恒壓網(wǎng)絡電液變量達拉變槳距控制研究

恒壓網(wǎng)絡電液變量達拉變槳距控制研究

變槳距控制系統(tǒng)如果當前流風速高于信用證，電動汽車系統(tǒng)將根據(jù)風速變化控制轉轍距離，實時調整船葉間距，限制風輪探測的機械動能，穩(wěn)定輸出，減少負荷波動和影響。并網(wǎng)過程中,變槳距控制還可實現(xiàn)發(fā)電機快速無沖擊地并網(wǎng)運行,提高系統(tǒng)的發(fā)電效率和電能質量。變槳距作為主流風電機組實現(xiàn)變速運行與功率控制的必備的關鍵技術之一,正起到越來越重要的作用。國外大型尤其是兆瓦級以上的變速恒頻風力機組也都毫無例外地采用了變槳距控制技術。然而,目前風力機均采用電動或液壓缸的變槳距控制方式。針對電動變槳距的研究較多地涉及電機變槳距的模型與控制方案,并未指明該系統(tǒng)的缺點和改進的方向。文獻[9-12]較多地關注變槳距控制器的設計,但并未研究液壓變槳距控制的精度和簡潔性等問題。姜繼海等和馬琛俊設計并研究了風力機的直驅式容積控制及其節(jié)能型電-液復合變槳距系統(tǒng)。設計了該系統(tǒng)的半物理仿真實驗臺,進行了仿真實驗研究,證明了該系統(tǒng)的可行性和有效性。然而,該系統(tǒng)變槳距控制的關鍵元件仍采用液壓缸,且該系統(tǒng)強調變槳距控制中并不重要的節(jié)能性,對控制的高效性和精度卻未涉及,系統(tǒng)效率和精度有待驗證。電動變槳距的系統(tǒng)結構較為緊湊,同步與準確性較好,但易產(chǎn)生過量熱負荷,較難實現(xiàn)大慣量負載的變槳距控制。液壓變槳距容易實現(xiàn)大慣量負載的變槳距控制,但采用閥控缸與活塞連桿形式的傳動機構,需將液壓缸的直線位移轉換為槳距角位移,因線位移與角位移間存在非線性轉換,從而導致系統(tǒng)控制精度較低,動態(tài)性能欠佳。鑒于此,提出恒壓網(wǎng)絡電液變量馬達的變槳距控制方式,采用電動機與變量液壓馬達聯(lián)合作動與控制的方式,不僅具有電動變槳距的結構簡潔等優(yōu)點,而且具有液壓變槳距易于實現(xiàn)大慣量負載的變槳距控制的優(yōu)點。同時,該方式克服了電動變槳距的易過熱和液壓變槳距結構復雜、控制精度較低等缺點。本文設計變量馬達變槳距控制系統(tǒng),闡述其變槳距控制的工作原理,構建系統(tǒng)變槳距控制的數(shù)學模型,給出槳距角的雙閉環(huán)位置控制模型。同時,提出參考槳距角的模糊給定策略,并搭建仿真實驗平臺,進行變槳距控制的對比實驗研究。1槳距角控制系統(tǒng)如圖1,變槳距系統(tǒng)主要由恒壓網(wǎng)絡、變排量液壓馬達、變槳齒輪系以及風力機槳葉等構成。其中,由電動機、變量泵、蓄能器、安全閥等構成了恒壓網(wǎng)絡,該網(wǎng)絡輸給變排量液壓馬達的油壓相對穩(wěn)定,壓力大小取決于蓄能器的充液狀態(tài),流量隨變槳載荷的變化而變化。變量液壓馬達通過行星式變槳齒輪系與槳葉連接,該液壓馬達為RexrothA6VM系列電液比例連續(xù)變排量液壓馬達,采用軸向柱塞斜盤式結構,通過電控比例方向閥和變量液壓缸對其排量進行連續(xù)地控制,其排量正比于所施加的電流控制信號,內置的變量缸位移傳感器用于實時檢測馬達排量。比例放大器將控制器輸出的電壓信號轉成電流信號以驅動比例方向閥和變量液壓缸動作,變量液壓缸調節(jié)馬達斜盤傾角的位置以及缸體與主軸之間的夾角來控制馬達排量和輸出的變槳轉矩的大小方向,進而獲得與變槳過程相對應的轉角、轉速、轉向和功率,并適應變槳負載的變化,從而使得槳葉繞自身軸線回轉,實現(xiàn)槳距角的調節(jié)和系統(tǒng)功率控制?？