风力发电机液压变桨距系统研究.pdf

2 0 1 2年 1 2月 第4 0卷 第 2 3期 机床与液压 MACHI NE T O0L HYDRAUL I C S Dc a ． 2 0l 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 2 3 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 2 3 ． 0 1 5 风力发电机液压变桨距系统研究 任育杰，宋锦春 ，任广安 ，张悦 东北大学机械工程与自 动化学院，辽宁沈阳 1 1 0 8 1 9 摘要介绍风力发电机组变桨距控制原理 ；并以2 ． 5 M W 风力发电机组为研究对象，根据变桨速度和力矩的要求设计 液压控制系统，分别对开桨和关桨时的液压系统进行建模，对变桨距系统进行仿真，并分析了系统的稳定性，为更深层次 的仿真研究和系统优化提供理论依据。 关键词风力发电机组；液压变桨距系统 ；建模；仿真 中图分类号T K 8 3 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 2 3 0 5 83 S t ud y o n Hy dr a ul i c Pi t c h c o nt r o l Sy s t e m f o r W i n d Dr i v e n Ge ne r a t o r R E N Y u j i e ，S O N G J i n c h u n ，R E N G u a n g ’ a n ，Z H A N G Y u e S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g a n d A u t o m a t i o n ，N o r t h e a s t e r n U n i v e r s i t y ，S h e n y a n g L i a o n i n g 1 1 0 8 1 9 ，C h i n a Ab s t r a c t C o n s t a n t p o we r c o n t r o l p rin c i p l e o f w i n d g e n e r a t i n g s e t wa s i n t r o d u c e d w h e n w i n d v e l o c i t y wa s h i g h e r t h a n r a t e d w i n d s p e e d ． Hy d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m o f 2 ． 5 MW w i n d g e n e r a t i n g s e t wa s d e s i g n e d a c c o r d i n g t o t h e d e ma n d o f v a r i a b l e p r o p e l l e r v e l o c i t y a n d t o r q u e ．A i m i n g a t c l o s i n g p i t c h and o p e n i n g p i t c h r e s p e c t i v e l y ，i t w a s m o d e l e d ，s i m u l a t e d ，a d j u s t e d ，a n d t h e s t a b i l i t y o f t h e s y s t e m wa s a n a l y z e d t o p r o v i d e t h e o r e t i c a l b a s i s f o r s i mu l a t i o n a n d o t h e r f u r t h e r r e s e a r c h ． Ke y wo r d s W i n d g e n e r a t i n g s e t ； Hy d r a u l i C v a ri a b l e p r o p e l l e r s y s t e m ； Mo d e l i n g ； S i mu l a t i o n 1 变桨距控制理论研究 风能利用系数可用下式近似表示 C 0 ． 4 4 - 0 ． 0 16 7 ／3 s in [ 卜 0 ． 0 0 1 8 7 A一 3 1 其中 为节距角，C 为风能利用系数，A为尖速度 比。由式 1 可针对不同的节距角 作出的相应的 风能利用系数 C 的变化曲线称为变桨距风力发电机 特性曲线，如图 1 所示。 