多泵蓄能式液壓傳動(dòng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真

高波，侯昊

(山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，山東青島 266590)

0 前言

作為一種清潔的可再生能源，風(fēng)能在我國(guó)具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。隨著風(fēng)力機(jī)日漸向大型化發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量不斷增大，兆瓦級(jí)液壓型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)較傳統(tǒng)小容量風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)更能適應(yīng)當(dāng)前復(fù)雜工況，日益展現(xiàn)出其優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的單泵式液壓傳動(dòng)系統(tǒng)雖然可以滿足使用要求，但也存在諸多問(wèn)題。由于風(fēng)能的不穩(wěn)定性，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組會(huì)長(zhǎng)時(shí)間工作于額定工況以下，此時(shí)大型液壓風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)只能選擇大排量液壓泵，工作于低轉(zhuǎn)速大扭矩的狀態(tài)，進(jìn)而使液壓泵處于部分排量狀態(tài)，效率低且管路損失嚴(yán)重。而多泵式液壓傳動(dòng)系統(tǒng)可以在不同風(fēng)速工況時(shí)改變投入運(yùn)行的泵的個(gè)數(shù)，從而使傳動(dòng)系統(tǒng)工作在額定排量，提高工作效率，大幅度減少管路損失。因此，多泵系統(tǒng)的研究對(duì)于大容量液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)液壓型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)字化進(jìn)行了一系列研究。文獻(xiàn)[4]針對(duì)單變量馬達(dá)系統(tǒng)傳動(dòng)效率低的問(wèn)題，提出一種數(shù)字編碼方案，將單一大排量變量馬達(dá)用幾個(gè)定量馬達(dá)和一個(gè)小排量變量馬達(dá)代替，通過(guò)對(duì)變量馬達(dá)的排量進(jìn)行數(shù)字編碼的方式控制組合馬達(dá)的工作，實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)最大效率能量傳輸。文獻(xiàn)[5]提出多臺(tái)液壓泵的傳動(dòng)模型，通過(guò)比例閥控制多泵系統(tǒng)的工作狀態(tài)以應(yīng)對(duì)不同工況，仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，多泵系統(tǒng)的應(yīng)用比傳統(tǒng)單泵傳動(dòng)系統(tǒng)效率更高。文獻(xiàn)[6]提出一種數(shù)字泵機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過(guò)圓柱凸輪來(lái)統(tǒng)一驅(qū)動(dòng)多組柱塞缸模塊，采用高速電磁開(kāi)關(guān)閥和單向閥實(shí)現(xiàn)柱塞缸模塊的配流，初步驗(yàn)證了基于數(shù)字泵的液壓傳動(dòng)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)總體方案的正確性。

基于以上研究，本文作者提出一種基于風(fēng)速-壓力反饋的多泵蓄能式液壓傳動(dòng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。以多泵組合系統(tǒng)代替單一大排量泵，并以壓力信號(hào)作為觸發(fā)信號(hào)，設(shè)計(jì)一套數(shù)字泵切換的編碼方法，實(shí)現(xiàn)低風(fēng)速時(shí)單泵運(yùn)行，高風(fēng)速時(shí)多泵配合運(yùn)行，較傳統(tǒng)單泵系統(tǒng)工作效率更高。通過(guò)蓄能系統(tǒng)在低工況時(shí)共同為機(jī)組提供能量，額定工況時(shí)抑制系統(tǒng)波動(dòng)，額定工況以上時(shí)吸收多余能量維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

1 液壓傳動(dòng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)簡(jiǎn)介

液壓傳動(dòng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要由風(fēng)力機(jī)、多泵系統(tǒng)、變量液壓馬達(dá)、同步發(fā)電機(jī)以及補(bǔ)油系統(tǒng)、蓄能系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。其中，液壓部分工作原理如圖 1 所示，風(fēng)力機(jī)葉片從風(fēng)中捕獲動(dòng)能，轉(zhuǎn)化為葉片軸機(jī)械能；葉片軸驅(qū)動(dòng)多泵系統(tǒng)同軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使泵組輸出高壓油經(jīng)管路流通，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓能；高壓油液流入變量馬達(dá)，驅(qū)動(dòng)變量馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，將液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；液壓馬達(dá)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn),最終將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能并傳輸?shù)诫娋W(wǎng)。

圖1 液壓傳動(dòng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)工作原理簡(jiǎn)圖

2 多泵蓄能式液壓傳動(dòng)系統(tǒng)控制方法

2.1 系統(tǒng)總控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

多泵蓄能式液壓傳動(dòng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在傳統(tǒng)的單泵單變量馬達(dá)傳動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將單泵改為由開(kāi)關(guān)閥控制的多泵系統(tǒng);根據(jù)風(fēng)速大小實(shí)時(shí)調(diào)整其投切狀態(tài)，并且加入有壓力觸發(fā)裝置的蓄能系統(tǒng);根據(jù)壓力傳感器檢測(cè)到的信號(hào)實(shí)現(xiàn)蓄能系統(tǒng)的輔助調(diào)節(jié)作用，共同保證液壓系統(tǒng)的能量供應(yīng)與平穩(wěn)運(yùn)行。其結(jié)構(gòu)框圖如圖 2所示。