刂葡到y(tǒng)采用雙閉環(huán)位置控制結構,內環(huán)為比例閥變量缸構成的變量馬達的反饋閉環(huán),外環(huán)為輸出槳距角反饋的控制閉環(huán)。設置2個PI位置控制器,采用S7-200PLC內嵌的PID指令計算獲得控制量。其具體實現(xiàn)方式為:通過模擬量輸入模塊讀取馬達排量或槳距角反饋量并轉換成數(shù)字量后進入CPU模塊。在CPU內,該數(shù)字量規(guī)范化為標準值并寫入PID回路表的過程變量中,該量與槳距角設定值相比較,獲得偏差量,對該偏差值執(zhí)行PID指令計算輸出值,該值作為控制量經(jīng)模擬量輸出模塊轉換成模擬量輸入到比例閥中,進而控制變量缸的位置和液壓馬達的排量來實現(xiàn)槳距角的精確跟蹤與控制。系統(tǒng)主要工作流程為:機組啟動后,當輸入風速達到切入風速時,風輪開始旋轉,風力發(fā)電機并網(wǎng)并進入發(fā)電運行狀態(tài)。當風速低于額定值時,機組處于欠功率狀態(tài),此時槳距角維持在0°附近。當風速超過額定值時,變槳距控制過程啟動,機組進入功率控制階段。此時,電動機帶動變量液壓泵工作,壓力油經(jīng)濾油器、變量泵和單向閥后輸出并作為驅動變量馬達及其變量機構的恒壓油源。同時,比例方向閥得電并控制變量液壓缸活塞桿變量的位移,變量液壓缸繼而控制變量液壓馬達進行變槳距控制。當實際輸出功率超過額定值較多時,比例閥處于右位,變量液壓缸左移,變量液壓馬達帶動槳葉順槳,槳距角增大;當實際功率減小到很接近額定值且二者之差的變化率較大時,變量馬達帶動槳葉逆槳,槳距角減小。當風速高于切出風速或者系統(tǒng)故障時,變量液壓馬達帶動槳葉快速順槳至槳距角達到90°附近。此時,風輪轉速和發(fā)電機功率降低,當功率降低至0時,發(fā)電機脫網(wǎng),機組制動并停機。該系統(tǒng)為新型高效節(jié)能型液壓系統(tǒng),可通過流量的反向流動和蓄能器實現(xiàn)能量回收,回收的液壓能可貯存或供下次驅動負載時使用,較為適合于具有頻繁往復動作的變槳過程。由于蓄能器平衡了峰值功率,在變槳加速時能提供較大流量,因而變槳的最大速度并不完全取決于泵站容量大小,這樣可按工作周期內平均功率設計安裝泵站,降低功率損耗,提高系統(tǒng)效率,并保護液壓元件免受液壓沖擊損害,延長使用壽命,減少噪聲污染。變量馬達與恒壓網(wǎng)絡直接耦聯(lián),可無損耗的從中獲取液壓能,這樣恒壓網(wǎng)絡中可接入相互獨立的多個變量馬達,各馬達分別獨立地調節(jié)各自的轉角、轉速、轉矩和功率,執(zhí)行獨立的控制規(guī)律,有助于實現(xiàn)各槳葉獨立變槳控制。與傳統(tǒng)靜液壓傳動相比較,該系統(tǒng)具有較高的控制性能,可以進行能量的存儲和重新利用,無明顯的壓力峰值和波動。同時,由于系統(tǒng)設計功率的減小,可以大大降低設備的制造成本,提高系統(tǒng)效率。與電傳動相比較,系統(tǒng)動態(tài)閉環(huán)響應較快、功率密度較高,有助于實現(xiàn)大型風力機的精確變槳距控制,系統(tǒng)結構緊湊、能夠在較小的安裝空間內部實現(xiàn)變槳距操控。2動態(tài)性能理論由于恒壓網(wǎng)絡的動態(tài)性能較好,其液壓時間常數(shù)對變槳動態(tài)特性影響較小,所以可不考慮油源部分的動態(tài)性能對輸出槳距角的影響,并可認為恒壓網(wǎng)絡的輸出油壓基本保持不變,這樣不僅能簡化研究的復雜性,同時能保證結果的準確性。