海_潮流能發(fā)電裝置液壓型能量傳動(dòng)系統(tǒng)研究

1、第五屆全國(guó)流體傳動(dòng)與控制學(xué)術(shù)會(huì)議暨 2008年中國(guó)航空學(xué)會(huì)液壓與氣動(dòng)學(xué)術(shù)會(huì)議海 /潮流能發(fā)電裝置液壓型能量傳動(dòng)系統(tǒng)研究 *劉宏偉 李偉 林勇剛 馬舜(浙江大學(xué)流體傳動(dòng)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 浙江杭州 310027摘要:在新型可再生能源研究領(lǐng)域, 傳統(tǒng)的機(jī)械式能量傳動(dòng)系統(tǒng)存在齒輪易于損壞、 后續(xù)電力電子系統(tǒng) 復(fù)雜等特點(diǎn);針對(duì)這一問(wèn)題,對(duì)液壓式能量傳遞方式在這一領(lǐng)域的應(yīng)用及其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)研究; 仿真試驗(yàn)結(jié)果表明, 與傳統(tǒng)機(jī)械式結(jié)構(gòu)相比, 液壓式傳動(dòng)系統(tǒng)在最大能量捕獲、 功率穩(wěn)定性及可維護(hù)性 等方面具備優(yōu)勢(shì)。關(guān)鍵字:海流能,潮流能,液壓傳動(dòng)Abstract: In the research on

2、 renewable energy, traditional power transmission is faced with the problem that gear boxes are prone to damage and electric system is complicated. Aimed at this issue, fluid power transmission systems application and architecture are studied. The simulation shows that compared with traditional stru

3、cture, the hydraulic system are prior in the power stability, variable-velocity variable-frequency and maintenance. *基金項(xiàng)目 :國(guó)家自然科學(xué)基金資助(50505043 ,浙江省重大科技攻關(guān)項(xiàng)目(2006C11012,國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(50735004作者簡(jiǎn)介:劉宏偉 (1978,男,山西大同人,在讀博士生,從事風(fēng)能、海洋能資源發(fā)電研究(zju000利用海流能或潮流能等綠色可再生能源的發(fā) 電裝置,由于海 /潮流具有在時(shí)空上隨機(jī)性變化的 特點(diǎn),所以在它的整個(gè)生命周期內(nèi),不可

4、避免存 在功率波動(dòng)及機(jī)械結(jié)構(gòu)受力沖擊的現(xiàn)象;另一方面,與利用風(fēng)能來(lái)發(fā)電類(lèi)似,利用水平軸螺旋槳式海流能發(fā)電裝置對(duì)海 /潮流能進(jìn)行發(fā)電利用時(shí),也希望可以最大程度地捕獲海流能 1。當(dāng)前的海 /潮能發(fā)電裝置,功率控制方面多采用復(fù)雜的電力電子功率控制器件來(lái)保證輸出功率 的穩(wěn)定,把機(jī)組的運(yùn)行工況限制在電氣強(qiáng)度允許的范圍之內(nèi)等;同時(shí)通過(guò)冗余的機(jī)械設(shè)計(jì)強(qiáng)度保證裝置在波動(dòng)的水流流速的沖擊下不致破壞。本 文將以 20kW 海流能發(fā)電裝置為例,研究液壓式 能量傳動(dòng)方案在海 /潮流發(fā)電裝置功率穩(wěn)定性、能 量最大化方面的應(yīng)用。實(shí)際上目前國(guó)內(nèi)外仍鮮有 研究機(jī)構(gòu)對(duì)此進(jìn)行深入的研究,但隨著海 /潮流能 發(fā)電技術(shù)的進(jìn)步發(fā)展,它

