恒壓網(wǎng)絡(luò)電液變量達(dá)拉變槳距控制研究

恒壓網(wǎng)絡(luò)電液變量達(dá)拉變槳距控制研究

變槳距控制系統(tǒng)如果當(dāng)前流風(fēng)速高于信用證，電動(dòng)汽車系統(tǒng)將根據(jù)風(fēng)速變化控制轉(zhuǎn)轍距離，實(shí)時(shí)調(diào)整船葉間距，限制風(fēng)輪探測(cè)的機(jī)械動(dòng)能，穩(wěn)定輸出，減少負(fù)荷波動(dòng)和影響。并網(wǎng)過(guò)程中,變槳距控制還可實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)快速無(wú)沖擊地并網(wǎng)運(yùn)行,提高系統(tǒng)的發(fā)電效率和電能質(zhì)量。變槳距作為主流風(fēng)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)變速運(yùn)行與功率控制的必備的關(guān)鍵技術(shù)之一,正起到越來(lái)越重要的作用。國(guó)外大型尤其是兆瓦級(jí)以上的變速恒頻風(fēng)力機(jī)組也都毫無(wú)例外地采用了變槳距控制技術(shù)。然而,目前風(fēng)力機(jī)均采用電動(dòng)或液壓缸的變槳距控制方式。針對(duì)電動(dòng)變槳距的研究較多地涉及電機(jī)變槳距的模型與控制方案,并未指明該系統(tǒng)的缺點(diǎn)和改進(jìn)的方向。文獻(xiàn)[9-12]較多地關(guān)注變槳距控制器的設(shè)計(jì),但并未研究液壓變槳距控制的精度和簡(jiǎn)潔性等問(wèn)題。姜繼海等和馬琛俊設(shè)計(jì)并研究了風(fēng)力機(jī)的直驅(qū)式容積控制及其節(jié)能型電-液復(fù)合變槳距系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了該系統(tǒng)的半物理仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái),進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)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(guān)鍵元件仍采用液壓缸,且該系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)變槳距控制中并不重要的節(jié)能性,對(duì)控制的高效性和精度卻未涉及,系統(tǒng)效率和精度有待驗(yàn)證。電動(dòng)變槳距的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為緊湊,同步與準(zhǔn)確性較好,但易產(chǎn)生過(guò)量熱負(fù)荷,較難實(shí)現(xiàn)大慣量負(fù)載的變槳距控制。液壓變槳距容易實(shí)現(xiàn)大慣量負(fù)載的變槳距控制,但采用閥控缸與活塞連桿形式的傳動(dòng)機(jī)構(gòu),需將液壓缸的直線位移轉(zhuǎn)換為槳距角位移,因線位移與角位移間存在非線性轉(zhuǎn)換,從而導(dǎo)致系統(tǒng)控制精度較低,動(dòng)態(tài)性能欠佳。鑒于此,提出恒壓網(wǎng)絡(luò)電液變量馬達(dá)的變槳距控制方式,采用電動(dòng)機(jī)與變量液壓馬達(dá)聯(lián)合作動(dòng)與控制的方式,不僅具有電動(dòng)變槳距的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔等優(yōu)點(diǎn),而且具有液壓變槳距易于實(shí)現(xiàn)大慣量負(fù)載的變槳距控制的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí),該方式克服了電動(dòng)變槳距的易過(guò)熱和液壓變槳距結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制精度較低等缺點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)變量馬達(dá)變槳距控制系統(tǒng),闡述其變槳距控制的工作原理,構(gòu)建系統(tǒng)變槳距控制的數(shù)學(xué)模型,給出槳距角的雙閉環(huán)位置控制模型。同時(shí),提出參考槳距角的模糊給定策略,并搭建仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái),進(jìn)行變槳距控制的對(duì)比實(shí)驗(yàn)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(luò)、變排量液壓馬達(dá)、變槳齒輪系以及風(fēng)力機(jī)槳葉等構(gòu)成。其中,由電動(dòng)機(jī)、變量泵、蓄能器、安全閥等構(gòu)成了恒壓網(wǎng)絡(luò),該網(wǎng)絡(luò)輸給變排量液壓馬達(dá)的油壓相對(duì)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(dá)通過(guò)行星式變槳齒輪系與槳葉連接,該液壓馬達(dá)為RexrothA6VM系列電液比例連續(xù)變排量液壓馬達(dá),采用軸向柱塞斜盤式結(jié)構(gòu),通過(guò)電控比例方向閥和變量液壓缸對(duì)其排量進(jìn)行連續(xù)地控制,其排量正比于所施加的電流控制信號(hào),內(nèi)置的變量缸位移傳感器用于實(shí)時(shí)檢測(cè)馬達(dá)排量。