图 1 变桨距风力机功率系数特性曲线 由图 1中所示的曲线 ，可有以下结论 1 在叶节距角 不变的情况下 ，存在唯一的 风能利用系数最大值 c ⋯ 。 2 在尖速度比 A保持不变的情况下，叶节距 角 O O 时风能利用系数 c 。 最大，并且风能利用系 数 c 。 随着叶节距角卢的增大而减小。 上述结论是变桨距控制的理论基础 当风速低于 额定风速时，通过变速恒频装置，随风速变化改变发 电机转子转速使风能利用系数恒定在 c ⋯ ，使风能 得到最大利用 ；当风速高于额定风速时，变桨距系统 开始工作 ，通过调整节距角卢改变风能利用系数 C 。 ， 使发电机转速恒定，功率恒定。 2 变桨距机构 变桨距一般分为统一控制和独立控制两种方式。 统一控制即机组所有桨叶都由一个执行机构驱动，桨 叶节距角变化相同；独立控制时，每个桨叶都 由独立 的变桨距执行机构控制 ，如果其中一个执行机构出现 故障，其余两个桨叶仍能调节桨叶节距角实现功率控 制，继续带伤工作。而统一变桨距执行结构出现故 障，只能停机维修 ，并且 自然界的风在整个风轮扫及 面上的分布是不均匀的，独立桨叶控制可以根据各个 桨叶上的风速不同进行调节 ，不仅能优化发电机输出 功率，而且能减小桨叶拍打振动，从而减小整机的动 态载荷。 文中采用 了独立的液压变桨距机构，具有 3套 独立的液压系统和执行机构 ，在控制方式上仍然沿 用了统一控制 ，这样可以保证 当一个执行机构和液 压系统出故障不会影响到整个风力机的控制。由于 桨叶通过机械连杆机构与液压缸活塞杆相连接，而 节距角又同液压的位移成正比，所以可以通过控制 收稿 日期 2 0 1 1 1 01 7 作者简介任育杰，男，博士研究生，研究方向为机、电、液一体化。Em a i l 3 6 9 2 2 0 4 2 4 1 6 3 ． c o rn。 第2 3期 任育杰 等 风力发电机液压变桨距系统研究 5 9 液压缸活塞杆位移来控制节距角。变桨驱动机构示 意 图见图 2 。 一 兰 暇 ] ／f 口 ‘ 雅杆 套 图 2 变桨驱动 机构示 意图 3 系统参数 系统要求活塞杆速度 0 ． 0 6 5 m ／ s ，负载转矩 T e 2 4 0 0 0 N m。选择系统参数如下 系统供油压力 P 1 5 MP a ，液压缸行程 S 5 0 0 m m，活塞直径 D 2 0 0 m m，活塞杆直径 d1 8 0 m m，活塞腔工作面积 A 3 1 41 0 i n ，活塞 杆 腔面 积 A 6 0 a m ，初 始 体积 V oA s ／ 2 ；M O O G D - 6 3 4 p系列 的 D 6 3 4比例 阀，叶片绕纵轴转动惯量 J 4 8 7 k g I n ，四杆机构的 简化等效力臂长度 L 0 ． 1 6 i n ，面积 比 n A ／ A 0 ． 1 9 ，线性化系数 后 5 0 0 ／ 3 ． 1 4 ／ 2 0 ． 3 2 ，动力 黏度 1 3 71 0 ～P a s ，内泄漏 系数 C ID4 ． 5 X 1 0‘ 。 m ／ S P a ，外 泄 漏 系 数c 1 X 1 0 i n ／ S P a ，阀芯与阀套间的径 向间隙 51 0 m，滑阀面积梯度 t o r d 3 1 ． 41 0 ～i n ，滑阀直径 d1 0 m m，液压油体积弹性模量 7 0 0 M P a ，关桨 时流量压力系数K “tr w r ／ 3 2 g 5 ． 6 1 0 。 ，开桨 时流量压力系数 一K ，C 1n ／ 1n C i 1 ／ 1 n C 6 ． 2 8 5 X 1 0 I n ／ S P a ，比 例阀固有频率 3 7 6 ． 8 r a d ／ s ，比例阀阻尼比 。 0 ． 7 ，比例阀增益 K p 0 ． 1 。q ． 为负载流量，q ， 为流 进无杆腔流量 ，q 为流进有杆腔流量，P 为关桨时 无杆腔压力，P 为开桨时无杆腔压力，P 为有杆腔 压力 ， 为伺服阀阀芯位移，Y为活塞杆位移。 4液压变桨距系统的建模 由于关桨过程利用比例阀控制非对称液压缸差动 回路，而开桨过程利用比例阀控制非对称液压普通回 路，所以它们的液压固有频率、液压阻尼比、零位增 益等参数均不相同，需要分别建模。 1 关桨 叶节距角 与活塞位移 Y 关系方程 Y S s JB s 线性化流量方程 Q s K q X s 一 K c P 。 s Q ∞一 K c P 。 s 流量连续性方程 Q L s A s Y s C i。 P 。 s V o s P s go平衡方程 A P s ．I s 1 3 s s 5 由式 2 一 5 得 去Q m 一 1 一 9 9 ． 5 Q l 』 】 一1 ． 9 8 X 1 0 一 6 ． 0 5 0 ． 1 1 2 s 1 2s 2 I l q J 其中 关桨液压固有频率 ／ J V o 9 6 ． 1 4 s ； 关 桨 液 压 警 _ 0 ．2 8 。 