5、必將得到廣泛的認(rèn)識(shí)和重視 2。1. 海流能發(fā)電裝置當(dāng)前的海/潮能發(fā)電裝置從結(jié)構(gòu)上可以分為 垂直軸透平式和水平軸透平結(jié)構(gòu)兩種。本文主要研究的是水平軸螺旋槳式海流發(fā)電裝置,如圖 1所 示,它由葉輪(包括輪轂、葉片 、主軸、機(jī)艙(內(nèi) 含傳動(dòng)系統(tǒng)及電氣裝置、 塔架等主要部分及密封, 防 腐等附件組成。該裝置的工作原理與風(fēng)力發(fā)電機(jī)相似, 工作時(shí)將其完全浸沒(méi)于水中, 在水流作用下, 葉 片帶動(dòng)輪轂旋轉(zhuǎn), 該旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)變速箱或液壓系統(tǒng) 增速后, 傳遞給發(fā)電機(jī), 從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)而發(fā)電。 1.1 傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)介由于受氣蝕、 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及可靠性等方面影響, 在 水中旋轉(zhuǎn)的葉輪不能轉(zhuǎn)得太快, 即使采用專(zhuān)用的風(fēng)力第

6、五屆全國(guó)流體傳動(dòng)與控制學(xué)術(shù)會(huì)議暨 2008年中國(guó)航空學(xué)會(huì)液壓與氣動(dòng)學(xué)術(shù)會(huì)議 發(fā)電低速發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō),其通常的額定轉(zhuǎn)速最低也 在 200-300轉(zhuǎn) /分,所以增速裝置是必不可少的。 當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的海 /潮流能發(fā)電裝置多采用傳統(tǒng)的 齒輪箱變速,盡管齒輪箱傳動(dòng)高效率要高(通常 可以達(dá)到 90%以上 , 但由于其傳動(dòng)比單一且剛性 較強(qiáng),所以變速相對(duì)比較困難同時(shí)對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的 沖擊也比較大。與齒輪傳動(dòng)相比,液壓傳動(dòng)比較 適合低速大扭矩的場(chǎng)合, 同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速, 蓄能器可以起到“削峰填谷”的作用,緩和瞬變 水流引起的能量波動(dòng)。同時(shí)從結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō),采用 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的海/潮能發(fā)電裝置只需要葉輪和 液壓泵等少數(shù)設(shè)

7、備置于水下,其他設(shè)備(包括發(fā) 電機(jī)組均布置在海面上或岸上,方便維修和保 養(yǎng),可降低維護(hù)成本。1.2 海流能發(fā)電裝置的能量最大捕獲及變 速恒頻理論水平軸旋轉(zhuǎn)槳式海流能發(fā)電裝置所能捕獲的 能量可通過(guò) Betz 理論及以下公式進(jìn)行估算 3, 即:321Sv C P p r =(1 其中:r P -葉輪捕獲的能量, 、 v -海水 的密度及水流流速, S -葉輪的掃截面積, p C -葉片能量捕獲系數(shù),它是表征葉片性能優(yōu)劣的參 數(shù)。 圖 2表示葉輪能量捕獲系數(shù) p C 、尖速比 (即葉尖線速度與水流流速的比值 、節(jié)距角 (葉片弦長(zhǎng)與葉輪回轉(zhuǎn)平面的夾角之間的關(guān)系 曲線。從圖中可以看出,當(dāng)保持節(jié)距角 不變

8、時(shí), 存在一個(gè)最佳尖速比 opt 對(duì)應(yīng)于最大的能量捕獲 系數(shù) max p C ,這就為能量最大捕獲提供了理論依 據(jù), 即如果在任意流速下,通過(guò)調(diào)節(jié)葉輪的轉(zhuǎn)速, 使之處于最佳尖速比的位置,則海流能發(fā)電裝置 就能捕獲最大能量 4。圖 3是功率隨流速的變化而調(diào)整的一個(gè)過(guò)程曲線,其中 v1v2v3v4。當(dāng)水流流速大于機(jī)組所設(shè)計(jì)的額定流速時(shí), 由圖 2所示, 可以通過(guò)調(diào)節(jié)葉片節(jié)距角來(lái)降低葉輪的能量捕 獲系數(shù),使其功率不超過(guò)機(jī)組的額定功率。2 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1液壓式能量傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)不同, 本文所研究的海流能發(fā) 電裝置液壓系統(tǒng)的原動(dòng)機(jī)為葉輪 (常規(guī)液壓系統(tǒng)是采 用電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)

