多泵切换对数字液压传动风力机工作特性影响的分析

刘增光, 张本国, 岳大灵, 李林飞, 苏利强, 任 禄

(兰州理工大学 能源与动力工程学院, 甘肃 兰州 730050)

引言

风能作为一种重要的可再生能源,近年来在世界范围内得到了大规模的发展[1]。我国现有风力发电机组中主要以齿轮箱传动为主[2]。齿轮箱式风力发电机组存在着齿轮箱故障率高、需要大功率变流器和输出电能品质差等严重缺点,制约了我国风电产业的进一步发展[3]。与传统齿轮传动风力发电机组相比,液压风力发电机组因其具有机舱重量轻、无级调速实现简便、消除了变流器和易于实现液压蓄能等优点,受到国内外的广泛关注[4]。

如图1所示为常用的单定量泵驱动单变量马达的液压风力发电机组工作原理,其主要有风轮、定量泵、变量马达和同步发电机组成[5]。采用单泵单马达传动的液压风力发电机组在中低风速下,液压泵和马达工作在远离额定工况状态,从而导致泵、马达和整个机组工作效率较低[6]。同时由于风力发电机组呈现出向5 MW及以上方向发展的趋势,而目前可用于液压风力发电的单个低速大扭矩液压泵的功率不能满足5 MW 的要求。因此,为了使液压风力发电机组在整个工作范围内始终保持高的效率,国内外学者提出了利用多个小排量定量泵组合替代单个大排量定量泵的风力发电数字液压传动新方案并对其进行了研究。

图1 单泵单马达液压风力发电机组原理

德国亚琛工业大学搭建了1 MW液压传动风力发电实验平台,其液压传动系统由2个定量泵和4个变量马达组成,控制系统能够根据输入的风速来切换每个泵和马达的运行状态,研究结果表明该液压传动系统可以有效提高低于额定风速时的传动系统效率[7-8]。普渡大学通过实验对比采用单泵传动和双泵传动的风力发电效率,实验结果证明了在液压风力发电系统中采用多台液压泵的效率明显提高[9-10]。WANG F等[11-12]提出了一种数字式液压传动风力机发电系统,并对其马达数字化编码控制方法进行研究,仿真结果验证了所提方案的可行性。以上国内外的研究主要集中在数字液压传动风力发电机组的静态特性进行研究,而对不同风速工况下多泵切换时数字液压传动风力发电机组动态特性研究较少。

本研究以5 MW多泵数字液压传动风力机为研究对象,在分析风能多泵数字液压传动工作原理的基础上,建立了多泵数字液压传动风力机的数学模型,并利用AMESim软件搭建了多泵数字液压传动风力机的仿真模型。基于仿真模型进行恒定风速和变风速工况下多泵工作切换的仿真研究,得到多泵切换时液压风力机的风能利用系数、液压系统流量、压力等动态特性的变化规律;最后,利用半实物仿真系统搭建了多泵数字液压传动风力发电硬件在环仿真测试实验平台,对仿真结果的准确性进行验证。

1 多泵数字液压传动风力机

1.1 多泵数字液压传动风力机工作原理

多泵数字液压传动风力机工作原理,如图2所示。该系统主要由风轮部分、液压多泵部分以及液压多马达部分组成。风轮部分是风力机的能量转换装置,作用是吸收风能,带动多泵旋转。液压多泵部分是机舱中采用多个不等排量的定量泵与风轮同轴连接,并且每台大排量定量泵并联一个控制阀用来控制该泵处于工作状态还是空转状态。通过排量大小不等的多个定量泵组合运转实现风轮在整个工作风速范围的高效风能吸收利用。多马达部分由多个定量马达和变量马达组合, 使马达总排量可以无级可变, 最终实现多泵数字液压风力机工作于恒速。

1.风轮部分 2.液压多泵部分 3.液压多马达部分

1.2 液压风力机建模

风轮是整个系统的能量捕获装置,是机组能量传递的源头,对风力机的输出功率与转矩进行数学建模,则有:

(1)

式中,Pw—— 风力机输出功率

ρ—— 空气密度

R—— 叶片半径

Tw—— 风力机输出转矩

Cp—— 风能利用系数

ω—— 风轮转速

v—— 风速

定量泵输出流量计算公式:

Qp=Dpωp-Ctpph

(2)

