高波，侯昊

(山東科技大學電氣與自動化工程學院，山東青島 266590)

0 前言

作為一種清潔的可再生能源，風能在我國具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。隨著風力機日漸向大型化發(fā)展，風電機組裝機容量不斷增大，兆瓦級液壓型風力發(fā)電系統(tǒng)較傳統(tǒng)小容量風力發(fā)電系統(tǒng)更能適應(yīng)當前復雜工況，日益展現(xiàn)出其優(yōu)勢。傳統(tǒng)的單泵式液壓傳動系統(tǒng)雖然可以滿足使用要求，但也存在諸多問題。由于風能的不穩(wěn)定性，風力發(fā)電機組會長時間工作于額定工況以下，此時大型液壓風力發(fā)電系統(tǒng)只能選擇大排量液壓泵，工作于低轉(zhuǎn)速大扭矩的狀態(tài)，進而使液壓泵處于部分排量狀態(tài)，效率低且管路損失嚴重。而多泵式液壓傳動系統(tǒng)可以在不同風速工況時改變投入運行的泵的個數(shù)，從而使傳動系統(tǒng)工作在額定排量，提高工作效率，大幅度減少管路損失。因此，多泵系統(tǒng)的研究對于大容量液壓型風力發(fā)電機組的實際應(yīng)用具有重要意義。

目前，國內(nèi)對液壓型風力發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)字化進行了一系列研究。文獻[4]針對單變量馬達系統(tǒng)傳動效率低的問題，提出一種數(shù)字編碼方案，將單一大排量變量馬達用幾個定量馬達和一個小排量變量馬達代替，通過對變量馬達的排量進行數(shù)字編碼的方式控制組合馬達的工作，實現(xiàn)傳動系統(tǒng)最大效率能量傳輸。文獻[5]提出多臺液壓泵的傳動模型，通過比例閥控制多泵系統(tǒng)的工作狀態(tài)以應(yīng)對不同工況，仿真與實驗結(jié)果表明，多泵系統(tǒng)的應(yīng)用比傳統(tǒng)單泵傳動系統(tǒng)效率更高。文獻[6]提出一種數(shù)字泵機械結(jié)構(gòu)，通過圓柱凸輪來統(tǒng)一驅(qū)動多組柱塞缸模塊，采用高速電磁開關(guān)閥和單向閥實現(xiàn)柱塞缸模塊的配流，初步驗證了基于數(shù)字泵的液壓傳動式風力發(fā)電機總體方案的正確性。

基于以上研究，本文作者提出一種基于風速-壓力反饋的多泵蓄能式液壓傳動風力發(fā)電系統(tǒng)。以多泵組合系統(tǒng)代替單一大排量泵，并以壓力信號作為觸發(fā)信號，設(shè)計一套數(shù)字泵切換的編碼方法，實現(xiàn)低風速時單泵運行，高風速時多泵配合運行，較傳統(tǒng)單泵系統(tǒng)工作效率更高。通過蓄能系統(tǒng)在低工況時共同為機組提供能量，額定工況時抑制系統(tǒng)波動，額定工況以上時吸收多余能量維持系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

1 液壓傳動風力發(fā)電系統(tǒng)簡介

液壓傳動型風力發(fā)電機組主要由風力機、多泵系統(tǒng)、變量液壓馬達、同步發(fā)電機以及補油系統(tǒng)、蓄能系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。其中，液壓部分工作原理如圖 1 所示，風力機葉片從風中捕獲動能，轉(zhuǎn)化為葉片軸機械能；葉片軸驅(qū)動多泵系統(tǒng)同軸轉(zhuǎn)動，使泵組輸出高壓油經(jīng)管路流通，將機械能轉(zhuǎn)化為液壓能；高壓油液流入變量馬達，驅(qū)動變量馬達旋轉(zhuǎn)，將液壓能轉(zhuǎn)化為機械能；液壓馬達帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn),最終將機械能轉(zhuǎn)化為電能并傳輸?shù)诫娋W(wǎng)。

圖1 液壓傳動風力發(fā)電系統(tǒng)工作原理簡圖

2 多泵蓄能式液壓傳動系統(tǒng)控制方法

2.1 系統(tǒng)總控制結(jié)構(gòu)簡介

多泵蓄能式液壓傳動風力發(fā)電系統(tǒng)在傳統(tǒng)的單泵單變量馬達傳動系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將單泵改為由開關(guān)閥控制的多泵系統(tǒng);根據(jù)風速大小實時調(diào)整其投切狀態(tài)，并且加入有壓力觸發(fā)裝置的蓄能系統(tǒng);根據(jù)壓力傳感器檢測到的信號實現(xiàn)蓄能系統(tǒng)的輔助調(diào)節(jié)作用，共同保證液壓系統(tǒng)的能量供應(yīng)與平穩(wěn)運行。其結(jié)構(gòu)框圖如圖 2所示。

