大型风电机组偏航闸液压系统的设计与建模

2010年8月第38卷第16期机床与液压MACHINETOOLHYDRAULICSAUG2010VO138NO16DOI103969JISSN10013881201016022大型风电机组偏航闸液压系统的设计与建模褚金，高文元。1宁波大红鹰学院，浙江宁波315175；2兰州ZES大学，甘肃兰州730050摘要设计偏航闸液压系统原理图。应用功率键合图法，通过对系统的分析及简化处理，绘制出偏航闸液压系统的功率键合图。根据功率键合图推导出系统数学模型。利用MATLAB71的SIMULINK工具箱对偏航闸液压系统进行仿真，结果证明了系统的可靠性。关键词大型风电机组；偏航闸；液压系统；建模仿真中图分类号TH137文献标识码B文章编号100138812010160603DESIGNINGANDMODELINGOFYAWINGBRAKEHYDRAULICSYSTEMFORLARGESIZEWINDTURBINECHUJINGAOWENYUAN1NINGBODAHONGYINGUNIVERSITY，NINGBOZHEJIANG315175，CHINA；2LANZHOUUNIVERSITYOFTECHNOLOGY，LANZHOUGANSU730050，CHINAABSTRACTTHEPFINEIEDIAGRAMWASDESIGNEDFORTHEYAWINGBRAKEHYDRAULICSYSTEMTHEPOWERBONDGRAPHOFTHESYSTEMWASDRAWNOUTBYANALYSISANDSIMPLIFICATIONOFTHESYSTEMTHESYSTEMMATHEMATICMODELWASDEDUCEDACCORDINGTOTHEPOWERBONDGRAPHTHESIMULATIONWASMADEFORTHESYSTEMUSINGMATLABSIMULINKTHESIMULATIONRESULTSPROVETHERELIABILITYOFTHESYSTEMKEYWORDSLARGESIZEWINDTURBINES；YAWINGBRAKE；HYDRAULICSYSTEM；MODELINGANDSIMULATION大型风力发电机组工作中最主要的问题是其运行的可靠性、风能利用效率和输出功率曲线。随着风力发电技术水平的日益提高，变桨距技术的应用优化了输出功率曲线，而偏航系统的发展大大改善了风能利用效率。偏航闸是保证偏航系统稳定可靠工作、准确定位和制动的重要组成部件。作者采用液压系统控制偏航闸的松开或锁紧，实现偏航过程中的阻尼和制动。1偏航闸液压系统设计根据风速风向仪的信号，风力发电机对准风向时需将风力机底盘与塔架固定锁紧，偏航对风过程中需要提供阻尼力矩。为达到此目的，采用液压控制，其液压系统原理图省略了温度传感器等附件如图1所示。风力发电机正常工作时，偏航闸靠弹簧力处于锁紧状态，此时液压系统不向偏航液压缸提供压力。由于整个风力发电机组液压系统共用一个液压站，偏航系统所需压力要低于变桨距系统，所以偏航系统供油路加减压阀LO。需要偏航时，伺服阀151右位得电，压力油经减压阀10调定压力、单向阀52、53、节流阀111和伺服阀151进入偏航液压缸14，向偏航油缸活塞提供一定的压力，抵消部分弹簧力，起到1油箱2一液压泵3一电动机4一高压滤油器5单向阀6一压力传感器7一溢流阀8一蓄能器9可调节流阀LO一减压阀11一节流阀13一压力开关14一偏航闸液压缸L5一电液伺服阀20一背压阀图1偏航闸液压系统原理图偏航阻尼的效果，有杆腔液压油经伺服阀151和背压阀20预调到设定压力3MPA流回油箱。当压力降到设定压力以下，背压阀打不开了，保证蓄能器81中有一定压力。