兆瓦级风力发电机变桨距液压控制系统的设计和建模仿真

1、2006年10月沈阳理工大学学报Vol.SHENYANGLIGONGUNIVERSITYOct.25No.526第25卷第5期TRANSACTIONSOF文章编号:1003-1251(2006)05-0069-05兆瓦级风力发电机变桨距液压控制系统的设计和建模仿真田亚平,刘绍杰12(1.沈阳理工大学,2.摘要:,设计了变桨距液压控制系,利用Sim,根据仿真结果验证了其模型的合理性和正确性.通过建模仿真试验为MW级大型风力发电机变桨距国产化提供了一定的理论数据.关键词:变桨距;阀控非对称缸;数学建模;仿真中图分类号:TH137文献标识码:A现代风力发电机技术面临的挑战主要在于如何进一步提高效率、

2、增加强度、降低成本这三方面.随着风力机的单机容量的不断增大,变桨距调速方式和变速恒频技术在额定风速下能提高捕获风能效率,获得最佳能量输出,而变速恒频变桨矩型风力机逐渐占据了风力发电机的主导地位术21.液压变桨距控制系统是大型风机设计的核心技.采用液压系统变距主要利用其动力大,工作平稳,易于控制等优势,对液压系统进行动态特性分析已经成为机械设计中非常必要、方便可行的重要手段和步骤,传递函数法是液压系统建模仿真的一种有效的工具.本文主要设计了变桨距的液压控制系统并进行了建模仿真分析.图1变桨距液压控制系统原理图1液压系统设计1.1系统原理风机变桨距液压系统原理如图1.风机启动时,各电磁阀处于不得电

3、状态,比例阀处于O型中位,液压油液进入变距液压缸无杆腔使活塞到达左端极限位置,保持顺桨位置,保证收稿日期:2005-08-22作者简介:田亚平(1977),男,甘肃甘谷人,硕士研究生1轻负荷启动.当风速正常,需要起动风机工作时,阀6得电右位,阀9得电左位,比例阀7得电右位(平行油路),液压油经比例阀平行油路进入油缸有杆腔,使桨叶向-2°方向开桨.启动平稳后进行变距工作,通过变距节距信号反馈给比例阀换向调节液压油的流动方向和流量大小使变距系统动态调节.1.2系统简化电液比例阀是风机变桨距液压控制系统的关键部件.液压系统的仿真模型可简化为位置控制70沈阳理工大学学报2006年Q1=Cdx

4、vQ2=Cdxv比例阀控非对称缸系统,其模型简化图如图2.(Ps-P1)(4)(P-P0)2式中:Cd为流量系数;积梯度;P01P2为油源、回油(=Q12-P0s-P1(5)根据流量连续方程得到油缸两腔的流量方程5为:图2系统简化模型V1Q1=Cic(P1-P2)+CteP1+P1+V󰂻1eV(6)2系统数学模型的建立其比例阀的阀芯位移方程如下xv=(ut-kfy)KsKa3(1)式中:xv为比例阀阀芯位移;ut为输入电压;kf为位移传感器放大倍数;Ka为力马达增益;y为活塞杆位移;Ks为弹簧刚度.依据传统的非对称缸负载压力与负载流量的定义方法,该系统负载压力和流量定义为式(2

5、)和式(3).假设所分析的阀为理想零开口阀,故不考虑阀口间的泄漏,所以在正向运动时Q4=0;同理,在反向运动时,Q2=0.PL=P1-P2QL=Q1-Q4=Q1PL=P2-P2-V󰂻2e式中:外e为等效弹性模量;Cic,Cte为油缸的内、泄漏系数.设油缸左右两腔的体积分别为:V1=V10+A1y(7)V2=V20-A2y其中V10,V20分别为两腔的初始容积,则V󰂻󰂻1=A1y(8)V󰂻=-Ay󰂻22由于泄漏及液容效应所引起的流量远小于活塞运动所引起的流量故两腔的流量比Q2=Cic(P1-P2)-CteP2+Q2Q

6、1Cic(P1-P2)-CteP2=xv>0(2)=eeVP2-V2V1Cic(P1-P2)+CteP1P1+V1(9)=-A22V󰂻A11P1xv<0(3)QL=Q3-Q2=Q3式中:PL为液压缸负载压力;QL为液压缸负载流量;为有杆腔和无杆腔有效面积比值,=A2.A1从上式可以看出流量比和有效面积比是一致的.由式(2)和式(5)联立得:3PL+Ps+P0P131+(10)y>02(Ps-PL)+P0P231+将上式代入式(4)和式(6)中,得到负载流量表示式:QL=CtcPL+CtbPs+CtaP0V3)e(1+由于非对称油缸活塞两腔有效作用面积不等,故流

7、量是不连续的,而且流量方程与活塞速度的方向y󰂻有关,应分别讨论.1)当活塞正向运动y󰂻>0时PL+A1y󰂻(11)比例阀左右两腔的流量方程为4第5期田亚平等:兆瓦级风力发电机变桨距液压控制系统的设计和建模仿真QL=CdVv71(Ps-PL-P0)(1+3)(12)y=ApL-FLms+Bcs+Kau-(b+A1s)y(cs+Kco)aAu-FL(cs+)A1(b+s)+(c+K+Bcs+K)(17)KsqKaKfKsV12式中:Ctc为油缸的总泄漏系数,且Ctc=Cic(1+)+Cec2PLy=1+2;Ctb为进油系统泄漏系数,且Ctb;C