圖2 多泵蓄能式液壓傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 多泵系統(tǒng)工作原理

多泵系統(tǒng)由多個定量液壓泵、二位二通控制閥組以及壓力換算模塊組成。當風速較低時，不需要多泵系統(tǒng)全部工作，此時應(yīng)使不參與工作的定量泵空轉(zhuǎn)運行，對應(yīng)的二位二通控制閥輸出信號為“1”，油液不經(jīng)該定量泵流通，處于“卸荷”狀態(tài)；當風速較高時，相應(yīng)的二位二通控制閥輸出信號為“0”，使油液流經(jīng)定量泵，快速投入運行。因此，通過檢測風輪表面風速大小，將其折算為管路壓力，并以壓力信號控制多泵系統(tǒng)工作，可以快速準確地響應(yīng)復雜風電場工況。通過實驗可得不同風速下多泵系統(tǒng)壓力狀態(tài)如表1所示。

表1 多泵運行壓力狀況

當風速發(fā)生變化后，通過檢測裝置得到液壓泵組進出油的工作壓差，信號傳輸?shù)蕉啾孟到y(tǒng)的控制部分。根據(jù)預設(shè)數(shù)字編碼動作相應(yīng)的控制閥，從而調(diào)整需要投切的液壓泵數(shù)量，使機組工作于額定系統(tǒng)壓力附近。多泵組合運行數(shù)字編碼如表2所示。

表2 多泵運行數(shù)字編碼

根據(jù)表2得到具體的多泵系統(tǒng)切換規(guī)律如圖3所示。取切入風速為3 m/s，額定風速為11 m/s，切出風速為25 m/s；當系統(tǒng)處于局部負荷區(qū)時，以7 m/s的風速為界限，當風速在3～7 m/s時，采用單泵運行,其余泵回路的開關(guān)閥為打開狀態(tài)，使油液直接流回油箱而使該泵空載運行；隨著風速的上升，給予相應(yīng)的控制閥以關(guān)閉信號，使油液進入液壓泵，從而使它按需投入運行；當系統(tǒng)處于額定負荷區(qū)至超負荷區(qū)之間，所有液壓泵均處于打開狀態(tài)，此時對應(yīng)的開關(guān)閥工作狀態(tài)為[0 0 0 0]，最大程度吸收風能；當處于超負荷區(qū)時，對應(yīng)開關(guān)閥開關(guān)信號為[1 1 1 1]，系統(tǒng)停止運作，以保證系統(tǒng)運行的安全性和穩(wěn)定性。

圖3 多泵系統(tǒng)切換方法示意

2.3 蓄能系統(tǒng)工作原理

蓄能系統(tǒng)由壓力傳感器、氣囊式蓄能器、觸發(fā)器、控制閥組成。在蓄能器與馬達之間的液壓管路間裝設(shè)開關(guān)閥，通過閥的開關(guān)狀態(tài)決定風力機處于發(fā)電狀態(tài)還是蓄能狀態(tài)：當閥開啟時，液壓泵和馬達之間的管路導通，風力機處于發(fā)電狀態(tài)；當閥關(guān)閉時，多泵系統(tǒng)只為蓄能器充能，風力機處于蓄能狀態(tài)。將多泵系統(tǒng)與蓄能系統(tǒng)配合工作，低于切入風速之前優(yōu)先對蓄能器充能，待達到切入風速以上時打開液壓管路，蓄能系統(tǒng)與多泵系統(tǒng)配合工作；在額定風速附近由蓄能系統(tǒng)吸收溢出能量或補足虧欠能量以抑制系統(tǒng)波動；當風速過大時，多泵系統(tǒng)切出，風力機停止運行，若此時仍有電力需求，蓄能系統(tǒng)將承擔短時間內(nèi)的功率供應(yīng)。

3 多泵蓄能式液壓傳動風力發(fā)電系統(tǒng)建模

3.1 基于MATLAB/Simulink的風速建模

由于風速具有隨機性、多變性，當前對于風力發(fā)電中風速模擬的研究常用的風速建模方式主要有3種：Weibull分布模型、風輪等效風速模型以及四分量組合風速模型。本文作者著重研究風力發(fā)電系統(tǒng)在短時間內(nèi)的動態(tài)響應(yīng)，因此使用組合風速模型，將真實風速簡單風速模型疊加來模擬：

