液压马达发电机并网转速控制方案及实验验证

苗小利，王帅军，郭军

(1.许昌电气职业学院电气工程系，河南许昌 461000；2.河南科技大学车辆与交通工程学院，河南洛阳 471003)

0 前言

风能属于一种在自然界中广泛分布的可再生绿色能源，随着传统煤炭、石油等化石燃料的不断消耗以及由此造成的环境污染问题受到了人们的越来越密切的关注，风能开始逐渐引起人们的密切关注[1-2]。现阶段，许多柔性液压传动部件也在风电行业获得推广应用，对传统机型刚性传动方式起到了良好的替代作用[3-4]。以液压方式驱动的垂直轴风力发电机属于一类新型结构的风力发电机，以柔性传动模式代替传统刚性传动结构，大幅降低机组故障发生率，促进机组电能利用效率的大幅提升[5-6]。液压驱动方式与传统动力的垂直轴风力发电机基本一致，同样需克服并网发电的难题。

当前已有许多国内外学者开展了液压风力发电机的并网转速调节方面的研究工作。其中，文献[7]针对液压马达发电机设计了一种模糊PID控制，从而达到稳定调节定量马达转速的效果，实现功率的优化功能。文献[8]综合运用变量马达排量与节流阀开度调节的方式对液压风力发电机进行并网转速调控测试。文献[9]则提出了一种储能液压风力发电机，通过蓄能器来抑制波动风速造成的液压系统压力变化，可以精确调节速度参数，而设置太高的风机转速时，同样会造成系统流量溢出的结果。文献[10]根据液压马达速度差异，计算风力机与变量马达速度偏差来实现补偿的效果，之后采用模糊控制方式，使转速调节系统达到优异动态性能，受到随机波动风扰动作用时，系统一直进行调整，从而实现与电网之间的平滑相连。

以上关于液压马达发电机转速控制的研究内容都没有考虑风速变化与风力机气动转矩差异引起的液压马达转速调控系统性能变化，其控制方法对于此研究来说具有较大参考意义[11-13]。考虑到风力机属于能量转换的一个关键环节，当风力机与定量泵连接之后，气动转矩波动程度对调节机组并网转速具有明显影响，此外还会造成机组传动链可靠度的下降[14]。因此，本文作者主要从风速预测以及气动转矩性能方面出发，探讨液压马达发电机精确调节并网转速的方案，从而控制机组的稳定并网并减小机组的传动链载荷。

1 液压马达发电机模型

液压垂直轴风力发电机的结构原理见图1。风驱动垂直轴风力机在波动状态下转动时，再将风能转变成机械能；定量泵和风力机之间保持同轴连接的状态，由风力机为定量泵提供转动驱动力，再把机械能转变成液压能；控制同步发电机转速为1 500 r/min，使液压能转变成电能，完成并网发电。

图1 液压马达发电机工作原理简图

液压马达发电机通过风力机实现并网发电的调节，同时设置了比例节流阀对主传动系统波动性进行有效抑制，此外还在系统中加入控制变量马达进行排量调节，从而确保在各风速下都能够精确调节风电机组运动参数与并网转速[15]；机组并网结束后，再将比例节流阀从系统中去除，此时比例节流阀保持阀口全开的程度，大幅减小液压系统能量损耗。

2 系统线性化和并网转速控制

2.1 控制输出

以定量泵输出功率与马达入口压力作为输出结果，因此存在以下关系：

(1)

式中：Dp和ωp分别为定量泵的排量和转速；ph1为定量泵与比例节流阀之间压力；ph2为马达入口压力。

2.2 系统相对阶

根据导数算法得到：

式中：βe为油液体积弹性模量；Kp为定量泵的排量梯度；Km和ωm分别为变量马达的排量梯度和转速；V1和V2分别为定量泵和变量马达到比例节流阀之间容腔体积；Lg1和Lg2分别为定量泵和变量马达由于压缩产生的流量。

对系统进行局部状态线性化处理，需要控制输入-输出过程的线性化。根据零动态设计的规则建立并网转速调节系统，同时按照系统控制条件设置了2个内部动态，完成系统零动态稳定性的验证。

2.3 控制律设计

设定以下跟踪误差计算式：

e=yd-y

(2)

得到以下控制输入：

(3)

根据系统控制条件对k11、k12、k21、k22进行参数整定，要求保证系统达到稳定控制状态，此时系统极点都处于负半平面区域。将式(2)(3)联立后得到系统控制律如下：