9、,其輸入功率具有不穩(wěn)定的特 點(diǎn),同時(shí)負(fù)載隨著葉輪捕獲的功率的增減而切入切 出,所以系統(tǒng)壓力也是變化的。液壓傳動(dòng)系統(tǒng)如圖 4所示, 其工作原理為:葉輪 1通過(guò)主軸 2或增速機(jī)構(gòu) (取決于所選擇的液壓泵驅(qū)動(dòng)低速變量液壓泵 5為系統(tǒng)提供油源, 通過(guò)液壓回路, 油液驅(qū)動(dòng)變量馬達(dá) 13旋轉(zhuǎn),馬達(dá)再帶動(dòng)永磁同步發(fā)電機(jī) 14旋轉(zhuǎn)發(fā)電。00. 00尖速比能 量 捕 獲 系 數(shù) p C 圖 2 p C 關(guān)系圖Fig.2 Relations of p C圖 3功率調(diào)節(jié)曲線Fig.3 Adjust procedure of Power圖 4 液壓式能量傳動(dòng)系統(tǒng)Fig.4 Hydraulic power transm

10、ission system針對(duì)變量馬達(dá) 13外控式結(jié)構(gòu)要求, 外部先導(dǎo)油可 通過(guò)壓力控制閥 16為變量機(jī)構(gòu)提供油源 5,先導(dǎo) 控制油來(lái)源于輔助液壓系統(tǒng)。實(shí)際上為了適應(yīng)雙 向水流,本系統(tǒng)還有一套輔助液壓系統(tǒng),它不僅 可以提供變量泵及變量馬達(dá)所需的先導(dǎo)控制油, 而且可以實(shí)現(xiàn)變槳距功能,即通過(guò)改變?nèi)~片的節(jié) 距角,使得葉輪可以雙向旋轉(zhuǎn)。所以在液壓元件 的選型上要充分考慮海流能發(fā)電裝置的特點(diǎn),如 泵的工作轉(zhuǎn)速范圍比較大、要具備正反轉(zhuǎn)能力、 且吸油口和出油口固定不變等特點(diǎn);對(duì)于變量馬 達(dá)除了要求效率高,沒(méi)有其他特殊要求。在沖擊 水流的作用下,主蓄能器 11-1處于吸能及放能的 一種動(dòng)態(tài)變化的狀態(tài)中,即吸收

11、由瞬變水流引起 的液壓系統(tǒng)壓力脈動(dòng)并短期釋放壓力能為馬達(dá)提 供輔助動(dòng)力 6,從而起到穩(wěn)定功率的目的。2.2傳動(dòng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)分析及仿真模型根據(jù)葉輪捕獲功率 r P 及葉輪轉(zhuǎn)速 r , 可以計(jì) 算出葉輪產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩 r T :rp r SvC T 321=葉輪軸系的轉(zhuǎn)矩平衡方程為:dtd J B T T T rr r p f r = (2式中:p f r T T T 、 、 -葉輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩、摩擦力矩及泵的反力矩;J -葉輪、泵及主軸等的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量; r B -葉輪軸阻尼系數(shù)。由上可得葉輪 Simulink 下的仿真模型, 如圖 5 所示。液 壓 系 統(tǒng) 模 型 的 建 立 采 用 了 商 業(yè) 化 軟 件

12、 AMESim ,建立的系統(tǒng)模型如圖 6所示,這里不 贅述。通過(guò)本系統(tǒng),將重點(diǎn)研究如何采用變量泵 及變量馬達(dá)的容積調(diào)速方式來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)組的最大能 量捕獲及輸出穩(wěn)定。通過(guò) AMESim 與 MATLAB/Simulink的聯(lián)合 仿真,就是將 AMESim 下構(gòu)建的子系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)化 成 Simulink 下的一個(gè) S 函數(shù) 7,如圖 6所示。從理論上來(lái)說(shuō),由 p p pq T =可知,同時(shí)合理地調(diào)節(jié)負(fù)載及泵的排量, 可以調(diào)節(jié)泵的反力矩, 而由 公式(2又知道通過(guò)控制泵的反力矩就可以實(shí)現(xiàn)葉 輪的轉(zhuǎn)速控制, p q 為泵的排量, p 為系統(tǒng)工作壓力; 另一方面又可以通過(guò)變量馬達(dá)的排量控制實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā) 電機(jī)轉(zhuǎn)速的

