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1、2 0 1 2年 1 2月 第4 0卷 第 2 3期 机床与液压 MACHI NE T O0L&HYDRAUL I C S Dc a 2 0l 2 Vo 1 4 0 No 2 3 D OI：1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 13 8 8 1 2 0 1 2 2 3 0 1 5 风力发电机液压变桨距系统研究 任育杰，宋锦春，任广安，张悦(东北大学机械工程与自 动化学院，辽宁沈阳 1 1 0 8 1 9)摘要：介绍风力发电机组变桨距控制原理；并以2 5 M W 风力发电机组为研究对象，根据变桨速度和力矩的要求设计 液压控制系统，分别对开桨和关桨时的液压系统进行建模，对变桨距系
2、统进行仿真，并分析了系统的稳定性，为更深层次 的仿真研究和系统优化提供理论依据。关键词：风力发电机组；液压变桨距系统；建模；仿真 中图分类号：T K 8 3 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 1 3 8 8 1(2 0 1 2)2 3 0 5 83 S t ud y o n Hy dr a ul i c Pi t c h c o nt r o l Sy s t e m f o r W i n d Dr i v e n Ge ne r a t o r R E N Y u j i e，S O N G J i n c h u n，R E N G u a n g a n，Z H A N G Y u
3、 e (S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g a n d A u t o m a t i o n，N o r t h e a s t e r n U n i v e r s i t y，S h e n y a n g L i a o n i n g 1 1 0 8 1 9，C h i n a)Ab s t r a c t：C o n s t a n t p o we r c o n t r o l p rin c i p l e o f w i n d g e n e r a t i n g s e t wa s i
4、 n t r o d u c e d w h e n w i n d v e l o c i t y wa s h i g h e r t h a n r a t e d w i n d s p e e d Hy d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m o f 2 5 MW w i n d g e n e r a t i n g s e t wa s d e s i g n e d a c c o r d i n g t o t h e d e ma n d o f v a r i a b l e p r o p e l l e r v e l o c
5、i t y a n d t o r q u e A i m i n g a t c l o s i n g p i t c h and o p e n i n g p i t c h r e s p e c t i v e l y，i t w a s m o d e l e d，s i m u l a t e d，a d j u s t e d，a n d t h e s t a b i l i t y o f t h e s y s t e m wa s a n a l y z e d t o p r o v i d e t h e o r e t i c a l b a s i s f o
6、 r s i mu l a t i o n a n d o t h e r f u r t h e r r e s e a r c h Ke y wo r d s：W i n d g e n e r a t i n g s e t；Hy d r a u l i C v a ri a b l e p r o p e l l e r s y s t e m；Mo d e l i n g；S i mu l a t i o n 1 变桨距控制理论研究 风能利用系数可用下式近似表示：C =(0 4 4-0 0 16 7 3)s in 卜 0 0 0 1 8 7(A一 3)(1)其中：为节距角，C 为风能
