桨动作。系统设计具有自动和手动两种变桨功能，以便现场维护。

图2　潮流能机组变桨液压驱动系统

2　变桨系统控制策略及仿真研究

针对设计的液压变桨距系统，需要从机械结构、液压驱动及控制策略三个方面分别完成强度和功能的分析验证，本文主要从控制和液压驱动两方面完成系统的功能性验证。在进行液压系统和控制系统的加工制造前需要进行必要的仿真分析。图3为节距角控制流程图，为便于调试，系统设计采用开环及闭环两种控制模式。

如前所述，控制环节通过改变桨叶的节距角实现叶轮的功率控制和对流，所以桨叶节距角的目标值由水流方向和叶轮流体动力学特性决定。当机组的输出功率小于额定功率时，根据已知的叶轮流速-转速-功率特性曲线给出目标功率，将目标功率与实测功率的差值传递给变桨控制器，控制器给液压系统控制信号，液压系统驱动变桨油缸动作，从而实现桨叶的节距角调节，如图3所示。当水流换向时，由流速流向仪记录并反馈流速流向信号给控制器，控制器根据设定的控制逻辑给出节距角调节信号。

图3　桨距角控制流程图

图4为在AMESim软件下建立的液压系统及机械系统模型，控制器通过给图中的电液比例换向阀提供控制信号，实现阀控液压缸及变桨距执行机构按设定的目标动作。仿真模型中的参数按照实际设计后系统结构参数给出，并需要根据仿真结果修正相关的设计参数。

图4　变桨系统仿真模型

图5为变桨距液压系统的阶跃响应曲线，仿真时将幅度为180的阶跃信号作为目标桨距角的模拟信号。从仿真结果可知，液压系统响应速度较快，上升时间为1.8 s，峰值时间2.75 s，系统误差很小，系统具有很好的响应特性。

图5　变桨距液压系统的阶跃响应曲线

3　变桨系统试验研究

3.1厂内性能试验

在变桨距液压系统试验台设计、加工完成后，若不经厂房试验而直接进行海上试验，风险较大而且可能会导致难以预料的情况出现，所以进行初步试验是很有必要的。如图6所示为厂内试验照片，分别进行了系统开环特性和闭环特性试验。

图6　变桨距系统厂内测试

图7　控制电压为±5 V时开环试验结果

试验油缸行程约130 mm，缸内径50 mm，活塞杆直径22 mm。首先对变桨距液压系统进行开环试验，通过PLC控制器输出控制电压到比例放大器再控制比例换向阀动作，在满量程控制电压下的模拟桨距角及控制电压的变化如图7所示。由于与实际变桨液压缸相比，试验油缸行程短、缸径小，所以对应的变桨时间较短，分别为1 450 ms（顺桨）和1 800 ms（逆桨）。

闭环特性试验是在厂房内120 kW实物机组上进行的，如图8所示，在测试液压系统的同时，对箱体内部的液压管线进行测试。图9为变桨距闭环试验结果，其中系列2为给定的桨叶目标值，系列1为实测的桨叶节距角，在0时刻给定目标节距角为180°，系统经过约300 s左右，叶片节距达到180°，从而可以认为叶片实现双向对流功能需要约5 min，这对于潮流换向的时间来讲是足够的。由于系统具有较大的阻尼，也保证了系统具有较好的线性特性和无超调的特性。

当变桨距系统用于功率控制时，可以通过调节流量控制阀的开度来实现桨叶节距角的速度控制。

图8　变桨距闭环试验

图9　变桨闭环试验结果

3.2海上试验验证

为有效验证变桨距系统的有效性，对完成的120 kW机组进行了海上现场变桨试验。图10所示为海上变桨距试验结果，在20:20'55''进行叶片顺桨试验，当叶片节距角达到90°时，叶轮处于停机位置，发电机输出功率为0。在20:33'左右开始逆桨至180°，叶轮开始工作，发电功率逐渐增大到70 kW左右。从而有效验证了变桨距系统在开机及停机过程中的功能。

图10　节距角与功率关系海试结果

4　结论

本文针对120 kW水平轴潮流能发电机组的变桨距系统，完成了变桨距系统的设计、数字仿真、厂内试验和海上现场试验。仿真及试验结果均表明，本文所设计的变桨距系统可以满足百千瓦级水平轴潮流能发电机组的实海况运行需要，即提高机组的可靠性、实现双向运行、提高捕能等。试验结果完全达到预期设计要求，该技术有望应用于中大型水平轴潮流能发电机组，为潮流能装备未来向着大型化、商业化方向发展积累了丰富的经验。

[1]Fraenkel P.The Tide Turns for Marine Current Turbines[J].International Water Power&Dam Construction,2001,53(12):18-21.

[2]Fraenkel P L.Marine Current Turbines:Pioneering the Development of Marine Kinetic Energy Converters[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,Part A:Journal of Power and Energy,2007,221(2):159-169.

[3]Chen H,Ait-Ahmed N,Zaim E H,et al.Marine Tidal Current Systems:State of the Art[C]//Industrial Electronics(ISIE),2012 IEEE International Symposium on.IEEE,2012:1431-1437.

[4]Zhou Z,Scuiller F,Charpentier J F,et al.An Up-to-Date Review of Large Marine Tidal Current Turbine Technologies[C]//Power Electronics and Application Conference,Shanghai,China,2014.

[5]刘宏伟,李伟,林勇刚，等.基于液压传动的潮流能发电装置及其变桨距机构研究[C]//中国可再生能源学会海洋能专业委员会第三届学术讨论会论文集,2010.

[6]刘林,麦云飞,宁李谱.兆瓦级风力发电机组电动变桨距控制系统设计[J].机械制造,2008,46(9):15-18.

Research and Sea Trails of the Hydraulic Pitch Control Technology for Horizontal Tidal Current Turbines

LIU Hong-wei,LI Wei,LIN Yong-gang,GU Ya-jing,LI Yang-jian,XIE Zhuo-jun
State Key Laboratory of Fluid Power&Mechatronic Systems,Zhejiang University,Hangzhou 310027,Zhejiang Province,China

The pitch control technology is key technology for horizontal tidal current turbines(HTCT),which is significant for achieving power control and dual-directional operation of turbines.Based on comprehensive analysis of electrical pitch and hydraulic pitch schemes,this paper finishes the mechanical design and control system design of a 120 kW HTCT,and the workshop tests and sea trails have been carried out.The test results show that the designed system can well realize dual-directional power generation and effective nominal power control,with the system working steadily and response characteristics reaching desired design target.

horizontal tidal current turbine(HTCT);hydraulic pitch control;workshop test;sea trail

P743.1

A

1003-2029（2016）05-0066-04

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.05.013

2016-05-10

国家自然科学基金资助项目（51575477）；国家可再生能源专项资金资助项目（GHME2015GC02）；浙江省自然科学基金资助项目（LY14E050019）

刘宏伟（1978-），男，博士，副教授，主要研究方向为潮流能发电装备及部分风电技术。E-mail：zju000@163.com