比例放大器將控制器輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)成電流信號(hào)以驅(qū)動(dòng)比例方向閥和變量液壓缸動(dòng)作,變量液壓缸調(diào)節(jié)馬達(dá)斜盤傾角的位置以及缸體與主軸之間的夾角來(lái)控制馬達(dá)排量和輸出的變槳轉(zhuǎn)矩的大小方向,進(jìn)而獲得與變槳過(guò)程相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和功率,并適應(yīng)變槳負(fù)載的變化,從而使得槳葉繞自身軸線回轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)槳距角的調(diào)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(jié)構(gòu),內(nèi)環(huán)為比例閥變量缸構(gòu)成的變量馬達(dá)的反饋閉環(huán),外環(huán)為輸出槳距角反饋的控制閉環(huán)。設(shè)置2個(gè)PI位置控制器,采用S7-200PLC內(nèi)嵌的PID指令計(jì)算獲得控制量。其具體實(shí)現(xiàn)方式為:通過(guò)模擬量輸入模塊讀取馬達(dá)排量或槳距角反饋量并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后進(jìn)入CPU模塊。在CPU內(nèi),該數(shù)字量規(guī)范化為標(biāo)準(zhǔn)值并寫入PID回路表的過(guò)程變量中,該量與槳距角設(shè)定值相比較,獲得偏差量,對(duì)該偏差值執(zhí)行PID指令計(jì)算輸出值,該值作為控制量經(jīng)模擬量輸出模塊轉(zhuǎn)換成模擬量輸入到比例閥中,進(jìn)而控制變量缸的位置和液壓馬達(dá)的排量來(lái)實(shí)現(xiàn)槳距角的精確跟蹤與控制。系統(tǒng)主要工作流程為:機(jī)組啟動(dòng)后,當(dāng)輸入風(fēng)速達(dá)到切入風(fēng)速時(shí),風(fēng)輪開(kāi)始旋轉(zhuǎn),風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)并進(jìn)入發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)風(fēng)速低于額定值時(shí),機(jī)組處于欠功率狀態(tài),此時(shí)槳距角維持在0°附近。當(dāng)風(fēng)速超過(guò)額定值時(shí),變槳距控制過(guò)程啟動(dòng),機(jī)組進(jìn)入功率控制階段。此時(shí),電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)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(qū)動(dòng)變量馬達(dá)及其變量機(jī)構(gòu)的恒壓油源。同時(shí),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(dá)進(jìn)行變槳距控制。當(dāng)實(shí)際輸出功率超過(guò)額定值較多時(shí),比例閥處于右位,變量液壓缸左移,變量液壓馬達(dá)帶動(dòng)槳葉順槳,槳距角增大;當(dāng)實(shí)際功率減小到很接近額定值且二者之差的變化率較大時(shí),變量馬達(dá)帶動(dòng)槳葉逆槳,槳距角減小。當(dāng)風(fēng)速高于切出風(fēng)速或者系統(tǒng)故障時(shí),變量液壓馬達(dá)帶動(dòng)槳葉快速順槳至槳距角達(dá)到90°附近。此時(shí),風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)功率降低,當(dāng)功率降低至0時(shí),發(fā)電機(jī)脫網(wǎng),機(jī)組制動(dòng)并停機(jī)。該系統(tǒng)為新型高效節(jié)能型液壓系統(tǒng),可通過(guò)流量的反向流動(dòng)和蓄能器實(shí)現(xiàn)能量回收,回收的液壓能可貯存或供下次驅(qū)動(dòng)負(fù)載時(shí)使用,較為適合于具有頻繁往復(fù)動(dòng)作的變槳過(guò)程。由于蓄能器平衡了峰值功率,在變槳加速時(shí)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(nèi)平均功率設(shè)計(jì)安裝泵站,降低功率損耗,提高系統(tǒng)效率,并保護(hù)液壓元件免受液壓沖擊損害,延長(zhǎng)使用壽命,減少噪聲污染。變量馬達(dá)與恒壓網(wǎng)絡(luò)直接耦聯(lián),可無(wú)損耗的從中獲取液壓能,這樣恒壓網(wǎng)絡(luò)中可接入相互獨(dú)立的多個(gè)變量馬達(dá),各馬達(dá)分別獨(dú)立地調(diào)節(jié)各自的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率,執(zhí)行獨(dú)立的控制規(guī)律,有助于實(shí)現(xiàn)各槳葉獨(dú)立變槳控制。與傳統(tǒng)靜液壓傳動(dòng)相比較,該系統(tǒng)具有較高的控制性能,可以進(jìn)行能量的存儲(chǔ)和重新利用,無(wú)明顯的壓力峰值和波動(dòng)。同時(shí),由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)功率的減小,可以大大降低設(shè)備的制造成本,提高系統(tǒng)效率。