定量泵在风力作用下同轴旋转,其力矩平衡方程为:

(3)

式中,Qp—— 多台定量泵流量

ωp—— 定量泵的转速

Dp—— 多台定量泵总排量

Bp—— 定量泵和风轮黏性阻尼系数

Jp—— 定量泵与风轮总惯量

Ctp—— 定量泵泄漏系数

ph—— 系统压力

液压管路中油液产生的压缩流量计算公式:

(4)

式中,qin—— 流入管路的流量

qout—— 流出管路的流量

V—— 管路的体积

βe—— 油液的体积弹性模量

插装式开关阀流量数学模型:

(5)

式中,Cd—— 流量系数

A—— 开关阀开口截面积

Δp—— 开关阀两端压降

ρ—— 油液密度

2 多泵数字液压传动风力机控制策略

2.1 数字多泵液压传动风力机工作特性

变速风力发电机组的输出功率曲线如图3所示,当风速小于切入风速或大于切出风速时风力发电机组处于不工作状态。当风速介于切入风速和额定风速之间时,控制叶片转速使风力机始终运行在最佳叶尖速比上,实现最大风能捕获。在区域Ⅲ,风速大于额定风速且低于切出风速时,风力机通过变桨系统使输出功率保持在额定功率。

图3 风力发电机组功率曲线

当风力机桨距角保持不变时,风能利用系数Cp与叶尖速比λ关系,如图4所示,当叶尖速比为最佳值8.1时,风能利用系数达到最大值0.48。由叶尖速比公式λ=Rω/v可知,叶尖速比与风速和叶片转速相关。因此对于变速风力发电机来说,区域Ⅱ的控制目标是根据风速的变化控制风轮转速,使风力发电机运行在最佳叶尖速比上,此时风轮吸收风能功率达到最大。

图4 风轮特性曲线

2.2 多泵切换控制

多泵数字液压传动风力机在切入风速与额定风速之间运行时,风力机处于多泵切换运行状态。当风速改变时,通过控制器控制开关阀的工作状态,改变泵组有效排量(多泵运行个数),使多泵数字液压风力机获得最大的风能利用系数。

数字液压传动风力发电机多泵切换策略示意图,如表1所示。

表1 液压风力机多泵运行切换

2.3 基于叶尖速比最大功率跟踪控制

本研究主要分析多泵切换对液压风力机工作特性的影响。为了简化控制系统的设计,用比例溢流阀来模拟多泵数字液压传动风力机的多液压马达负载部分,简化后的基于叶尖速比控制法的多泵数字液压传动风力机风能最大功率跟踪控制原理,如图5所示。其控制原理为:通过计算风速,将得出最佳的风轮转速作为控制系统的输入给定信号,与速度传感器检测风轮的实际转速进行比较,得到速度偏差后经过控制器处理后去控制比例溢流阀压力来进行负载大小的调 节,溢流阀模拟的负载大小与风轮捕获风能功率相匹配,使得风轮持续运行在最佳转速。

图5 风力机最大功率跟踪控制原理

3 多泵数字液压传动风力机仿真及实验验证

3.1 仿真模型

在AMESim中建立了5 MW多泵数字液压传动风力机的仿真模型如图6所示。该模型包括给定风速部分、风轮部分、液压多泵传动部分、风轮转速闭环控制部分和模拟负载部分。仿真模型主要设置参数如表2所示。

表2 仿真模型设置参数

图6 AMESim仿真模型

3.2 泵排量不变,不同风速切换时多泵数字液传动风力机动态响应

在阶跃风速作用下,泵排量为200 L/r时对5 MW多泵数字液压传动风力机的风能利用系数、 液压系统流量、压力等工作特性的变化规律进行仿真研究,具体结果如图7所示。