本文主要探討變量液壓馬達及其輸出槳距角位置閉環(huán)的數(shù)學建模及其特性分析。2.1變量-燃油馬的模型2.1.1tv—電液比例閥動態(tài)模型電液比例閥動態(tài)可用二階振蕩模型表達,即式中QV———電液比例閥輸出流量,m3/sI———電液比例閥輸入電流,AKV———電液比例閥流量增益,m3/(s·A)ξV———電液比例閥阻尼比當系統(tǒng)頻率低于50Hz時,其動態(tài)可用一階慣性環(huán)節(jié)描述,即式中TV———電液比例閥時間常數(shù),s2.1.2液壓馬達的壓力式中qV———變量液壓缸流量,m3/s變量液壓缸動力微分方程式中m———變量液壓缸活塞質量,kg液壓馬達排量方程式中V2———液壓馬達的排量,m3/radV2max———液壓馬達最大排量,m3/radαmax———變量斜盤最大擺動角度,(°)液壓馬達的力矩平衡方程式中M2———液壓馬達轉矩,N·mp0———恒壓網(wǎng)絡壓力,N/m2J2———液壓馬達轉動慣量,kg·m2RH———液壓馬達阻尼系數(shù),N·m·s/rad2.2槳距角跟蹤控制模型電液變量液壓馬達動態(tài)模型的Laplace變換為式中Y———y的Laplace變換根據(jù)式(1)~(10),可得系統(tǒng)槳距角控制模型,如圖2所示,其中,采用雙PI控制器和雙位置傳感器構成雙位置反饋控制閉環(huán),這樣,不僅能實現(xiàn)槳距角的高精度跟蹤控制,且可實現(xiàn)電液馬達排量的高效控制。系統(tǒng)控制模型中的具體參數(shù)可根據(jù)該模型通過仿真調定,其中,KA和KB分別為反饋增益,ig為變槳齒輪系的減速比。3模擬實驗為驗證馬達變槳距控制的可行性與高效性,搭建實驗平臺并進行變槳距對比仿真實驗。3.1運行控制模塊如圖3所示,該實驗平臺主要由Labview程序軟件、數(shù)字風電機組、數(shù)據(jù)采集卡、PLC控制器、變槳距系統(tǒng)以及風力機實驗臺等構成。數(shù)字風電機組采用Bladed軟件開發(fā),用于模擬產(chǎn)生隨機風速并計算得到槳距角參考信號。Labview程序軟件主要由數(shù)據(jù)采集、顯示、交換以及運行控制模塊等構成,數(shù)據(jù)采集模塊經(jīng)由數(shù)據(jù)采集卡獲得系統(tǒng)運行過程數(shù)據(jù),送入數(shù)據(jù)顯示模塊并在界面顯示,同時數(shù)據(jù)交換模塊通過外部控制器ExternalController與數(shù)字風電機組交換數(shù)據(jù),將過程數(shù)據(jù)如槳距角信號等送入機組計算,而將發(fā)電機功率等計算的結果數(shù)據(jù)發(fā)送到顯示模塊和界面進行顯示,運行控制模塊用于系統(tǒng)啟動、停機、變槳距控制等運行狀態(tài)的控制和切換。風力機實驗臺采用主軸力矩電機拖動的風輪來模擬實際風力機運行。經(jīng)由PLC產(chǎn)生的控制信號作用于變量馬達變槳距裝置和風力機槳葉,產(chǎn)生實際的變槳距動作,而系統(tǒng)運行的過程數(shù)據(jù)如壓力、流量、油溫以及槳距角等經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡饋送回到界面顯示或進行內部的數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)啟動后,Bladed軟件產(chǎn)生隨機風速信號并仿真機組運行,當風速達到或超過額定值后,變槳距過程開啟。