13、控制, 從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)輸出頻率恒定; 其 控制框圖如下。圖 7 液壓控制系統(tǒng)原理 Fig7. Principle of hydraulic control實(shí)際上對(duì)最佳轉(zhuǎn)速的跟蹤有兩種方法, 即間接速 度控制和直接速度控制, 這里主要采用直接速度控制 的方法, 即根據(jù)葉輪尖速比曲線表給定葉輪的最佳轉(zhuǎn) 速, 再通過(guò)速度反饋調(diào)節(jié)液壓泵的機(jī)械反力矩而達(dá)到 控制轉(zhuǎn)速的目的。3. 仿真試驗(yàn)及結(jié)果分析作為系統(tǒng)輸入的水流流速信號(hào), 盡管有很好的可 預(yù)測(cè)性且能量變化緩慢, 但仍存在如風(fēng)、 海浪及海底 邊界等引起的不確定性因素, 這樣海流模型就是綜合 以上因素考慮的結(jié)果, 且水流流速是潮流速度 u t 與波 浪誘

14、導(dǎo)速度 v w 的矢量和,其模型可表示如下 8:=0.5 15. 0 1(104. 1 (max max 7/1h yu u h y u h y y u t t 當(dāng) 當(dāng) 受海底邊界條件影響,潮流流速在深度方向上的圖 5 葉輪仿真模型Fig.5 Simulation model of turbine圖 6 能量傳遞液壓傳動(dòng)系統(tǒng)Fig6 Hydraulic system for power transmission分布是不均勻的;式中 y 表示該點(diǎn)距海平面的距 離,h 表示水深, u max 表示最大潮流速度。由波浪引起的流速變化可用下式表示:cos(sinh(cosh , (t kh h y k

15、 t y u a w +=式中:t為時(shí)間, a 為波高,為波的循環(huán) 頻率 (rad/s, k 為波數(shù) (=2/波長(zhǎng) 。這里忽略了水流流速在垂度方向上的變化。 圖 8和圖 9分別為采用液壓傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)組的葉輪 轉(zhuǎn)速曲線及發(fā)電機(jī)輸出頻率曲線。由兩圖可以看 出對(duì)應(yīng)于水流流速的變化,通過(guò)容積調(diào)速控制可以很好地實(shí)現(xiàn)葉輪轉(zhuǎn)速對(duì)水流流速的跟蹤, 從而實(shí)現(xiàn) 最佳尖速比運(yùn)行; 并且馬達(dá)的容積調(diào)速控制實(shí)現(xiàn)了發(fā) 電機(jī)頻率輸出的穩(wěn)定。圖 10是系統(tǒng)的一組功率曲線,包括葉輪功率、 發(fā)電機(jī)功率、 主負(fù)載功率、 卸荷負(fù)載功率及蓄能器的 輸入輸出功率變化。 在開(kāi)始時(shí)刻, 海流流速較小, 葉 輪捕獲功率也較小, 液壓系統(tǒng)壓力低于

16、蓄能器最低工 作壓力,蓄能器不工作,所以此時(shí)功率波動(dòng)都較大; 隨著海流流速增大, 葉輪捕獲的能量增大, 系統(tǒng)壓力 上升, 直到蓄能器開(kāi)始起作用, 通過(guò)吸收和釋放油液 使發(fā)電機(jī)的輸出功率基本穩(wěn)定。4. 結(jié)論海流能發(fā)電裝置是風(fēng)電機(jī)組在可再生能源開(kāi)發(fā) 領(lǐng)域的延伸, 針對(duì)海流能的開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中的不穩(wěn)定 因素, 本文研究了液壓傳動(dòng)型的海流能發(fā)電裝置的能 量穩(wěn)定及功率最大捕獲的問(wèn)題。通過(guò)對(duì) 20kW 海流能 發(fā)電樣機(jī)的模型分析及仿真可得以下結(jié)論:1、采用 液壓系統(tǒng)的容積調(diào)速控制可以實(shí)現(xiàn)葉輪最大能量捕 獲及輸出穩(wěn)定的目的;2、液壓系統(tǒng)在功率輸出穩(wěn)定 性方面具有比較大的優(yōu)勢(shì)。參考文獻(xiàn)1. L.Myers, A

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