多泵切換對數(shù)字液壓傳動風力機工作特性影響的分析

劉增光, 張本國, 岳大靈, 李林飛, 蘇利強, 任 祿

(蘭州理工大學 能源與動力工程學院, 甘肅 蘭州 730050)

引言

風能作為一種重要的可再生能源,近年來在世界范圍內得到了大規(guī)模的發(fā)展[1]。我國現(xiàn)有風力發(fā)電機組中主要以齒輪箱傳動為主[2]。齒輪箱式風力發(fā)電機組存在著齒輪箱故障率高、需要大功率變流器和輸出電能品質差等嚴重缺點,制約了我國風電產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展[3]。與傳統(tǒng)齒輪傳動風力發(fā)電機組相比,液壓風力發(fā)電機組因其具有機艙重量輕、無級調速實現(xiàn)簡便、消除了變流器和易于實現(xiàn)液壓蓄能等優(yōu)點,受到國內外的廣泛關注[4]。

如圖1所示為常用的單定量泵驅動單變量馬達的液壓風力發(fā)電機組工作原理,其主要有風輪、定量泵、變量馬達和同步發(fā)電機組成[5]。采用單泵單馬達傳動的液壓風力發(fā)電機組在中低風速下,液壓泵和馬達工作在遠離額定工況狀態(tài),從而導致泵、馬達和整個機組工作效率較低[6]。同時由于風力發(fā)電機組呈現(xiàn)出向5 MW及以上方向發(fā)展的趨勢,而目前可用于液壓風力發(fā)電的單個低速大扭矩液壓泵的功率不能滿足5 MW 的要求。因此,為了使液壓風力發(fā)電機組在整個工作范圍內始終保持高的效率,國內外學者提出了利用多個小排量定量泵組合替代單個大排量定量泵的風力發(fā)電數(shù)字液壓傳動新方案并對其進行了研究。

圖1 單泵單馬達液壓風力發(fā)電機組原理

德國亞琛工業(yè)大學搭建了1 MW液壓傳動風力發(fā)電實驗平臺,其液壓傳動系統(tǒng)由2個定量泵和4個變量馬達組成,控制系統(tǒng)能夠根據(jù)輸入的風速來切換每個泵和馬達的運行狀態(tài),研究結果表明該液壓傳動系統(tǒng)可以有效提高低于額定風速時的傳動系統(tǒng)效率[7-8]。普渡大學通過實驗對比采用單泵傳動和雙泵傳動的風力發(fā)電效率,實驗結果證明了在液壓風力發(fā)電系統(tǒng)中采用多臺液壓泵的效率明顯提高[9-10]。WANG F等[11-12]提出了一種數(shù)字式液壓傳動風力機發(fā)電系統(tǒng),并對其馬達數(shù)字化編碼控制方法進行研究,仿真結果驗證了所提方案的可行性。以上國內外的研究主要集中在數(shù)字液壓傳動風力發(fā)電機組的靜態(tài)特性進行研究,而對不同風速工況下多泵切換時數(shù)字液壓傳動風力發(fā)電機組動態(tài)特性研究較少。

本研究以5 MW多泵數(shù)字液壓傳動風力機為研究對象,在分析風能多泵數(shù)字液壓傳動工作原理的基礎上,建立了多泵數(shù)字液壓傳動風力機的數(shù)學模型,并利用AMESim軟件搭建了多泵數(shù)字液壓傳動風力機的仿真模型?；诜抡婺Ｐ瓦M行恒定風速和變風速工況下多泵工作切換的仿真研究,得到多泵切換時液壓風力機的風能利用系數(shù)、液壓系統(tǒng)流量、壓力等動態(tài)特性的變化規(guī)律;最后,利用半實物仿真系統(tǒng)搭建了多泵數(shù)字液壓傳動風力發(fā)電硬件在環(huán)仿真測試實驗平臺,對仿真結果的準確性進行驗證。