7、利用系数，A为尖速度 比。由式(1)可针对不同的节距角 作出的相应的 风能利用系数 C 的变化曲线称为变桨距风力发电机 特性曲线，如图 1 所示。图 1 变桨距风力机功率系数特性曲线 由图 1中所示的曲线，可有以下结论：(1)在叶节距角 不变的情况下，存在唯一的 风能利用系数最大值 c 。(2)在尖速度比 A保持不变的情况下，叶节距 角=O O 时风能利用系数 c。最大，并且风能利用系 数 c。随着叶节距角卢的增大而减小。上述结论是变桨距控制的理论基础：当风速低于 额定风速时，通过变速恒频装置，随风速变化改变发 电机转子转速使风能利用系数恒定在 c ，使风能 得到最大利用；当风速高于额定风速时
8、，变桨距系统 开始工作，通过调整节距角卢改变风能利用系数 C。，使发电机转速恒定，功率恒定。2 变桨距机构 变桨距一般分为统一控制和独立控制两种方式。统一控制即机组所有桨叶都由一个执行机构驱动，桨 叶节距角变化相同；独立控制时，每个桨叶都 由独立 的变桨距执行机构控制，如果其中一个执行机构出现 故障，其余两个桨叶仍能调节桨叶节距角实现功率控 制，继续带伤工作。而统一变桨距执行结构出现故 障，只能停机维修，并且 自然界的风在整个风轮扫及 面上的分布是不均匀的，独立桨叶控制可以根据各个 桨叶上的风速不同进行调节，不仅能优化发电机输出 功率，而且能减小桨叶拍打振动，从而减小整机的动 态载荷。文中采用
9、 了独立的液压变桨距机构，具有 3套 独立的液压系统和执行机构，在控制方式上仍然沿 用了统一控制，这样可以保证 当一个执行机构和液 压系统出故障不会影响到整个风力机的控制。由于 桨叶通过机械连杆机构与液压缸活塞杆相连接，而 节距角又同液压的位移成正比，所以可以通过控制 收稿 日期：2 0 1 1 1 01 7 作者简介：任育杰，男，博士研究生，研究方向为机、电、液一体化。Em a i l：3 6 9 2 2 0 4 2 4 1 6 3 c o rn。第2 3期 任育杰 等：风力发电机液压变桨距系统研究 5 9 液压缸活塞杆位移来控制节距角。变桨驱动机构示 意 图见图 2。一兰 暇 f 口)雅杆
10、 套 图 2 变桨驱动 机构示 意图 3 系统参数 系统要求活塞杆速度=0 0 6 5 m s，负载转矩 T e=2 4 0 0 0 N m。选择系统参数如下：系统供油压力 P =1 5 MP a，液压缸行程 S=5 0 0 m m，活塞直径 D=2 0 0 m m，活塞杆直径 d=1 8 0 m m，活塞腔工作面积 A =3 1 41 0 i n ，活塞 杆 腔面 积 A =6 0 a m ，初 始 体积 V o=A s 2；M O O G D-6 3 4 p系列 的 D 6 3 4比例 阀，叶片绕纵轴转动惯量 J=4 8 7 k g I n ，四杆机构的 简化等效力臂长度 L=0 1 6
11、i n，面积 比 n=A A =0 1 9，线性化系数 后 =5 0 0(3 1 4 2)=0 3 2，动力 黏度=1 3 71 0 P a s，内泄漏 系数 C ID=4 5 X 1 0。m (S P a)，外 泄 漏 系 数c =1 X 1 0 i n (S P a)，阀芯与阀套间的径 向间隙=51 0 m，滑阀面积梯度 t o=r d=3 1 41 0 i n，滑阀直径 d=1 0 m m，液压油体积弹性模量=7 0 0 M P a，关桨 时流量压力系数K =tr w r (3 2 g)=5 6 1 0 。，开桨 时流量压力系数 一K ，C =(1+n)(1+n )C i+(1 (1+n
12、 )C =6 2 8 5 X 1 0 I n (S P a)，比 例阀固有频率=3 7 6 8 r a d s，比例阀阻尼比。=0 7，比例阀增益 K p =0 1。q 为负载流量，q，为流 进无杆腔流量，q 为流进有杆腔流量，P 为关桨时 无杆腔压力，P 为开桨时无杆腔压力，P：为有杆腔 压力，为伺服阀阀芯位移，Y为活塞杆位移。4液压变桨距系统的建模 由于关桨过程利用比例阀控制非对称液压缸差动 回路，而开桨过程利用比例阀控制非对称液压普通回 路，所以它们的液压固有频率、液压阻尼比、零位增 益等参数均不相同，需要分别建模。(1)关桨 叶节距角 与活塞位移 Y 关系方程 Y(S)=s JB(s)