8、ta为回油系统的泄漏系数,.C(-)+C1+且CtaCic(-1)+Cec1+a对式(12)(13)QL=-KcoL式中:Kq;kc0为流量-压力系数;x为阀芯位移,x=xv-xv0.(Ps-PL0-P0)kq=Cd3(1+)kC0=Cdxv0)e(1+2)按照同样的建模方法可以建立活塞反向运动(y󰂻<0)时的状态变量方程式(18).,c.xv=KaKs(u-Kfy)QLV2)e(1+SPL-A2Sy(18)QL=Kqxv-KcoPLA2PL=(ms+Bcs+K)y+FL2(1+)(Ps-PL0-P0)(14)式中PL0为零位负载压力.液压缸活塞受力方程为F=A1PL=P

9、1A1-P2A2=my¨+Bcy󰂻+ky+FL(15)由式(18)得如下传递函数ApL-FLy=2ms+Bcs+KPLy=au-(b-A2s)yaAu-F(cs+K)A2(b-A2s)+(cs+Kco)(ms+Bcs+K)(19)KqKaKsKqKaKfKs2式中:F为液压缸产生的驱动力;Bc为活塞和负载的粘性阻尼系数;k为负载的弹性刚度;FL为作用在活塞上的任意外负载;m为活塞及负载质量.在不考虑液压缸泄漏的情况下(即Cta,Ctb,Ctc(11)、(13)、(15)进行拉普拉全为零).对式(1)、斯变换得xvKaKs(u-Kfy)VSPL+A1Sy(16)其中a=

10、,b=,c=V2)e(1+.3系统仿真的实现液压系统控制方框图如图3.按照液压系统控QL=)e(1+QL=Kqxv-KcoPLA1PL=(ms+Bcs+K)y+FL2由式(16)正向运动的传递函数图3液压系统控制方框图(17)、(19),利制方框图3,结合数学模型式(10)、用Simulink仿真软件搭建仿真模型如图4.从而得到液压缸两腔压力及负载压力和液压缸位移仿真72模型.沈阳理工大学学报2006年图4仿真模型1.表1仿真参数e/(N/m)1.4×109FL2A1A2V12V23Ps3P0mBcK/m2/m/m/m/MPa16b/MPa3b/kg2000c/(Ns/m)4000c

11、/(N/m)20007.854×10-34.005×10-34.725×10-4KcoKco/(m5/Ns)6.3×10-5a/kN58/(m/Ns)1×10-105a0.59×10-115×10-44.5×10-40.050.453×10-135×10-13按照仿真参数分别输入为5V和-5V的阶跃仿真信号,利用龙格库塔算法,取步长0102s得到仿真结果如图5.图5仿真结果仿真结果分析:(1)从图5a、5c仿真结果可以看出,液压缸两腔压力P1、P2及液压缸负载压力PL在换向瞬间有突变,无杆腔压力

12、P1从9.7MPa下降到1MPa,有杆腔压力P2从4.58MPa上升为16.5MPa,液压缸负载压力PL从7.4MPa上升为14.5MPa.压力突变的原因是液压缸为单出杆双总用液压缸两腔流量不匹配造成的.(2)从图5b、5d看出,根据不同的仿真信号,液压缸能准确到达相应位置,很好地满足了控制要求.(3)由于系统阻尼很大所以液压缸位移响应第5期田亚平等:兆瓦级风力发电机变桨距液压控制系统的设计和建模仿真曲线中超调量很小2王树强,刘绍杰.兆瓦级风力发电机液压变桨距系统设计及4结束语本文对风力发电机变桨距液压系统的设计、用传递函数法和Simulink仿真软件搭建非对称缸仿真模型,通过仿真试验验证了该

13、系统的正确性和合理性并为WM一定的理论数据.建模J.沈阳工业学院学报,2004,23(1):32234.3王野牧,王洁,陈先惠.液压伺服闭环控制系统的SIMULINK仿真实现J.沈阳工业大学学报,2000,22(5),3702372.4赵周礼,周恩涛,周士昌.J.,2002,):5.J.机床电,(3:426.1张培文.变桨距、变速恒频风力发电机EB|OL.http:/Design,ModelingandSimulationofHydraulicControlSystemofMegawattWindDrivenGeneratorwithVariablePropellerPitchTIANYa2p

14、ing,LIUShao2jie,KANGJun2feng112(1.ShenyangLigongUniversity,Shenyang110168,China;2.GansuEconomicSchool)Abstract:Accordingtothecontrollingrequirementofmegawattwinddrivengeneratorwithvariablepropellerpitchofhorizonaxis,thehydrauliccontrolsystemofavariablepropellerpitchisdesigned.Andcombiningwiththetheoryofvalve2controlledunsymmetricalhydrauliccylinderandthetransferfunction,themathemati2calmodelingofahydrauliccontrolsystemwithvariablepropellerpitchisestablishedandsimulatedbyusingtheSIMULINKsoftware.Therationalityandcorrectnessarevalidatedbytheresultofthesimulation.Ac