1 多泵數(shù)字液壓傳動風力機

1.1 多泵數(shù)字液壓傳動風力機工作原理

多泵數(shù)字液壓傳動風力機工作原理,如圖2所示。該系統(tǒng)主要由風輪部分、液壓多泵部分以及液壓多馬達部分組成。風輪部分是風力機的能量轉換裝置,作用是吸收風能,帶動多泵旋轉。液壓多泵部分是機艙中采用多個不等排量的定量泵與風輪同軸連接,并且每臺大排量定量泵并聯(lián)一個控制閥用來控制該泵處于工作狀態(tài)還是空轉狀態(tài)。通過排量大小不等的多個定量泵組合運轉實現(xiàn)風輪在整個工作風速范圍的高效風能吸收利用。多馬達部分由多個定量馬達和變量馬達組合, 使馬達總排量可以無級可變, 最終實現(xiàn)多泵數(shù)字液壓風力機工作于恒速。

1.風輪部分 2.液壓多泵部分 3.液壓多馬達部分

1.2 液壓風力機建模

風輪是整個系統(tǒng)的能量捕獲裝置,是機組能量傳遞的源頭,對風力機的輸出功率與轉矩進行數(shù)學建模,則有:

(1)

式中,Pw—— 風力機輸出功率

ρ—— 空氣密度

R—— 葉片半徑

Tw—— 風力機輸出轉矩

Cp—— 風能利用系數(shù)

ω—— 風輪轉速

v—— 風速

定量泵輸出流量計算公式:

Qp=Dpωp-Ctpph

(2)

定量泵在風力作用下同軸旋轉,其力矩平衡方程為:

(3)

式中,Qp—— 多臺定量泵流量

ωp—— 定量泵的轉速

Dp—— 多臺定量泵總排量

Bp—— 定量泵和風輪黏性阻尼系數(shù)

Jp—— 定量泵與風輪總慣量

Ctp—— 定量泵泄漏系數(shù)

ph—— 系統(tǒng)壓力

液壓管路中油液產(chǎn)生的壓縮流量計算公式:

(4)

式中,qin—— 流入管路的流量

qout—— 流出管路的流量

V—— 管路的體積

βe—— 油液的體積彈性模量

插裝式開關閥流量數(shù)學模型:

(5)

式中,Cd—— 流量系數(shù)

A—— 開關閥開口截面積

Δp—— 開關閥兩端壓降

ρ—— 油液密度

2 多泵數(shù)字液壓傳動風力機控制策略

2.1 數(shù)字多泵液壓傳動風力機工作特性

變速風力發(fā)電機組的輸出功率曲線如圖3所示,當風速小于切入風速或大于切出風速時風力發(fā)電機組處于不工作狀態(tài)。當風速介于切入風速和額定風速之間時,控制葉片轉速使風力機始終運行在最佳葉尖速比上,實現(xiàn)最大風能捕獲。在區(qū)域Ⅲ,風速大于額定風速且低于切出風速時,風力機通過變槳系統(tǒng)使輸出功率保持在額定功率。

圖3 風力發(fā)電機組功率曲線

當風力機槳距角保持不變時,風能利用系數(shù)Cp與葉尖速比λ關系,如圖4所示,當葉尖速比為最佳值8.1時,風能利用系數(shù)達到最大值0.48。由葉尖速比公式λ=Rω/v可知,葉尖速比與風速和葉片轉速相關。因此對于變速風力發(fā)電機來說,區(qū)域Ⅱ的控制目標是根據(jù)風速的變化控制風輪轉速,使風力發(fā)電機運行在最佳葉尖速比上,此時風輪吸收風能功率達到最大。

圖4 風輪特性曲線

2.2 多泵切換控制

多泵數(shù)字液壓傳動風力機在切入風速與額定風速之間運行時,風力機處于多泵切換運行狀態(tài)。當風速改變時,通過控制器控制開關閥的工作狀態(tài),改變泵組有效排量(多泵運行個數(shù)),使多泵數(shù)字液壓風力機獲得最大的風能利用系數(shù)。