蓄能器8一L和液压泵2一起提供并保持回路压力，当压力达到溢流阀72调定压力时，液压油经溢流阀72旁路流回油箱，系统压力由收稿日期20090828基金项目宁波市自然科学基金项目2009A610094；宁波大红鹰学院软件学院院基金项目200904作者简介褚金1982一，男，教师，主要从事机械设计及其自动化、机电一体化及风力发电的研究工作。电EMAILCHUJIN2003163COM。第16期褚金等大型风电机组偏航闸液压系统的设计与建模61蓄能器81提供。系统偏航到位后，伺服阀151左位得电，在偏航油缸有杆腔卸荷后失电，系统在弹簧力的作用下锁紧，底盘与塔架固定。需要较大锁紧力矩时，伺服阀151左位得电向偏航油缸无杆腔供油，和弹簧一起提供锁紧力矩。2偏航闸液压系统建模21简化系统原理图为了便于建模与仿真，将图1简化成如图2所不图2偏航闸液压系统简化图22建立数学模型功率键合图法是液压系统建模的一种实用的方法。在建立该系统的功率键合图时，电液伺服阀将对系统的动态特性起主要作用，其阀口的液阻应予以考虑。在该系统中，电液伺服控制阀151阀芯的位移是系统的输入信号，它以某种方式作用于系统。控制阀阀芯和阀套的相对位置形成了4个控制口，其液阻分别用R表示。各控制口的液阻值都随位移的大小和方向的变化而变化，故均为的函数，记为尺。14Z31C。咀一TF。LS伺服阀2LC偏航闸液压缸图3偏航闸液压系统功率键合图根据功率键合图的绘制规则，忽略溢流阀等对系统动态特性的影响，画出图2的液压系统对应的键合图如图3所示。图中S为恒压源，R为伺服阀阀口P液阻，。为伺服阀阀口T液阻，。为伺服阀阀口A液阻，R。为伺服阀阀口B液阻，为有杆腔液容，为无杆腔液容，P昔为背压阀20调定压力，为负载惯量，A为有杆腔活塞有效面积，A为无杆腔活塞有效面积。在图3中，设当为正时例如令向右为正，控制口P和B打开，而控制口A和T关闭，所以液阻，。和。应取某一有限值，而和R。为无穷大，即流量Q。、Q为某一有限值，而Q，和口为0。这时液流经控制口L2进入液压缸左腔，缸向右运动，缸右腔经控制口17回油。反之，当为负时，各液阻值将相应发生变化，控制阀至液压缸之间油液的流向也将相应地改变。根据图3所示的功率键合图，设系统状态变量XQ，FQ，E为力变量P，F为流变量Q。经整理得偏航闸液压系统的状态方程，即数学模型为一一忐SOPTJ百一百一LA21一IGG一一PR【一可一IJG四13偏航闸液压系统仿真31参数的确定滑阀阀口的液阻为尺号卸2式中R为阀口液阻，D为阀芯直径，C为阀口流量系数，为阀芯的位移假设向右为正，P为油液密度。由式2得各阀口液阻代入式1整理得一ALQ一A2一CD,7DV背62机床与液压第38卷32SIMILINK仿真模型的建立利用MATLAB71中SIMULINK工具箱中的子模型库将式3所示的系统状态方程表示成仿真模型，如图4所示。擘I汹_畦TR童R囊TZ。O王TJDP一一篁苎竺兰兰呈兰三二三至二曼堂曼图4偏航闸液压系统仿真模型4结论由图4所示仿真模型设定一定的参数，给定输入信号，可以得到偏航液压系统的响应曲线，设定参数不同，响应曲线也随之变化。将系统各参数代人模型，分别调节对偏航闸液压系统起主要影响的参数伺服阀151阀芯位移量、减压阀L0凋定压力S，得到的响应曲线基本上符合理论曲线的变化规律。参考文献【1】BRUNECS，SPEER，WALLACEAKEXPERIMENTALEVALUATIONOFAVARIABLESPEED，DOUBLEFEDWINDPOWERGENERATIONSYSTENJIEEETRANSONINDUSTRYAPPLICATION，1994，303648655【2】HUNTLJANEWTYPEOFINDUCTIONMOTORJIEEE，1997，391648667【3】高文元，褚金，井明波，等大型风电机组偏航和变桨距控制系统研究J中国制造业信息化，2008，3735961【4】杨培元，朱福元液压系统