與電傳動(dòng)相比較,系統(tǒng)動(dòng)態(tài)閉環(huán)響應(yīng)較快、功率密度較高,有助于實(shí)現(xiàn)大型風(fēng)力機(jī)的精確變槳距控制,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、能夠在較小的安裝空間內(nèi)部實(shí)現(xiàn)變槳距操控。2動(dòng)態(tài)性能理論由于恒壓網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)性能較好,其液壓時(shí)間常數(shù)對(duì)變槳?jiǎng)討B(tài)特性影響較小,所以可不考慮油源部分的動(dòng)態(tài)性能對(duì)輸出槳距角的影響,并可認(rèn)為恒壓網(wǎng)絡(luò)的輸出油壓基本保持不變,這樣不僅能簡(jiǎn)化研究的復(fù)雜性,同時(shí)能保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。本文主要探討變量液壓馬達(dá)及其輸出槳距角位置閉環(huán)的數(shù)學(xué)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(dòng)態(tài)模型電液比例閥動(dòng)態(tài)可用二階振蕩模型表達(dá),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(dāng)系統(tǒng)頻率低于50Hz時(shí),其動(dòng)態(tài)可用一階慣性環(huán)節(jié)描述,即式中TV———電液比例閥時(shí)間常數(shù),s2.1.2液壓馬達(dá)的壓力式中qV———變量液壓缸流量,m3/s變量液壓缸動(dòng)力微分方程式中m———變量液壓缸活塞質(zhì)量,kg液壓馬達(dá)排量方程式中V2———液壓馬達(dá)的排量,m3/radV2max———液壓馬達(dá)最大排量,m3/radαmax———變量斜盤最大擺動(dòng)角度,(°)液壓馬達(dá)的力矩平衡方程式中M2———液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)矩,N·mp0———恒壓網(wǎng)絡(luò)壓力,N/m2J2———液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,kg·m2RH———液壓馬達(dá)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(dá)動(dòng)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(gòu)成雙位置反饋控制閉環(huán),這樣,不僅能實(shí)現(xiàn)槳距角的高精度跟蹤控制,且可實(shí)現(xiàn)電液馬達(dá)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(guò)仿真調(diào)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(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證馬達(dá)變槳距控制的可行性與高效性,搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并進(jìn)行變槳距對(duì)比仿真實(shí)驗(yàn)。3.1運(yùn)行控制模塊如圖3所示,該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由Labview程序軟件、數(shù)字風(fēng)電機(jī)組、數(shù)據(jù)采集卡、PLC控制器、變槳距系統(tǒng)以及風(fēng)力機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)等構(gòu)成。數(shù)字風(fēng)電機(jī)組采用Bladed軟件開(kāi)發(fā),用于模擬產(chǎn)生隨機(jī)風(fēng)速并計(jì)算得到槳距角參考信號(hào)。Labview程序軟件主要由數(shù)據(jù)采集、顯示、交換以及運(yùn)行控制模塊等構(gòu)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(yùn)行過(guò)程數(shù)據(jù),送入數(shù)據(jù)顯示模塊并在界面顯示,同時(shí)數(shù)據(jù)交換模塊通過(guò)外部控制器ExternalController與數(shù)字風(fēng)電機(jī)組交換數(shù)據(jù),將過(guò)程數(shù)據(jù)如槳距角信號(hào)等送入機(jī)組計(jì)算,而將發(fā)電機(jī)功率等計(jì)算的結(jié)果數(shù)據(jù)發(fā)送到顯示模塊和界面進(jìn)行顯示,運(yùn)行控制模塊用于系統(tǒng)啟動(dòng)、停機(jī)、變槳距控制等運(yùn)行狀態(tài)的控制和切換。風(fēng)力機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用主軸力矩電機(jī)拖動(dòng)的風(fēng)輪來(lái)模擬實(shí)際風(fēng)力機(jī)運(yùn)行。