风力发电机组液压变桨距控制系统建模及研究

2011年1月第39卷第2期机床与液压MACHINET00LHYDRAULICSJAN2011VOL_39NO2DOI103969JISSN10013881201102026风力发电机组液压变桨距控制系统建模及研究贾瀚方，胡建军，高伟政。1新乡新航集团116厂，河南新乡453000；2徐工集团徐州I液压件厂，江苏徐州221004；3太原科技大学，山西太原030024摘要选用电液比例阀作为变桨距控制系统的主阀，对比例阀的流量方程、液压缸的流量连续方程以及系统的动力平衡方程等按实际情况进行适当的简化，摒弃以往建模时引入的负载压力和负载流量，建立变桨距系统在开、关桨时的相对精确的数学模型。关键词变桨距控制；比例阀；数学建模中图分类号TH1371文献标识码A文章编号10013881201120852MODELINGANDRESEARCHONHYDRAULICVARIABLEPITCHCONTROLSYSTEMOFWINDPOWERGENERATORJIAHANFANGHUJIANJUN。GAOWEIZHENG。1116FACTORYOFXINXIANGSIAGROUP，XINXIANGHENAN453000，CHINA；2XUZHOUHYDRAULICCOMPONENTFACTORY，XUZHOUCONSTRUCTIONMACHINERYCO，LTD，XUZHOUJIANGSU221004，CHINA；3TAIYUANUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGY，TAIYUANSHANXI030024，CHINAABSTRACTAELEETROHYDRAULICPROPORTIONALVALVEWASSELECTEDASMAINVALVEFORVARIABLEPITCHCONTROLSYSTEMACCORDINGTOTHEACTUALSITUATION，ANAPPROPRIATESIMPLIFICATIONSWERECONDUCTEDFORTHEFLOWEQUATIONOFPROPORTIONALVALVE，HYDRAULICCYLINDERFLOWCONTINUITYEQUATIONANDTHESYSTEMDYNAMICEQUILIBRIUMEQUATIONLOADPRESSUREANDLOADFLOWTHOSEWEREINTRODUCEDTOTHEMATHEMATICALMODELINTHEPASTWEREREJECTEDTHERELATIVELYPRECISEMATHEMATICALMODELSWEREESTABLISHEDDURINGONOFFTIMEOFOARINTHEVARIABLEPITCHCONTROLSYSTEMKEYWORDSVARIABLEPITCHCONTROL；PROPORTIONALVALVE；MATHEMATICALMODELING随着世界各国对环境保护、能源短缺及节能等问题的日益关注，新能源发电尤其是风力发电技术越来越受到世界各国的普遍重视，而变速恒频变桨距型风力发电机占据了风力发电的主导地位。变速恒频变桨距型风力发电机在世界范围内得到了广泛的使用和迅速发展，发展潜力巨大。其中液压变桨距控制系统是核心技术，主要利用液压变桨距动力大、工作平稳、易于控制等特点，建立精确的数学模型是对液压控制系统进行动态特性分析的基础。1阀的选择风力发电机组必须设在风况良好、风力较强的地方，且年平均风速必须达到6MS，因此风力发电机组一般都设在海洋、高山山口、海岛风口以及草原等人烟稀少的地区。这就要求元部件必须适应恶劣的工作环境。目前，变桨距液压控制系统主机上的主阀主要有伺服阀和电液比例阀两种类型。考虑到风力发电所处环境恶劣，液压系统很容易受到外界环境的影响，伺服阀抗污染能力相对较差，而电液比例阀的频响虽然偏低，但其各方面性能完全满足变桨距液压系统的性能要求，且抗污染能力强。因此作者选用电液比例阀作为变桨距控制系统的主阀。2变桨距系统建模在大型风力机中，曲柄滑块机构的应用最为广泛，将调距机构的往复运动变为风轮叶片的旋转运动。液压驱动系统采用的是电液比例阀控制非对称缸系统。由于液压缸的非对称性，导致变桨距系统在开、关桨时的动、静态特性有很大差异，因此需要对开、关桨过程分别建模。