劉長江,鄧曉剛,石青易
(1.重慶長安工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,重慶 401120;2.重慶科技學(xué)院機(jī)械與動力工程學(xué)院,重慶 401331)
液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組作為新一代風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,與傳統(tǒng)齒輪箱式及直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相比具有很大優(yōu)勢[1]。液壓傳動風(fēng)力發(fā)電機(jī)在近幾年發(fā)展迅速,擺脫了傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的齒輪箱和整流逆變裝置,采用液壓柔性傳動裝置代替了剛性連接,減少了功率損耗和塔架頂部重量,使其維修更方便,成本更低;同時(shí)利用柔性傳動實(shí)現(xiàn)了傳動比實(shí)時(shí)可調(diào),具有使用靈活,電能質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)[2],各國相繼開展液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組研發(fā)工作。
德國亞琛工業(yè)大學(xué)IFAS 實(shí)驗(yàn)室[3]搭建了液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)驗(yàn)平臺,通過理論仿真分析及實(shí)驗(yàn)臺數(shù)據(jù)分析對比得出結(jié)論:液壓主傳動系統(tǒng)效率隨著風(fēng)速增加快速提升到85%,并且在比較寬泛的風(fēng)速范圍內(nèi)具有較高的效率。美國加州理工學(xué)院噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)[4]發(fā)表了一種新型液壓風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)驗(yàn)報(bào)告,發(fā)現(xiàn)利用液壓傳動系統(tǒng)配合較好的控制系統(tǒng)可以使機(jī)組效率與目前所用的機(jī)械傳動系統(tǒng)相媲美。卞永明等[5-6]提出了一種新型的液壓傳導(dǎo)儲能風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型,針對液壓傳動系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明液壓傳動系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性都能滿足技術(shù)要求。艾超等[7]以30 kV·A 液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模擬實(shí)驗(yàn)臺為研究對象,推導(dǎo)了適用于此種機(jī)型的閉式液壓傳動系統(tǒng)效率公式,并對實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了效率實(shí)驗(yàn)研究,最終驗(yàn)證了理論計(jì)算公式的準(zhǔn)確性。以上研究工作主要集中在用實(shí)驗(yàn)設(shè)備模擬風(fēng)速進(jìn)行主傳動控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究,沒有采用風(fēng)力機(jī)進(jìn)行效率研究,同時(shí)對低風(fēng)速下的效率研究也未有報(bào)道,忽略了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在低風(fēng)速時(shí)對風(fēng)能的利用,浪費(fèi)了資源。
本文提出了一種大功率低速大扭矩徑向柱塞泵(額定排量8 800 mL/r)以代替?zhèn)鹘y(tǒng)定量泵進(jìn)行低速性能研究,采用定量泵-并聯(lián)變量馬達(dá)閉環(huán)系統(tǒng)傳動,在不同的輸入風(fēng)速下(3~6 m/s),基于AMEsim 軟件控制變量馬達(dá)排量變化實(shí)現(xiàn)恒速輸出,帶動同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電。旨在設(shè)計(jì)一種液壓式增速傳動風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及傳能效率測試,采用定槳距型風(fēng)力機(jī)[8]模型對其主傳動控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析,探究在低速情況下該機(jī)組的實(shí)際使用性能,提高對風(fēng)能的利用率。