經(jīng)由PLC產(chǎn)生的控制信號(hào)作用于變量馬達(dá)變槳距裝置和風(fēng)力機(jī)槳葉,產(chǎn)生實(shí)際的變槳距動(dòng)作,而系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)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(jìn)行內(nèi)部的數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)啟動(dòng)后,Bladed軟件產(chǎn)生隨機(jī)風(fēng)速信號(hào)并仿真機(jī)組運(yùn)行,當(dāng)風(fēng)速達(dá)到或超過(guò)額定值后,變槳距過(guò)程開(kāi)啟。此時(shí),由Bladed計(jì)算得到的槳距角參考信號(hào)作為給定值輸入到PLC中,PLC采用PI算法計(jì)算得到控制量,送入變槳距系統(tǒng)中,控制變量馬達(dá)排量,調(diào)節(jié)風(fēng)輪槳距角并最終穩(wěn)定發(fā)電機(jī)功率到額定值附近。槳距角參考信號(hào)由模糊算法計(jì)算獲得,其計(jì)算原理為:當(dāng)風(fēng)速高于額定值時(shí),為保證輸出功率穩(wěn)定,控制器根據(jù)實(shí)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(fù),按照風(fēng)能利用系數(shù)Cp與槳距角的反相關(guān)的關(guān)系,調(diào)節(jié)槳距角,改變輸出功率。這樣,對(duì)應(yīng)于某組e和de/dt,即有相應(yīng)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(shí)際輸出功率低于額定功率且兩者偏差有逐漸增大的趨勢(shì),這時(shí),須減小槳距角,以增大Cp,從而捕獲功率和輸出功率相應(yīng)地增大,e和de/dt相應(yīng)地減小,輸出功率得以穩(wěn)定于額定值附近。工控機(jī)內(nèi)的數(shù)字風(fēng)力機(jī)采用德國(guó)NORDEX的某成熟風(fēng)力機(jī)型,其額定功率為1.5MW。實(shí)驗(yàn)中做對(duì)比用的液壓缸變槳距機(jī)構(gòu)由液壓缸、轉(zhuǎn)桿、中間連桿、推盤等構(gòu)成。其中,推盤與液壓缸活塞桿固連,轉(zhuǎn)桿通過(guò)加強(qiáng)筋與槳葉根部相連接并可圍繞槳葉變槳軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。液壓缸活塞桿與推盤運(yùn)動(dòng)一致,活塞桿的水平運(yùn)動(dòng)推動(dòng)推盤移動(dòng),導(dǎo)致轉(zhuǎn)桿支點(diǎn)沿著槳葉軸線轉(zhuǎn)動(dòng),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(jī)風(fēng)速曲線,風(fēng)速最高值為25m/s,最低值為10m/s,額定風(fēng)速為18m/s,由工控機(jī)中“BladedForWindows”軟件隨機(jī)產(chǎn)生。圖5為槳距角信號(hào)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(shì)與風(fēng)速直接相關(guān),同時(shí),相比于液壓缸變槳距的槳距角信號(hào),變量馬達(dá)變槳距的槳距角信號(hào)的變化較為迅速,說(shuō)明其對(duì)于功率控制的實(shí)時(shí)性較好。圖6和圖7為兩種變槳距方式的傳動(dòng)鏈轉(zhuǎn)矩響應(yīng)的對(duì)比,據(jù)圖可知,采用液壓缸變槳距的傳動(dòng)鏈轉(zhuǎn)矩波動(dòng)范圍為0.7~1.1MN·m,而在變量馬達(dá)方式下為0.86~0.96MN·m,可見(jiàn),變量馬達(dá)變槳距有助于平滑傳動(dòng)鏈轉(zhuǎn)矩波動(dòng),降低載荷干擾。圖8和圖9為兩種變槳距方式的機(jī)組輸出功率的對(duì)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(dòng)幅度為26%,而變量馬達(dá)變槳距的功率大約穩(wěn)定于1.5MW的額定值附近,波動(dòng)幅度大約為6%,這樣,變量馬達(dá)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(dá)變槳控制(1)恒壓網(wǎng)絡(luò)變量馬達(dá)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(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn),較為適合于具有頻繁往復(fù)動(dòng)作的變槳過(guò)程。(2)變量馬達(dá)與恒壓網(wǎng)絡(luò)直接耦聯(lián),可無(wú)損耗的從中獲取液壓能,這樣網(wǎng)絡(luò)中可接入獨(dú)立的多個(gè)變量馬達(dá),各馬達(dá)執(zhí)行獨(dú)立的控制規(guī)律,有助于實(shí)現(xiàn)各槳葉獨(dú)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(dá)變槳距系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)變槳距控制,其變槳距控制的響應(yīng)速度和精度相對(duì)較高。(4)馬達(dá)變槳距系統(tǒng)能將傳動(dòng)鏈轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定于額定值的5%以內(nèi),將輸出功率穩(wěn)定于額定值的6%以內(nèi),能較好地抑制功率和傳動(dòng)鏈轉(zhuǎn)矩載荷的波動(dòng)。對(duì)馬達(dá)變槳系統(tǒng)的研究具有一定的理論意義和較好的工程應(yīng)用價(jià)值。ωV