13、线性化流量方程 Q (s)=K q X (s)一 K c P。(s)=Q 一 K c P。(s)流量连续性方程 Q L(s)=A s Y(s)+C i。P。(s)+V o s P (s)go平衡方程 A P (s)=I s 1 3(s)+(s)(5)由式(2)一(5)得 去Q m 一 1(+)一 9 9 5 Q l 】一1 9 8 X 1 0 一 (6 0 5+0 1 1 2 s)(1 2s 2+)I l q +J 其中：关桨液压固有频率=J Vo =9 6 1 4 s；关 桨 液 压 =警 _ 0 2 8。(2)开桨 设负载压力 P L=P 一n p ，负载流量 q =(q +n q 2)(
14、1+17,)线性化 流量方程 Q (s)=(s)一 P (s)=Q 一 P (s)(6)流量连续性方程 Q (s)=A。s Y(s)+(I+n )卢 e s P (s)+C P (S)(7)力平衡方程 A P (s)=J s 卢(s)+(s)(8)由式(2)、(6)一(8)得 卢=一：二 ：!：s(+1)I+J 其中：开桨液压固有频率=(1+n 2)A Zo L k fl e=9 7 8 6 r a d s；开 桨 液 压 阻 尼 比 =0 2 9。(3)比例 阀传涕 函数 可Q r o(S)g p v 0 1(3)(4)系统 模型(4)系统传递函数模型见图3。6 O 机床与液压 第 4 0卷
15、、O 1 9 9 5 _r f S 2 0 7+1|n 3 7 6 8 23 7 68 I o -。l 2+2 州 卜 _ pT n rn n t r a I l p r Ad d Tr a n s f e r Fc n Co n s t a n t l r a n s f e r Fc nl I”广 9 9 5 C o n s ta n t2 _ J s 2 2 0 2 9。一 一I L =_ J 9 7 86 2。978 6 a：L 1 _ r l t p 口r nt nr1 一 T r a ns f e r Fc n 2 图 3 5 液压变桨距系统的仿真与稳定性分析(1)系统仿真 P I
16、 D设置 K v=2 5，K。=0 1，系统阶跃响应 4，调整时间约为 0 3 S。系统 正弦响应见 图 5。图 4 系统 阶跃响应 S ys t e m：M o de l ：Ga i n Ma r g i n：5 9 1 d B A t f r e q u e n c v：8 8 5 r a d s ：1 UI O S e O Lo o p t aD l e Ye s I ：N +卜一 -+1 H 卅 +H ：图 5 系统正弦响应(2)稳定性分析 系统关桨、开桨开环频率特性分别如图 6、7所 刁 o 20 0 1 0 0 画0 坚 1 0 O s y s t e m：Mod e l=岿 ：G
17、 a i n M a r g i n：5 5 3 d B A t f r e q u e n c y：8 7 3 r a d s Cl o s e d Lo op St a bl e?Ye s 、+一 +：-：-_ -*划；图6 关桨开环频率特性 羰 (r a d s-1)图7 开桨开环频率特性 关桨时相对稳定性分析：幅值稳定域度为 5 5 3 d B，相位稳定域度为 7 4 7。，系统稳定；开桨时相对 稳定性分析：幅值稳定域度为 5 9 l d B，相位稳定域 度为7 4 7。，系统稳定。6结论 针对液压变桨距系统开桨和关桨不同油路分别建 立对应的数学模型，并进行仿真和矫正，最后分析了 系统
18、的相对稳定性，为更深层次的仿真研究和系统优 化提供了理论依据。参考文献：【1】曾宪超 风电机组变桨距伺服控制系统研究 D 保定：华北 电力 大学，2 0 1 0：3 1 3 9 【2】F I T C H E C，H O N G I T H y d r a u l i c S y s t e m D e s i g n f o r S e r v-i c e A s s u r a n c e M B a r D y n e，I n c，2 0 0 4 【3】D R A N S F I E L D P e t e r H y d r a u l i c C o n t r o l S y s t e m M S p rin g e r Ve da g，1 9 8 1 【4】F I T C H E C，H O N G I T H y d r a u l i c S y s t e m M o d e l i n g a n d S i mu l a t i o n M B a r D y n e，I n c，2 0 0 1 【5】王春行 液压控制系统 M 北京：机械工业出版社，1 9 99【6】吴振顺 液压控制系统 M 北京：高等教育出版社，2 0 0 8：4 09 7【7】杨征瑞 电液比例与伺服控制 M 北京：冶金工业出版 社，2 0 0 9：4 2 7 0