(4)

式中：V0为管路油液容积；Ku为比例节流阀流量增益。

测试系统通过压力与转速传感器获得高压压力并监测定量泵的转速，并将监测状态传入控制器内，定量泵下一时刻转速根据风速模型以及风力机模型共同确定，再将最终控制信号输入系统并对结果进行跟踪，由此实现在自然风速下精确调节变量马达转速的效果。

3 并网转速仿真研究

采用Simulink软件构建垂直轴液压机组并网转速调控测试模型，得到图2所示的结构，之后验证了机组分别处于平稳与随机风速两种状态下进行变量马达转速调节的结果。

图2 机组并网转速控制平台

3.1 平稳风速下仿真分析

为了对文中方法进行有效性验证，保持风速为3 m/s的稳定状态下，测试了液压风力发电机定量泵转速、系统压力以及变量马达转速随时间的变化规律，得到图3所示的结果。

图3 平稳风速下风力机转速特性

由图3(a)可知：处于稳定风速下时，定量泵转速有明显波动，这会在一定程度上增加对系统压力波动的影响。由图3(b)可知：只对变量马达进行排量调节时，会造成系统压力产生0.3 MPa的波动幅度；综合运用比例节流阀与变量马达进行调节时则可以有效抑制压力的波动，能够减小到0.1 MPa内。这是由于风力机气动转矩发生波动时将会造成变量马达转速的较大变化。图3(c)显示：受风力机气动转矩波动的影响，变量马达转速产生近4 r/min的偏差；受比例节流阀的阻尼影响，变量马达的转速波动更小，可以低至0.8 r/min，从而达到风电机组并网的条件。

3.2 随机风速下仿真分析

控制机组风速介于3～4 m/s，图4给出了液压风力发电机的定量泵转速、压力与变量马达转速曲线。

图4 随机风速下风力机转速特性

分析图4可以发现：此时定量泵转速存在低频波动的情况，只对变量马达进行排量调节时，可以使系统压力的变化幅度控制在0.2 MPa左右，同时变量泵马达转速的变化幅度接近5 r/min；综合运用比例节流阀与变量马达进行调节时，几乎看不到系统压力幅值的变化，显著降低变量马达的转速高频波动幅度，达到0.2 r/min以内。经节流阀调节后可以使马达转速达到更小波动幅度，满足风电机组并网转速控制要求。

4 并网转速试验研究

根据30 kV·A液压风力发电机仿真系统，对文中构建的并网转速控制方案开展测试。

4.1 平稳风速下并网转速试验研究

为了对以上理论分析与仿真结果进行验证，分析风速为3 m/s条件下的变量马达转速与压力变化曲线，结果见图5。

图5 平稳风速下并网转控制响应曲线

对图5进行分析可以发现：只对变量马达转速进行调节时，其转速发生了约±5 r/min的波动，同时系统的压力波动幅值接近0.2 MPa；设置节流阀的情况下，变量马达的转速波动幅度减小至2 r/min，同时系统压力的波动幅度减小至0.1 MPa，表明采用文中并网转速控制方法能够满足可靠性要求。

4.2 随机风速下并网转速试验研究

根据图4(a)所示随机风速以及图5所示测试平台，分析机组变量马达转速与高压压力，结果见图6。

图6 随机风速下并网转控制响应特性曲线

图6显示：未加入节流阀比例前，对变量马达转速进行调节时，转速波动幅度在10 r/min左右，无法达到发电机并网转速的控制需求，而系统压力的波动值是0.25 MPa；利用比例节流阀进行调节时，压力波动幅度达到0.2 MPa，变量马达的转速波动不超过±2 r/min，相对并网转速±6 r/min明显偏低，具有很高的控制精度。

5 结论

本文作者开展液压马达发电机并网转速控制方案及实验验证分析，取得如下结果：

(1)测试系统通过压力与转速传感器获得高压压力并监测定量泵的转速，将最终控制信号输入系统并对结果进行跟踪，实现在自然风速下精确调节变量马达转速的效果。

(2)平稳风速和随机风速下并网转速试验结果表明：综合运用比例节流阀与变量马达调节可以使系统压力波动幅值达到0.1 MPa，显著降低变量马达的转速高频波动幅度，满足风电机组并网转速控制要求。

(3)平稳风速和随机风速下并网转速试验结果表明：比例节流阀调节下压力波动幅度达到0.2 MPa，变量马达转速波动不超过±2 r/min，具有很高的控制精度。