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）

0 引言

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。

1 液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作原理

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

2 液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組數(shù)學(xué)建模

2.1 定槳距型風(fēng)力機(jī)數(shù)學(xué)模型

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：

2.2 定量泵-并聯(lián)變量馬達(dá)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

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：

3 液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組仿真研究

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。

3.1 恒轉(zhuǎn)速輸出控制研究

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

3.2 效率研究

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

4 結(jié)束語

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。