數(shù)字液壓傳動風力發(fā)電機多泵切換策略示意圖,如表1所示。

表1 液壓風力機多泵運行切換

2.3 基于葉尖速比最大功率跟蹤控制

本研究主要分析多泵切換對液壓風力機工作特性的影響。為了簡化控制系統(tǒng)的設計,用比例溢流閥來模擬多泵數(shù)字液壓傳動風力機的多液壓馬達負載部分,簡化后的基于葉尖速比控制法的多泵數(shù)字液壓傳動風力機風能最大功率跟蹤控制原理,如圖5所示。其控制原理為:通過計算風速,將得出最佳的風輪轉速作為控制系統(tǒng)的輸入給定信號,與速度傳感器檢測風輪的實際轉速進行比較,得到速度偏差后經(jīng)過控制器處理后去控制比例溢流閥壓力來進行負載大小的調 節(jié),溢流閥模擬的負載大小與風輪捕獲風能功率相匹配,使得風輪持續(xù)運行在最佳轉速。

圖5 風力機最大功率跟蹤控制原理

3 多泵數(shù)字液壓傳動風力機仿真及實驗驗證

3.1 仿真模型

在AMESim中建立了5 MW多泵數(shù)字液壓傳動風力機的仿真模型如圖6所示。該模型包括給定風速部分、風輪部分、液壓多泵傳動部分、風輪轉速閉環(huán)控制部分和模擬負載部分。仿真模型主要設置參數(shù)如表2所示。

表2 仿真模型設置參數(shù)

圖6 AMESim仿真模型

3.2 泵排量不變,不同風速切換時多泵數(shù)字液傳動風力機動態(tài)響應

在階躍風速作用下,泵排量為200 L/r時對5 MW多泵數(shù)字液壓傳動風力機的風能利用系數(shù)、 液壓系統(tǒng)流量、壓力等工作特性的變化規(guī)律進行仿真研究,具體結果如圖7所示。

圖7 泵排量不變,風速階躍變化時多泵數(shù)字液壓風力機工作特性

階躍風速變化示意圖,如圖7a所示。風速200 s時由6 m/s階躍變化至7 m/s,在250 s時由7 m/s階躍變化至6 m/s。圖7b為風輪轉速變化圖,由于風輪具有較大的轉動慣量,風速由6 m/s階躍至7 m/s時,風輪轉速存在一定的超調,風輪轉速先急劇上升后下降穩(wěn)定在給定風輪轉速。葉尖速比變化如圖7c所示,由于風速階躍變化,實際風輪轉速不能一直保證在給定風輪轉速。風輪半徑不變時,葉尖速比與風輪轉速和風速有關,由于風速的階躍,葉尖速比先減小后因為風輪轉速的增加而增大至8.5,之后迅速穩(wěn)定在最佳葉尖速比8.1。圖7d為風能利用系數(shù)變化曲線,當葉尖速比為8.1時風能利用系數(shù)達到最大值為0.48。風速階躍變化時,葉尖速比發(fā)生變化,風能利用系數(shù)先降低后穩(wěn)定在0.48。圖7e為多泵傳動系統(tǒng)流量變化曲線,系統(tǒng)流量變化趨勢與風輪轉速變化趨勢一致,這是由于定量泵與風輪同軸連接具有相同的轉速,泵排量不變時,流量與轉速成正比。圖7f為系統(tǒng)壓力系統(tǒng)變化曲線,系統(tǒng)壓力變化為先降低后增大至17 MPa后保持穩(wěn)定,同理可得風速由7 m/s階躍變化至6 m/s時多泵數(shù)字液壓風力機系統(tǒng)工作特性與上述變化趨勢相反。