图7 泵排量不变,风速阶跃变化时多泵数字液压风力机工作特性

阶跃风速变化示意图,如图7a所示。风速200 s时由6 m/s阶跃变化至7 m/s,在250 s时由7 m/s阶跃变化至6 m/s。图7b为风轮转速变化图,由于风轮具有较大的转动惯量,风速由6 m/s阶跃至7 m/s时,风轮转速存在一定的超调,风轮转速先急剧上升后下降稳定在给定风轮转速。叶尖速比变化如图7c所示,由于风速阶跃变化,实际风轮转速不能一直保证在给定风轮转速。风轮半径不变时,叶尖速比与风轮转速和风速有关,由于风速的阶跃,叶尖速比先减小后因为风轮转速的增加而增大至8.5,之后迅速稳定在最佳叶尖速比8.1。图7d为风能利用系数变化曲线,当叶尖速比为8.1时风能利用系数达到最大值为0.48。风速阶跃变化时,叶尖速比发生变化,风能利用系数先降低后稳定在0.48。图7e为多泵传动系统流量变化曲线,系统流量变化趋势与风轮转速变化趋势一致,这是由于定量泵与风轮同轴连接具有相同的转速,泵排量不变时,流量与转速成正比。图7f为系统压力系统变化曲线,系统压力变化为先降低后增大至17 MPa后保持稳定,同理可得风速由7 m/s阶跃变化至6 m/s时多泵数字液压风力机系统工作特性与上述变化趋势相反。

3.3 风速恒定,不同泵切换时多泵数字液压传动风力机动态响应

对风速恒为6 m/s时泵工作排量切换进行仿真,通过改变控制阀信号切换两个泵的运行状态。开关阀控制信号如图8a所示,开关阀输入信号为0时,此时开关阀关闭,泵处于工作状态。开关阀信号为1时开关阀开启,泵处于空转状态。对于给定的每一个风速,都有最佳的风轮转速相对应,由于风速不变,因此最佳风轮转速不变。风轮转速如图8b所示,200 s之前泵1和泵2均处于工作状态,风轮转速运行在最佳转速。200 s时,泵2控制阀得电,双泵切换至单泵运行,风轮转速先增加后又迅速恢复至最佳风轮转速。260 s时泵2控制阀失电,此时单泵切换至双泵运行,风轮转速先降低,后逐渐恢复到最佳风轮转速。叶尖速比变化曲线如图8c所示, 由于风速不变, 此时叶尖速比只与风轮转速相关,因此叶尖速比呈现出与风轮转速相同的变化趋势。图8d为多泵切换时风能利用系数曲线,多泵切换时风能利用系数先降低后恢复至0.48。图8e为系统流量变化曲线,双泵切换至单泵,液压泵工作排量降低导致系统流量降低。此时系统流量曲线变化如图。图8f为系统压力曲线,双泵切换至单泵运行时,系统压力增加。

图8 风速恒定,不同泵切换时多泵数字液压风力机工作特性

3.4 半实物仿真实验验证

对5 MW风轮仿真模型进行等效缩比,并搭建5.5 kW风能能量多泵数字液压传递半实物仿真实验平台,半实物仿真实验原理如图9所示。

图9 数字液压风力机半实物仿真实验原理

半实物仿真实验平台实物图,如图10所示。对泵排量不变风速阶跃变化和恒定风速时单双泵切换两种工况进行实验验证。泵排量不变,风速阶跃变化时数字液压风力机组工作特性实验变化曲线,如图11所示。

图10 半实物仿真实验平台实物图

图11 风速阶跃时多泵数字液压传动风力机实验曲线

风速不变,单双泵切换运行时,数字液压风力机系统工作特性实验曲线,如图12所示。

图12 多泵切换时多泵数字液压传动风力机实验曲线

由图11和图12可知,在泵工作排量不变阶跃风速作用以及风速不变泵工作排量切换两种工况下,5.5 kW 多泵数字液压传动风力机系统实验结果与5 MW 仿真模型结果具有相同的变化趋势,验证了所搭建仿真模型的准确性。

4 结论

通过建立基于AMESim的5 MW多泵数字液压传动风力机仿真模型,对多泵数字液压传动风力机系统泵工作排量不变时风速阶跃变化和风速不变时泵工作排量切换两种不同工况下的工作特性进行仿真分析,并搭建5 kW多泵数字液压传动半实物仿真实验平台,验证了所搭建模型的准确性。仿真和实验结果表明风速阶跃以及多泵切换时,多泵数字液压传动风力机叶尖速比发生变化导致风能利用系数短暂降低后又恢复至最大风能利用系数0.48,同时风速阶跃以及多泵切换瞬间系统流量会产生突变,导致系统压力变化较大,影响风力机稳定运行。因此针对此问题,后续工作应提出一种有效控制策略以减少流量波动从而降低压力峰值,提高多泵数字液压传动风力机的稳定性。