2 开桨 设负载压力 P L P 一n p ，负载流量 q q n q 2 ／ 1 17 , 线性化 流量方程 Q s s 一 P s Q ∞一 P s 6 流量连续性方程 Q s A 。 s Y s ／ [ I n 卢 e ] s P s C P S 7 力平衡方程 A P s J s 卢 s s 8 由式 2 、 6 一 8 得 卢 一 二 s 1 I J 其中开桨液压固有频率 1 n 2 A Zo L k fl e 9 7 ． 8 6 r a d ／s ； 开 桨 液 压 阻 尼 比 √ 0 ． 2 9。 3 比例 阀传涕 函数 可Q r o S g p v 0 ． 1 3 4 系统 模型 4 系统传递函数模型见图3 。 6 O 机床与液压 第 4 0卷 、 O ． 1 9 9 ． 5 _／r f S ． 2 0 ． 7 1 | n] 3 7 6 ． 8 2’3 7 6 ．8 ⋯ I o - 。 l 2 2 州 卜 _ pT n rn n t r a I l p r Ad d ⋯Ⅷ⋯ ⋯ Tr a n s f e r Fc n Co n s t a n t l r a n s f e r Fc nl I” 广 9 9 ． 5 C o n s ta n t2 _ ． J s 2 ． 2 0 ．2 9。 ． 一 一I L ． _ J 9 7． 86 2 。 97．8 6 ⋯ a⋯ L 1 _ r l t p 口r nt nr1 ⋯⋯ ’ ⋯⋯一 T r a ns f e r Fc n 2 ． 图 3 5 液压变桨距系统的仿真与稳定性分析 1 系统仿真 P I D设置 K v 2 ． 5 ，K 。 0 ． 1 ，系统阶跃响应 4 ，调整时间约为 0 ． 3 S 。系统 正弦响应见 图 5 。 图 4 系统 阶跃响应 S ys t e m M o de l ’ Ga i n Ma r g i n 5 ． 9 1 d B ⋯ A t f r e q u e n c v 8 8 ． 5 r a d ／ s 1 UI O S e O Lo o p t aD l e Ye s ●I N } 卜一 } - } ⋯ 1 ． H 卅 ⋯⋯ ● ● } H 图 5 系统正弦响应 2 稳定性分析 系统关桨、开桨开环频率特性分别如图 6 、7所 刁 o 20 0 1 0 0 ∞ 画0 坚 ．1 0 O s y s t e m Mod e l 岿 ． G a i n M a r g i n 5 ． 5 3 d B A t f r e q u e n c y 8 7 ．3 r a d ／ s Cl o s e d Lo op St a bl e Ye s 、 一⋯ - { ⋯⋯ - _ - * 划； 图6 关桨开环频率特性 羰 ／ r a d s - 1 图7 开桨开环频率特性 关桨时相对稳定性分析 幅值稳定域度为 5 ． 5 3 d B ，相位稳定域度为 7 4 ． 7 。 ，系统稳定；开桨时相对 稳定性分析 幅值稳定域度为 5 ． 9 l d B ，相位稳定域 度为7 4 ． 7 。 ，系统稳定。 6结论 针对液压变桨距系统开桨和关桨不同油路分别建 立对应的数学模型 ，并进行仿真和矫正，最后分析了 系统的相对稳定性 ，为更深层次的仿真研究和系统优 化提供了理论依据。 参考文献 【 1 】曾宪超． 风电机组变桨距伺服控制系统研究[ D ] ． 保定 华北 电力 大学 ， 2 0 1 0 3 1 3 9 ． 【 2 】F I T C H E C ， H O N G I T ． H y d r a u l i c S y s t e m D e s i g n f o r S e r v - i c e A s s u r a n c e [ M] ． B a r D y n e ， I n c ， 2 0 0 4 ． 【 3 】D R A N S F I E L D P e t e r ． H y d r a u l i c C o n t r o l S y s t e m[ M] ． S p rin g e r Ve da g ， 1 9 8 1 ． 【 4 】F I T C H E C ， H O N G I T ． H y d r a u l i c S y s t e m M o d e l i n g a n d S i mu l a t i o n [ M] ． B a r D y n e ， I n c ， 2 0 0 1 ． 【 5 】 王春行． 液压控制系统 [ M] ． 北京 机械工业出版社， 1 9 99． 【 6 】 吴振顺． 液压控制系统 [ M] ． 北京 高等教育出版社， 2 0 0 8 4 09 7． 【 7 】 杨征瑞． 电液比例与伺服控制[ M ] ． 北京 冶金工业出版 社 ， 2 0 0 9 4 2 7 0 ．