此時,由Bladed計算得到的槳距角參考信號作為給定值輸入到PLC中,PLC采用PI算法計算得到控制量,送入變槳距系統(tǒng)中,控制變量馬達排量,調節(jié)風輪槳距角并最終穩(wěn)定發(fā)電機功率到額定值附近。槳距角參考信號由模糊算法計算獲得,其計算原理為:當風速高于額定值時,為保證輸出功率穩(wěn)定,控制器根據(jù)實際輸出功率P與額定功率Pg的偏差e=Pg-P及偏差變化率de/dt的大小和正負,按照風能利用系數(shù)Cp與槳距角的反相關的關系,調節(jié)槳距角,改變輸出功率。這樣,對應于某組e和de/dt,即有相應的槳距角最佳值,該值即為槳距角參考值。例如,若e和de/dt均為正值且較大,即表明,實際輸出功率低于額定功率且兩者偏差有逐漸增大的趨勢,這時,須減小槳距角,以增大Cp,從而捕獲功率和輸出功率相應地增大,e和de/dt相應地減小,輸出功率得以穩(wěn)定于額定值附近。工控機內的數(shù)字風力機采用德國NORDEX的某成熟風力機型,其額定功率為1.5MW。實驗中做對比用的液壓缸變槳距機構由液壓缸、轉桿、中間連桿、推盤等構成。其中,推盤與液壓缸活塞桿固連,轉桿通過加強筋與槳葉根部相連接并可圍繞槳葉變槳軸線轉動。液壓缸活塞桿與推盤運動一致,活塞桿的水平運動推動推盤移動,導致轉桿支點沿著槳葉軸線轉動,即改變槳距角,該角度改變值與液壓缸活塞桿位移近似成正比。3.2變槳距控制的特性圖4為系統(tǒng)的隨機風速曲線,風速最高值為25m/s,最低值為10m/s,額定風速為18m/s,由工控機中“BladedForWindows”軟件隨機產(chǎn)生。圖5為槳距角信號曲線,據(jù)圖5可知,槳距角變化范圍為10°~20°,變化的大體趨勢與風速直接相關,同時,相比于液壓缸變槳距的槳距角信號,變量馬達變槳距的槳距角信號的變化較為迅速,說明其對于功率控制的實時性較好。圖6和圖7為兩種變槳距方式的傳動鏈轉矩響應的對比,據(jù)圖可知,采用液壓缸變槳距的傳動鏈轉矩波動范圍為0.7~1.1MN·m,而在變量馬達方式下為0.86~0.96MN·m,可見,變量馬達變槳距有助于平滑傳動鏈轉矩波動,降低載荷干擾。圖8和圖9為兩種變槳距方式的機組輸出功率的對比,由圖可知,液壓缸變槳距的功率范圍大約穩(wěn)定于1.3~1.7MW,相比于額定功率波動幅度為26%,而變量馬達變槳距的功率大約穩(wěn)定于1.5MW的額定值附近,波動幅度大約為6%,這樣,變量馬達變槳距能更好地穩(wěn)定輸出功率,具有較好的功率控制效果和控制精度。4馬達變槳控制(1)恒壓網(wǎng)絡變量馬達變槳距系統(tǒng)為新型高效節(jié)能型液壓系統(tǒng),具有效率密度高、控制精度高和結構緊湊等優(yōu)點,較為適合于具有頻繁往復動作的變槳過程。(2)變量馬達與恒壓網(wǎng)絡直接耦聯(lián),可無損耗的從中獲取液壓能,這樣網(wǎng)絡中可接入獨立的多個變量馬達,各馬達執(zhí)行獨立的控制規(guī)律,有助于實現(xiàn)各槳葉獨立的變槳控制。(3)相比于傳統(tǒng)的液壓缸變槳距方式,變量馬達變槳距系統(tǒng)能夠實現(xiàn)變槳距控制,其變槳距控制的響應速度和精度相對較高。(4)馬達變槳距系統(tǒng)能將傳動鏈轉矩穩(wěn)定于額定值的5%以內,將輸出功率穩(wěn)定于額定值的6%以內,能較好地抑制功率和傳動鏈轉矩載荷的波動。對馬達變槳系統(tǒng)的研究具有一定的理論意義和較好的工程應用價值。ωV