液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組整體結(jié)構(gòu)簡圖如圖1 所示,主要包括風(fēng)力機(jī)、定量泵-變量馬達(dá)液壓傳動控制系統(tǒng)、電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)、發(fā)電控制系統(tǒng)等。
定量泵與風(fēng)力機(jī)連接安裝在機(jī)艙里,變量馬達(dá)與同步發(fā)電機(jī)安裝在地面上,定量泵與變量馬達(dá)之間通過管路連接。液壓風(fēng)力機(jī)先將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能,機(jī)械能推動液壓泵,由液壓泵轉(zhuǎn)換成液壓能。流體能量被傳遞后,液壓能傳輸?shù)阶兞狂R達(dá)處推動變量馬達(dá)轉(zhuǎn)換成機(jī)械能,變量馬達(dá)驅(qū)動電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)將液壓能轉(zhuǎn)換成電能。
圖1 液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的整體結(jié)構(gòu)簡圖
由于沒有變槳功能,風(fēng)力機(jī)從風(fēng)中捕獲的功率表述為[9]:
式中:ρ為氣流密度;R為葉片半徑;v為風(fēng)速;Cp為風(fēng)能利用系數(shù)。
由于沒有變槳功能,風(fēng)能利用系數(shù)Cp僅與葉尖速比有關(guān),可用以下經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算:
式中:λ為葉尖速比;R 為風(fēng)輪半徑;ωw為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速;v 為風(fēng)速。
風(fēng)輪輸出轉(zhuǎn)矩Tw為:
液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組定量泵-并聯(lián)變量馬達(dá)主傳動系統(tǒng)回路原理簡圖如圖2 所示。采用圖中的原理圖模型推導(dǎo)定量泵-雙并聯(lián)變量馬達(dá)系統(tǒng)傳遞函數(shù)時(shí),2 臺變量馬達(dá)型號相同,故其數(shù)學(xué)表達(dá)相同,以下角標(biāo)1和2區(qū)別。
圖2 定量泵-并聯(lián)變量馬達(dá)主傳動系統(tǒng)回路原理簡圖
定量泵流量方程為:
式中:Qp為定量泵流量,m3/s;Dp為定量泵排量,m3/rad;ωp為定量泵的轉(zhuǎn)速,rad/s,C為定量泵內(nèi)泄漏系ip數(shù),m3/(s·Pa);Cep為定量泵外泄漏系數(shù),m3/(s·Pa);ph為高壓管路壓力,Pa;p1為低壓管路壓力,Pa。
定量泵-雙并聯(lián)變量馬達(dá)高壓腔流量連續(xù)性方程為:
式中:Qp為定量泵流量,m3/s;Qm1為變量馬達(dá)1流量,m3/s;Qm2為變量馬達(dá)2 流量,m3/s;V0為定量泵與變量馬達(dá)之間高壓管路總?cè)莘e,m3;βe為油液綜合體積彈性模量,Pa;p1為低壓管路壓力,Pa;Cim、Cem分別為變量馬達(dá)內(nèi)、外泄漏系數(shù),m3/(s·Pa)。
變量馬達(dá)排量方程為:
式中:Dm為變量馬達(dá)排量,m3/rad;Km為變量馬達(dá)排量梯度,m3/rad;γ為變量馬達(dá)擺角位置,取值區(qū)間[0,1]。
變量馬達(dá)轉(zhuǎn)速方程為:
變量馬達(dá)輸出功率傳遞函數(shù)為:
定量泵輸入功率傳遞函數(shù)為:
定量泵-雙并聯(lián)變量馬達(dá)效率傳遞函數(shù)為:
利用AMEsim 軟件建立液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組定量泵-并聯(lián)變量馬達(dá)主傳動液壓控制系統(tǒng)仿真模型,如圖3 所示。采用定槳距型風(fēng)力機(jī)模型輸入不同風(fēng)速,通過改變負(fù)載溢流閥壓力來模擬負(fù)載變化,并設(shè)置仿真參數(shù),對電機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)載壓力、輸入輸出功率及效率等因素進(jìn)行全面系統(tǒng)的仿真研究分析,尋求各因素之間的影響規(guī)律。
圖3 考慮實(shí)際風(fēng)速的仿真模型
針對液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)置主傳動液壓系統(tǒng)仿真參數(shù)如表1所示。
