风力发电机液压变桨系统的建模与仿真

2020-04-08杨红全

上海电气技术 2020年1期

杨红全

上海电气风电集团股份有限公司上海 200241

1 研究背景

二十世纪七十年代初,由于石油危机导致能源紧张问题,风能作为可再生、无污染自然能源引起了人们的高度重视。近年来,世界各国均出台了一系列促进新能源发展的措施。与此同时,科学技术不断进步,风力发电的成本迅速下降,成为新能源大力崛起的重要推动力。我国的风能资源相对丰富,除西藏和新疆外,海上可开发的风能容量为7.5×108kW。风能密度高于300 W/m2和高于400 W/m2的地区,面积共有650 000 km2和280 000 km2,可以安装的发电机容量分别为3.7×109kW和2.8×109kW[1-3]。截至2017年第三季度末,我国风力发电量占各种能源发电总量的9%,位于火力发电与水力发电之后,排名第三位[4]。目前,风力发电机已向大功率、海上及陆上低速大叶片型等方向发展。风力发电机分为直驱风力发电机、半直驱风力发电机和双馈风力发电机,目前市场上以双馈风力发电机为主。双馈风力发电机需要由齿轮箱增速后进行发电[5]。桨距的控制方法有液压桨距控制、电动桨距控制和电液桨距控制[6]。液压变桨具有大功率、大扭矩、动态响应快,以及机组紧急停机后重启迅速等优势,在大功率机型中应用越来越成熟。液压变桨及控制程序比较复杂[7],液压变桨控制系统一般由国外供应商提供。可见,研究液压变桨控制技术及实现大功率风力发电机液压变桨系统国产化是当前需要解决的问题。

笔者建立风力发电机液压变桨系统数学模型,将比例阀、液压缸等参数代入数学模型,应用Matlab/Simulink软件进行仿真,验证液压变桨系统的稳定性及响应性能。液压变桨系统有多种工况,包括正常开桨、正常顺桨、快速顺桨、紧急变桨等。快速顺桨工况相比正常开桨、正常顺桨工况,控制能力较弱,笔者基于快速顺桨工况研究液压变桨系统是否合理。

2 液压变桨系统控制流程

风力发电机液压变桨系统是一种用电液比例阀控制液压缸的位置反馈系统。控制器根据风速、叶片桨距角及参考指令来控制电压,通过独立比例放大器将电压信号转换为电流信号后用于驱动电液比例阀阀芯,进而控制液压油流量和变桨油缸的方向,这一系列控制动作会使叶片桨距角在0°～90°之间变动。变桨油缸内装有位移传感器,在变桨过程中,位移传感器能根据检测到的油缸活塞杆伸出位置换算出风力发电机的叶片桨距角。液压变桨系统控制流程如图1所示。

图1 液压变桨系统控制流程

3 快速顺桨原理

风力发电机液压变桨系统执行快速顺桨动作时,液压工作原理如图2所示。来自液压站的一部分压力油经过电磁换向阀6、节流阀2、截止阀4,到达变桨锁定缸有杆腔,克服变桨锁定缸无杆腔的弹簧力,使活塞杆收缩,打开与变桨锁定缸相连接的锁定销,此时风力发电机叶片具备可以旋转的条件。与此同时,比例换向阀b端,以及电磁换向阀1、2、4同时得电,来自液压站的另一部分压力油经过单向阀3、电磁换向阀4、比例换向阀b端、电磁换向阀1、截止阀1,到达变桨油缸1、2的无杆腔,有杆腔油液经过截止阀2、单向阀2,回到进油管道,形成差动油路。此时,变桨油缸1、2的活塞杆快速伸出,风力发电机液压变桨系统完成快速顺桨动作。

4 液压变桨系统数学模型

来自液压站的压力油经过比例换向阀等元件后,到达变桨油缸,通过变桨油缸的活塞杆伸缩来完成变桨动作。风力发电机液压变桨系统有多种工况,笔者基于快速顺桨工况进行数字建模。

图2 快速顺桨液压工作原理

4.1 快速顺桨工况

当风力发电机液压变桨系统快速顺桨时,变桨油缸有杆腔的油通过截止阀2、单向阀2回到进油管道,此时液压系统整个回路形成差动连接,可以简化为三通阀控非对称液压缸回路,如图3所示。图3中:A1为变桨油缸无杆腔活塞的面积,m2;A2为变桨油缸有杆腔的有效作用面积,m2;Ci为油缸内泄漏系数,m2/(N·s);Ps为比例阀前油压力,Pa;P1为油缸无杆腔压力,Pa;Xv为比例阀阀芯位移,m;Xc为油缸活塞杆位移,m;Ma为叶片及油缸活塞的总质量,kg;FL为作用在活塞杆上的外负载力,N;BP为总黏性负载系数,N·s/m。

图3 三通阀控非对称液压缸回路

由三通滑阀流量公式[8]可知,在恒压源供油时,控制滑阀的负载流量QL可以表示为油缸无杆腔压力P1和阀芯位移Xv的函数。基于线性系统对液压变桨系统进行分析,得出三通阀的线性化流量方程为:

QL=KqXv-KpP1

(1)

式中:Kq为比例阀在临近稳定工作点时的流量增益,m2/s;Kp为比例阀在临近稳定工作点时的流量压力系数,m5/(N·s)。

变桨油缸无杆腔的流量连续性方程为:

(2)

式中:V1为无杆腔容积,m3;βe为液压油体积模量,N/m2。

变桨油缸的力平衡方程为:

(3)

式中:K为弹性负载,N/m。

对式(1)、式(2)、式(3)进行拉普拉斯变换,得:

QL(s)=KqXv(s)-KpP1(s)

(4)

QL=CiP1+V1sP1/βe+A1sXc

(5)

P1A1=MaXcs2+BPXcs+KXc+FL

(6)

式(4)为阀的流量方程式,式(5)为变桨油缸的流量方程式,式(6)为变桨油缸的力平衡方程,可得数学模型:

(7)

Kc=Kp+Ci

(8)

式中:Kc为总流量压力系数,m5/(N·s)。

式(7)即为变桨油缸活塞输出位移Xc与比例阀阀芯位移Xv、作用在活塞杆上外负载力FL之间的传递函数。

(9)

(10)

(11)

(12)

式中:Kh为液压弹簧刚度;ωh为快速顺桨时系统固有频率;ξh为快速顺桨时系统阻尼比。

由于无弹簧负载,即K为0,因此式(9)可以化简为:

(13)

式(13)是风力发电机液压变桨系统快速顺桨时变桨油缸输出位移与比例阀阀芯位移输入、作用在活塞杆上外负载力之间的传递函数。

变桨油缸输出位移与比例阀阀芯位移之间的传递函数为:

(14)

变桨油缸输出位移与作用在活塞杆上外负载力之间的传递函数为:

(15)

4.2 变桨油缸位移与叶片桨距角

变桨油缸位移与风力发电机叶片桨距角之间的关系如图4所示,γ为风力发电机变桨油缸最大开桨位置,此时叶片桨距角为0°,可以测量。β为风力发电机叶片桨距角,为可变参数。r为油缸活塞杆上销轴中心的旋转半径。LPC为风力发电机变桨油缸处于最大开桨位置时油缸两端销轴中心P点、C点之间的距离,为已知值。O点为叶片变桨旋转中心点,P点为变桨油缸底座销轴中心点,O点、P点之间距离LOP为固定值。D点为顺桨到当前位置的油缸活塞销轴中心点位置。

由图4可得油缸位移Xc为:

Xc=LPD-LPC

(16)

式中:LPD为P点、D点之间的距离。