风力发电机液压变桨距系统研究

2012年12月第40卷第23期机床与液压MACHINETO0LHYDRAULICSDCA20L2VO140NO23DOI103969JISSN10013881201223015风力发电机液压变桨距系统研究任育杰，宋锦春，任广安，张悦东北大学机械工程与自动化学院，辽宁沈阳110819摘要介绍风力发电机组变桨距控制原理；并以25MW风力发电机组为研究对象，根据变桨速度和力矩的要求设计液压控制系统，分别对开桨和关桨时的液压系统进行建模，对变桨距系统进行仿真，并分析了系统的稳定性，为更深层次的仿真研究和系统优化提供理论依据。关键词风力发电机组；液压变桨距系统；建模；仿真中图分类号TK83文献标识码A文章编号100138812012230583STUDYONHYDRAULICPITCHCONTROLSYSTEMFORWINDDRIVENGENERATORRENYUJIE，SONGJINCHUN，RENGUANGAN，ZHANGYUESCHOOLOFMECHANICALENGINEERINGANDAUTOMATION，NORTHEASTERNUNIVERSITY，SHENYANGLIAONING110819，CHINAABSTRACTCONSTANTPOWERCONTROLPRINCIPLEOFWINDGENERATINGSETWASINTRODUCEDWHENWINDVELOCITYWASHIGHERTHANRATEDWINDSPEEDHYDRAULICCONTROLSYSTEMOF25MWWINDGENERATINGSETWASDESIGNEDACCORDINGTOTHEDEMANDOFVARIABLEPROPELLERVELOCITYANDTORQUEAIMINGATCLOSINGPITCHANDOPENINGPITCHRESPECTIVELY，ITWASMODELED，SIMULATED，ADJUSTED，ANDTHESTABILITYOFTHESYSTEMWASANALYZEDTOPROVIDETHEORETICALBASISFORSIMULATIONANDOTHERFURTHERRESEARCHKEYWORDSWINDGENERATINGSET；HYDRAULICVARIABLEPROPELLERSYSTEM；MODELING；SIMULATION1变桨距控制理论研究风能利用系数可用下式近似表示C044001673SIN卜000187A一31其中为节距角，C为风能利用系数，A为尖速度比。由式1可针对不同的节距角作出的相应的风能利用系数C的变化曲线称为变桨距风力发电机特性曲线，如图1所示。图1变桨距风力机功率系数特性曲线由图1中所示的曲线，可有以下结论1在叶节距角不变的情况下，存在唯一的风能利用系数最大值C。2在尖速度比A保持不变的情况下，叶节距角OO时风能利用系数C。最大，并且风能利用系数C。随着叶节距角卢的增大而减小。上述结论是变桨距控制的理论基础当风速低于额定风速时，通过变速恒频装置，随风速变化改变发电机转子转速使风能利用系数恒定在C，使风能得到最大利用；当风速高于额定风速时，变桨距系统开始工作，通过调整节距角卢改变风能利用系数C。，使发电机转速恒定，功率恒定。2变桨距机构变桨距一般分为统一控制和独立控制两种方式。统一控制即机组所有桨叶都由一个执行机构驱动，桨叶节距角变化相同；独立控制时，每个桨叶都由独立的变桨距执行机构控制，如果其中一个执行机构出现故障，其余两个桨叶仍能调节桨叶节距角实现功率控制，继续带伤工作。而统一变桨距执行结构出现故障，只能停机维修，并且自然界的风在整个风轮扫及面上的分布是不均匀的，独立桨叶控制可以根据各个桨叶上的风速不同进行调节，不仅能优化发电机输出功率，而且能减小桨叶拍打振动，从而减小整机的动态载荷。文中采用了独立的液压变桨距机构，具有3套独立的液压系统和执行机构，在控制方式上仍然沿用了统一控制，这样可以保证当一个执行机构和液压系统出故障不会影响到整个风力机的控制。由于桨叶通过机械连杆机构与液压缸活塞杆相连接，而节距角又同液压的位移成正比，所以可以通过控制收稿日期20111017作者简介任育杰，男，博士研究生，研究方向为机、电、液一体化。