將4種風速模型進行線性組合，最終得到組合風速波形如圖 4 所示。

圖4 組合風速波形

3.2 基于AMESim/Simulink的傳動部分建模

本文作者利用AMESim/Simulink聯(lián)合仿真，將Simulink中所建立的風速模型通過S-Function模塊與AMESim軟件進行數(shù)據(jù)交互，完成整個液壓型風力發(fā)電系統(tǒng)的仿真建模。液壓傳動部分模型如圖5所示，其中封裝模塊為多泵系統(tǒng)，由4個參數(shù)相同的定量泵組組合而成，每個泵組包括2個定量泵，由開關(guān)閥根據(jù)壓力信號控制投切狀態(tài)；接口模塊輸入端口依次為斜盤擺角、泵轉(zhuǎn)速和馬達轉(zhuǎn)速，輸出端口依次為閥芯位移、馬達轉(zhuǎn)矩和模擬風速；電液伺服閥通過控制閥芯位移來控制馬達排量變化，進而控制馬達轉(zhuǎn)速以實現(xiàn)與發(fā)電機同步。

圖5 液壓傳動部分仿真模型

3.3 仿真參數(shù)設(shè)置

針對大型液壓風力發(fā)電機組展開研究，采用國家可再生能源實驗室(NREL)公布的5 MW風力發(fā)電機組參數(shù)規(guī)格所規(guī)定的風輪特性，使用較大排量液壓泵對多泵系統(tǒng)進行仿真分析。由于AMESim軟件中單個液壓泵排量上限為100 L/r，在模型中每一個200 L/r的大排量泵都使用2個100 L/r的液壓泵并聯(lián)組成。定量泵參數(shù)按照HAGGLUNDS公司CBM 4000-3200泵性能參數(shù)表進行設(shè)置。系統(tǒng)主要仿真參數(shù)如表3所示。

表3 系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置

4 仿真結(jié)果及分析

設(shè)置仿真時長為10 s，經(jīng)仿真實驗得到風力機特性曲線、多泵系統(tǒng)流量變化曲線、傳動系統(tǒng)響應(yīng)曲線、單泵與多泵系統(tǒng)容積效率對比曲線、高壓管路壓力變化曲線，分別如圖6、圖7、圖8、圖9、圖10所示。分析此系統(tǒng)的工作性能是否適應(yīng)復雜風電場的實際工況及該系統(tǒng)較傳統(tǒng)單泵系統(tǒng)是否具有優(yōu)越性。

圖6 風力機特性曲線

圖7 多泵系統(tǒng)流量變化曲線

圖8 傳動系統(tǒng)響應(yīng)曲線 圖9 單泵與多泵系統(tǒng)容積效率對比

由圖6可知：液壓傳動系統(tǒng)的風輪轉(zhuǎn)速約為9 r/min，而風能利用系數(shù)則在0.45附近波動；在3～4 s內(nèi)，風速由9.2 m/s直降到6.2 m/s左右，導致多泵系統(tǒng)由三泵運行瞬間切換到單泵運行狀態(tài)，因此風輪轉(zhuǎn)速下降幅度較大且風能利用系數(shù)也有一定程度的波動；而在4～6 s內(nèi)，風速由6.2 m/s直升到10 m/s，多泵系統(tǒng)由單泵運行狀態(tài)瞬間切換到三泵運行狀態(tài)，因此風輪轉(zhuǎn)速上升幅度較為明顯；在7～8 s內(nèi)，由于風速由9.5 m/s直降到5.6 m/s，導致多泵系統(tǒng)由三泵運行狀態(tài)又瞬間切換到單泵運行狀態(tài)，風能利用系數(shù)產(chǎn)生了較大幅度波動，但整體運行狀態(tài)較為穩(wěn)定。該仿真曲線表明風力機可以根據(jù)風速變化調(diào)整風輪運行狀態(tài)，響應(yīng)較為準確，風能利用率較高，符合實際需求。

根據(jù)圖4所示的風速變化情況，由圖7可知：在仿真剛開始時，風速小于7 m/s，此時多泵系統(tǒng)只有泵1投入運行，其余三泵開關(guān)閥處于導通狀態(tài)，多余液壓油經(jīng)開關(guān)閥流回油箱使其空轉(zhuǎn)運行，泵1流量維持在1 500 L/min左右；在=0.4 s左右，風速大于7 m/s，此時泵2開關(guān)閥關(guān)閉，液壓油流入泵2使其投入運行，此時泵1、2流量約為1 850 L/min，此后每當風速低于7 m/s，泵2則切出運行，高于7 m/s時投入運行，由于4個泵的規(guī)格參數(shù)相同，在切入運行時它們的流量變化情況也保持一致；在=2.8 s左右，風速大于9 m/s，泵3投入運行，此時泵1、2、3流量穩(wěn)定在1 750 L/min，此后每當風速低于9 m/s時泵3切出，高于9 m/s時投入；由于仿真實驗中最高風速低于11 m/s，泵4在整個仿真過程中并未投入運行，其流量變化為0。