3.3 風速恒定,不同泵切換時多泵數(shù)字液壓傳動風力機動態(tài)響應

對風速恒為6 m/s時泵工作排量切換進行仿真,通過改變控制閥信號切換兩個泵的運行狀態(tài)。開關閥控制信號如圖8a所示,開關閥輸入信號為0時,此時開關閥關閉,泵處于工作狀態(tài)。開關閥信號為1時開關閥開啟,泵處于空轉狀態(tài)。對于給定的每一個風速,都有最佳的風輪轉速相對應,由于風速不變,因此最佳風輪轉速不變。風輪轉速如圖8b所示,200 s之前泵1和泵2均處于工作狀態(tài),風輪轉速運行在最佳轉速。200 s時,泵2控制閥得電,雙泵切換至單泵運行,風輪轉速先增加后又迅速恢復至最佳風輪轉速。260 s時泵2控制閥失電,此時單泵切換至雙泵運行,風輪轉速先降低,后逐漸恢復到最佳風輪轉速。葉尖速比變化曲線如圖8c所示, 由于風速不變, 此時葉尖速比只與風輪轉速相關,因此葉尖速比呈現(xiàn)出與風輪轉速相同的變化趨勢。圖8d為多泵切換時風能利用系數(shù)曲線,多泵切換時風能利用系數(shù)先降低后恢復至0.48。圖8e為系統(tǒng)流量變化曲線,雙泵切換至單泵,液壓泵工作排量降低導致系統(tǒng)流量降低。此時系統(tǒng)流量曲線變化如圖。圖8f為系統(tǒng)壓力曲線,雙泵切換至單泵運行時,系統(tǒng)壓力增加。

圖8 風速恒定,不同泵切換時多泵數(shù)字液壓風力機工作特性

3.4 半實物仿真實驗驗證

對5 MW風輪仿真模型進行等效縮比,并搭建5.5 kW風能能量多泵數(shù)字液壓傳遞半實物仿真實驗平臺,半實物仿真實驗原理如圖9所示。

圖9 數(shù)字液壓風力機半實物仿真實驗原理

半實物仿真實驗平臺實物圖,如圖10所示。對泵排量不變風速階躍變化和恒定風速時單雙泵切換兩種工況進行實驗驗證。泵排量不變,風速階躍變化時數(shù)字液壓風力機組工作特性實驗變化曲線,如圖11所示。

圖10 半實物仿真實驗平臺實物圖

圖11 風速階躍時多泵數(shù)字液壓傳動風力機實驗曲線

風速不變,單雙泵切換運行時,數(shù)字液壓風力機系統(tǒng)工作特性實驗曲線,如圖12所示。

圖12 多泵切換時多泵數(shù)字液壓傳動風力機實驗曲線

由圖11和圖12可知,在泵工作排量不變階躍風速作用以及風速不變泵工作排量切換兩種工況下,5.5 kW 多泵數(shù)字液壓傳動風力機系統(tǒng)實驗結果與5 MW 仿真模型結果具有相同的變化趨勢,驗證了所搭建仿真模型的準確性。

4 結論

通過建立基于AMESim的5 MW多泵數(shù)字液壓傳動風力機仿真模型,對多泵數(shù)字液壓傳動風力機系統(tǒng)泵工作排量不變時風速階躍變化和風速不變時泵工作排量切換兩種不同工況下的工作特性進行仿真分析,并搭建5 kW多泵數(shù)字液壓傳動半實物仿真實驗平臺,驗證了所搭建模型的準確性。仿真和實驗結果表明風速階躍以及多泵切換時,多泵數(shù)字液壓傳動風力機葉尖速比發(fā)生變化導致風能利用系數(shù)短暫降低后又恢復至最大風能利用系數(shù)0.48,同時風速階躍以及多泵切換瞬間系統(tǒng)流量會產(chǎn)生突變,導致系統(tǒng)壓力變化較大,影響風力機穩(wěn)定運行。因此針對此問題,后續(xù)工作應提出一種有效控制策略以減少流量波動從而降低壓力峰值,提高多泵數(shù)字液壓傳動風力機的穩(wěn)定性。