21关桨数学模型关桨时非对称液压缸的活塞杆伸出，桨距角变大如图1所示。无论是采用对心曲柄滑块结构还是采用非对心曲柄滑块结构，由文献1可知，液压缸活塞图1关桨过程变桨距系统机构示意图杆位移与桨距角之间都是非线性关系。线性化处理后收稿日期20091221作者简介贾瀚方，女，工程师，从事机械加工、设计和流体设计等。电EMAILJ2688163COM。86机床与液压第39卷垫1C雠QQCCPPCEP二一2，IP。一Z一一一ZPA一P2A咖I，3。AIYL孛L4LOA。YA2夕_令叼I11可得P一P卵2P。其中0VLAI0VIP5由于力臂长度的变化量西很小，一般用常数近似代替L，则式3可化为PA一P2AJ716将式1、2、6线性化取增量式并将式5代人得无杆腔进油时的线性化增量数学模型为FAQAXPLQLG卸L一卸2KBAYKLAL1卸。A，P2A2J【AP】一T2AP7式中KXCA吾PSPLO，为流量增益；KPCDZ为流量一压力系数。对式7取拉普拉斯变换可得省略FSXS一P。SLQSCP。SPSKYSKSP。SASYS8FP。SA。PSA咖STSLPLS一RT2P2S又因为AY。对上式取拉普拉斯变换可得Y0S9联立式8、9可得系统的传递函数为击竺二10K3式中4KPCI，曰比例阀的响应速度远远大于油缸的响应速度，因此电液比例阀的阀芯位移与给定电压信号之间可看作比例环节参考文献2SKUS式中K为比例阀总放大系数，为输入比例阀的电压信号。则式10可化为，22开桨数学模型开桨过程也就是液压缸活塞杆的回缩过程，其比下转第89页第2期周燕辉等高压水喷射去毛刺技术的应用研究89喷嘴出口处的射流速度称为射流喷射速度，其计算公式为“13IQA。3其中为射流喷速，MS。现假设流量为23LMIN，喷嘴直径为D1MM，依据公式3可得流速为484MS。6最优喷距、喷射角高压水射流的冲击力存在最优喷距。选取该值为D810D4其中D为喷嘴直径。认为射流在距离喷嘴D处具有最大的冲击力，清洗效果最佳。通常选择斜喷嘴的喷射角度为24。30。假设喷嘴直径为D1MM，则依据公式4可得，D810MM，喷射角选24。7数控系统的确定数控系统的确定较为容易，主要根据被清洗对象的复杂程度来确定，一般选用3轴联动，复杂的选用4轴联动。采用FAUNC系统，数控机床为VC1055，3轴联动。整体结构如图3所示。S67R9图3清洗方案结构示意图3结论高压水去毛刺技术是国际上新兴发展的一项新技术，具有环保、效率高、易于自动化等优点，也是我国正在规戈0的重大战略产业，合理确定压力、流量等关键参数，结合数控技术，必将开发出极具市场潜力的新产品。参考文献【1】秦忠旺，等去毛刺技术手册M北京宇航出版社，1995【2】KIMJDEVELOPMENTOFADRILLINGBURRCONTROLCHANFORLOWL一手动滑门2一主轴做盘3一油雾收集器4一加工单元5电控盘撇油器7一桶形过滤器8M喷射泵水箱ALLOYSTEEL，AISI4118JJOURNALOFMATERIALSPROCESSINGTECHNOLOGY，2001，113【3】陈镇宇，王贵成毛刺的研究现状及去除技术J现代制造工程，20042126128【4】家成昭重日水力去毛刺J工具技术，1994112930【5】沈忠厚水射流理论与技术M山东石油大学出版社，1998【6】张惠生机械零件去毛刺工艺的现状与发展J北京建筑工程学院学报，200145863上接第86页例阀的流量方程、液压缸的流量连续方程和系统的动力平衡方程与关桨过程相类似，按照同样的建模方法可以得出开桨过程的传递函数。，、助S一CSTSKVP2JS3CJS2A2ADSKVY2AD式中C十CI十CCI叩，DA2AL叩L。3结论经作者多年的实地考察和研究，以往数学建模中负载流量和负载压力的引入严重影响了数学模型的精度。鉴于此，作者摒弃了以往建模时引入的负载压力和负载流量，建立了与实际更加贴近的数学模型，其精度大大提高，可为工程实践提供理论参考参考文献【1】徐灏机械设计手册第一版，第二卷M北京机械工业出版社，1992【2】路甬祥，胡大电液比例控制技术M北京机械工业出版社，1988【3】陈晓波风力发电机组电液比例变桨距控制半物理仿真试验台研究D杭州浙江