采用間接流量反饋加上直接轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制方式[10]使液壓馬達(dá)排量給定信號基于系統(tǒng)流量值給出,并在此基礎(chǔ)上基于轉(zhuǎn)速差進(jìn)行調(diào)整,定量泵工作在恒流源狀態(tài)。此種方法即可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,又能避免系統(tǒng)壓力超出工作壓力范圍,造成系統(tǒng)溢流損失。通過不斷調(diào)整PID 參數(shù),當(dāng)P=0.1,I=0,D=5時(shí)變量馬達(dá)轉(zhuǎn)速恒定輸出。圖4所示為不同風(fēng)速下的變量馬達(dá)轉(zhuǎn)速變化曲線。
表1 參數(shù)設(shè)置
圖4 不同風(fēng)速下的變量馬達(dá)轉(zhuǎn)速變化曲線
在不同風(fēng)速下分別取負(fù)載壓力為4 MPa、5 MPa 和6 MPa進(jìn)行仿真得到定量泵轉(zhuǎn)速如圖5~7所示。由圖可知,在同一負(fù)載壓力下,定量泵轉(zhuǎn)速會隨著風(fēng)速增加而變大,而在同一風(fēng)速下,負(fù)載壓力變化時(shí)定量泵轉(zhuǎn)速變化較小,可見,風(fēng)速對定量泵轉(zhuǎn)速影響較大,負(fù)載壓力對定量泵轉(zhuǎn)速影響較小。并且,當(dāng)風(fēng)速為4 m/s、5 m/s 和6 m/s 時(shí)定量泵能夠維持較高轉(zhuǎn)速,負(fù)載壓力范圍和功率范圍較大,利于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)際使用。
圖5 負(fù)載壓力為4 MPa時(shí),不同風(fēng)速下定量泵轉(zhuǎn)速變化曲線
圖6 負(fù)載壓力為5 MPa時(shí),不同風(fēng)速下定量泵轉(zhuǎn)速變化曲線
圖7 負(fù)載壓力為6 MPa時(shí),不同風(fēng)速下定量泵轉(zhuǎn)速變化曲線
圖8 不同風(fēng)速,不同負(fù)載壓力下的輸入功率曲線
改變負(fù)載壓力得到在不同風(fēng)速下系統(tǒng)的功率曲線如圖8所示。由圖可知,在同一風(fēng)速下,隨著負(fù)載壓力不斷增加,系統(tǒng)輸入功率成比例增加。在同一負(fù)載壓力下,隨著風(fēng)速的不斷增加,系統(tǒng)輸入功率呈線性趨勢增加,在低負(fù)載時(shí)增加較快,在高負(fù)載時(shí)增加緩慢??梢钥闯?,風(fēng)速對風(fēng)力機(jī)輸入功率影響較小,負(fù)載壓力對風(fēng)力機(jī)輸入功率影響較大,并且在風(fēng)速較大時(shí)負(fù)載壓力范圍和風(fēng)力機(jī)輸入功率范圍較大,利于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)際使用。
如圖9 所示,在同一風(fēng)速下,隨著負(fù)載壓力不斷增加,系統(tǒng)輸出功率成比例增加。對于較高風(fēng)速,在同一負(fù)載壓力下,隨著風(fēng)速的不斷增加,系統(tǒng)輸出功率幾乎沒有變化??梢钥闯觯L(fēng)速對系統(tǒng)輸出功率影響較小,負(fù)載壓力對系統(tǒng)輸出功率影響較大,并且在風(fēng)速較大時(shí)負(fù)載壓力范圍和系統(tǒng)輸出功率范圍較大,利于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)際使用。
如圖10 所示,在同一風(fēng)速下,隨著負(fù)載壓力不斷增加,系統(tǒng)效率呈拋物線趨勢增加,并逐漸穩(wěn)定在85%左右。在同一負(fù)載壓力下,隨著風(fēng)速的不斷增加,系統(tǒng)效率逐漸下降,在0~4 MPa 時(shí)下降速度較快,而在4 MPa 以上時(shí),系統(tǒng)效率下降速度較慢。可以看出,系統(tǒng)效率與風(fēng)速和負(fù)載壓力均有關(guān),且負(fù)載壓力在4 MPa 以上時(shí)系統(tǒng)效率較高,利于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)際使用。
圖9 不同風(fēng)速,不同負(fù)載壓力下的輸出功率曲線
圖10 不同風(fēng)速,不同負(fù)載壓力下的效率曲線
本文建立了液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組定量泵-并聯(lián)變量馬達(dá)主傳動液壓控制系統(tǒng)仿真模型,采用大功率低速大扭矩徑向柱塞泵進(jìn)行了低速性能研究,仿真結(jié)果表明,在4~6 m/s的低風(fēng)速下該機(jī)組效率可達(dá)85%,輸出功率范圍較大,接近傳統(tǒng)機(jī)組。同時(shí)采用間接流量反饋加上直接轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制方式實(shí)現(xiàn)了變量馬達(dá)恒轉(zhuǎn)速輸出發(fā)電。