EMAIL369220424163CORN。第23期任育杰等风力发电机液压变桨距系统研究59液压缸活塞杆位移来控制节距角。变桨驱动机构示意图见图2。一兰暇F口雅杆套图2变桨驱动机构示意图3系统参数系统要求活塞杆速度0065MS，负载转矩TE24000NM。选择系统参数如下系统供油压力P15MPA，液压缸行程S500MM，活塞直径D200MM，活塞杆直径D180MM，活塞腔工作面积A31410IN，活塞杆腔面积A60AM，初始体积VOAS2；MOOGD634P系列的D634比例阀，叶片绕纵轴转动惯量J487KGIN，四杆机构的简化等效力臂长度L016IN，面积比NAA019，线性化系数后5003142032，动力黏度13710PAS，内泄漏系数CID45X10。MSPA，外泄漏系数C1X10INSPA，阀芯与阀套间的径向间隙510M，滑阀面积梯度TORD31410IN，滑阀直径D10MM，液压油体积弹性模量700MPA，关桨时流量压力系数K“TRWR32G5610。，开桨时流量压力系数一K，C1N1NCI11NC6285X10INSPA，比例阀固有频率3768RADS，比例阀阻尼比。07，比例阀增益KP01。Q为负载流量，Q，为流进无杆腔流量，Q为流进有杆腔流量，P为关桨时无杆腔压力，P为开桨时无杆腔压力，P为有杆腔压力，为伺服阀阀芯位移，Y为活塞杆位移。4液压变桨距系统的建模由于关桨过程利用比例阀控制非对称液压缸差动回路，而开桨过程利用比例阀控制非对称液压普通回路，所以它们的液压固有频率、液压阻尼比、零位增益等参数均不相同，需要分别建模。1关桨叶节距角与活塞位移Y关系方程YSSJBS线性化流量方程QSKQXS一KCP。SQ一KCP。S流量连续性方程QLSASYSCI。P。SVOSPSGO平衡方程APSIS13SS5由式2一5得去QM一1一995QL】一198X10一6050112S12S2ILQJ其中关桨液压固有频率JVO9614S；关桨液压警_028。2开桨设负载压力PLP一NP，负载流量QQNQ2117,线性化流量方程QSS一PSQ一PS6流量连续性方程QSA。SYSIN卢ESPSCPS7力平衡方程APSJS卢SS8由式2、6一8得卢一二S1IJ其中开桨液压固有频率1N2AZOLKFLE9786RADS；开桨液压阻尼比029。3比例阀传涕函数可QROSGPV0134系统模型4系统传递函数模型见图3。6O机床与液压第40卷、O1995_RFS2071|N376823768IO。L22州卜_PTNRNNTRAILPRADDTRANSFERFCNCONSTANTLRANSFERFCNLI”广995CONSTANT2_JS22029。一一IL_J97862。9786AL1_RLTP口RNTNR1一TRANSFERFCN2图35液压变桨距系统的仿真与稳定性分析1系统仿真PID设置KV25，K。01，系统阶跃响应4，调整时间约为03S。系统正弦响应见图5。图4系统阶跃响应SYSTEMMODELGAINMARGIN591DBATFREQUENCV885RADS1UIOSEOLOOPTADLEYESIN卜一1H卅H图5系统正弦响应2稳定性分析系统关桨、开桨开环频率特性分别如图6、7所刁O200100画0坚10OSYSTEMMODEL岿GAINMARGIN553DBATFREQUENCY873RADSCLOSEDLOOPSTABLEYES、一_划；图6关桨开环频率特性羰RADS1图7开桨开环频率特性关桨时相对稳定性分析幅值稳定域度为553DB，相位稳定域度为747。，系统稳定；开桨时相对稳定性分析幅值稳定域度为59LDB，相位稳定域度为747。，系统稳定。6结论针对液压变桨距系统开桨和关桨不同油路分别建立对应的数学模型，并进行仿真和矫正，最后分析了系统的相对稳定性，为更深层次的仿真研究和系统优化提供了理论依据。参考文献【1】曾宪超风电机组变桨距伺服控制系统研究D保定华北电力大学，20103139【2】FITCHEC，HONGITHYDRAULICSYSTEMDESIGNFORSERVICEASSURANCEMBARDYNE，INC，2004【3】DRANSFIELDPETERHYDRAULICCONTROLS