由圖8可知，傳動系統(tǒng)能夠跟隨風速變化及時調(diào)整運行狀態(tài)，在第3～4 s和7～8 s 2個時間段，由于風速從9 m/s以上直降到7 m/s以下，多泵系統(tǒng)的工作狀態(tài)由三泵運行切換為單泵運行，系統(tǒng)壓力波動較為明顯，3～4 s內(nèi)壓力由34 MPa降至10 MPa左右；而變量馬達轉(zhuǎn)速在這兩個區(qū)間內(nèi)分別產(chǎn)生了較大幅度的波動，但在很短的時間內(nèi)趨于穩(wěn)定；馬達排量也有較大程度的下降，分別由3.5 L/r降至2.2 L/r和3.8 L/r降至2.4 L/r左右。而在4～6 s內(nèi)，由于風速由6.1 m/s升至10 m/s，多泵系統(tǒng)的工作狀態(tài)由單泵運行切換為三泵運行，系統(tǒng)壓力下降，馬達排量由2.2 L/r快速上升至4.2 L/r左右，但馬達轉(zhuǎn)速較為穩(wěn)定。 仿真結(jié)果表明:多泵傳動系統(tǒng)可以滿足不同風速下的工作需求，多泵系統(tǒng)壓力和馬達排量可根據(jù)風速快速調(diào)整，馬達轉(zhuǎn)速雖有一定程度波動但滿足(1 500±6)r/min的機組準同期并網(wǎng)要求，可平穩(wěn)輸出功率。

由圖 9可以看出：單泵系統(tǒng)在0～1 s和8～10 s的低風速區(qū)間內(nèi)容積效率僅有0.67～0.72，而多泵系統(tǒng)可根據(jù)風速調(diào)整泵的投切狀態(tài)，減少能量損失，在低風速時的容積效率也可達到0.8左右，效率更高，波動幅度更??；在5～6 s的高風速區(qū)間，由于兩者均工作在高負荷狀態(tài)，容積效率相差不多，約為0.92，但多泵系統(tǒng)在高風速區(qū)間工作效率較穩(wěn)定，而單泵系統(tǒng)則有一定幅度的波動。因此多泵傳動系統(tǒng)較傳統(tǒng)單泵傳動系統(tǒng)工作效率更高且更穩(wěn)定,更能適應(yīng)復雜的真實風電場的工作環(huán)境。

由圖 10 可知：液壓傳動系統(tǒng)中安裝蓄能系統(tǒng)可以有效抑制管路中的壓力波動：沒有安裝蓄能器的傳動系統(tǒng)其壓力變化范圍為10～50 MPa，而安裝蓄能系統(tǒng)后高壓管路壓力基本穩(wěn)定維持在30 MPa左右。因此蓄能系統(tǒng)可以減小高壓管路的壓力波動，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

圖10 高壓管路壓力變化曲線

5 結(jié)論

依托液壓型風力發(fā)電機組AMESim/Simulink聯(lián)合仿真平臺，對多泵蓄能式液壓型風力發(fā)電機組進行仿真研究，結(jié)果如下：

(1)多泵蓄能式液壓型風力發(fā)電機組更適合當前日漸增大的機組容量以及復雜的風力變化工況，仿真結(jié)果表明變量馬達轉(zhuǎn)速維持在1 500 r/min附近時，滿足準同期并網(wǎng)要求；

(2)多泵系統(tǒng)比傳統(tǒng)的單泵系統(tǒng)工作效率更高，且通過多泵的組合使用，可以使系統(tǒng)更快速地響應(yīng)風速變化，提高系統(tǒng)的工作效率；

(3)將多泵蓄能系統(tǒng)用于復雜風電場工況時，通過多泵系統(tǒng)的快速投切和蓄能系統(tǒng)的輔助調(diào)節(jié)，可以使系統(tǒng)快速地恢復到穩(wěn)定狀態(tài)，與傳統(tǒng)傳動系統(tǒng)相比，其管路壓力狀態(tài)波動幅度明顯改善，能量利用更為充分，更適用于實際風電場環(huán)境。