圖2 多泵蓄能式液壓傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 多泵系統(tǒng)工作原理

多泵系統(tǒng)由多個(gè)定量液壓泵、二位二通控制閥組以及壓力換算模塊組成。當(dāng)風(fēng)速較低時(shí)，不需要多泵系統(tǒng)全部工作，此時(shí)應(yīng)使不參與工作的定量泵空轉(zhuǎn)運(yùn)行，對(duì)應(yīng)的二位二通控制閥輸出信號(hào)為“1”，油液不經(jīng)該定量泵流通，處于“卸荷”狀態(tài)；當(dāng)風(fēng)速較高時(shí)，相應(yīng)的二位二通控制閥輸出信號(hào)為“0”，使油液流經(jīng)定量泵，快速投入運(yùn)行。因此，通過(guò)檢測(cè)風(fēng)輪表面風(fēng)速大小，將其折算為管路壓力，并以壓力信號(hào)控制多泵系統(tǒng)工作，可以快速準(zhǔn)確地響應(yīng)復(fù)雜風(fēng)電場(chǎng)工況。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可得不同風(fēng)速下多泵系統(tǒng)壓力狀態(tài)如表1所示。

表1 多泵運(yùn)行壓力狀況

當(dāng)風(fēng)速發(fā)生變化后，通過(guò)檢測(cè)裝置得到液壓泵組進(jìn)出油的工作壓差，信號(hào)傳輸?shù)蕉啾孟到y(tǒng)的控制部分。根據(jù)預(yù)設(shè)數(shù)字編碼動(dòng)作相應(yīng)的控制閥，從而調(diào)整需要投切的液壓泵數(shù)量，使機(jī)組工作于額定系統(tǒng)壓力附近。多泵組合運(yùn)行數(shù)字編碼如表2所示。

表2 多泵運(yùn)行數(shù)字編碼

根據(jù)表2得到具體的多泵系統(tǒng)切換規(guī)律如圖3所示。取切入風(fēng)速為3 m/s，額定風(fēng)速為11 m/s，切出風(fēng)速為25 m/s；當(dāng)系統(tǒng)處于局部負(fù)荷區(qū)時(shí)，以7 m/s的風(fēng)速為界限，當(dāng)風(fēng)速在3～7 m/s時(shí)，采用單泵運(yùn)行,其余泵回路的開(kāi)關(guān)閥為打開(kāi)狀態(tài)，使油液直接流回油箱而使該泵空載運(yùn)行；隨著風(fēng)速的上升，給予相應(yīng)的控制閥以關(guān)閉信號(hào)，使油液進(jìn)入液壓泵，從而使它按需投入運(yùn)行；當(dāng)系統(tǒng)處于額定負(fù)荷區(qū)至超負(fù)荷區(qū)之間，所有液壓泵均處于打開(kāi)狀態(tài)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)閥工作狀態(tài)為[0 0 0 0]，最大程度吸收風(fēng)能；當(dāng)處于超負(fù)荷區(qū)時(shí)，對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)閥開(kāi)關(guān)信號(hào)為[1 1 1 1]，系統(tǒng)停止運(yùn)作，以保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。

圖3 多泵系統(tǒng)切換方法示意

2.3 蓄能系統(tǒng)工作原理

蓄能系統(tǒng)由壓力傳感器、氣囊式蓄能器、觸發(fā)器、控制閥組成。在蓄能器與馬達(dá)之間的液壓管路間裝設(shè)開(kāi)關(guān)閥，通過(guò)閥的開(kāi)關(guān)狀態(tài)決定風(fēng)力機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)還是蓄能狀態(tài)：當(dāng)閥開(kāi)啟時(shí)，液壓泵和馬達(dá)之間的管路導(dǎo)通，風(fēng)力機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)；當(dāng)閥關(guān)閉時(shí)，多泵系統(tǒng)只為蓄能器充能，風(fēng)力機(jī)處于蓄能狀態(tài)。將多泵系統(tǒng)與蓄能系統(tǒng)配合工作，低于切入風(fēng)速之前優(yōu)先對(duì)蓄能器充能，待達(dá)到切入風(fēng)速以上時(shí)打開(kāi)液壓管路，蓄能系統(tǒng)與多泵系統(tǒng)配合工作；在額定風(fēng)速附近由蓄能系統(tǒng)吸收溢出能量或補(bǔ)足虧欠能量以抑制系統(tǒng)波動(dòng)；當(dāng)風(fēng)速過(guò)大時(shí)，多泵系統(tǒng)切出，風(fēng)力機(jī)停止運(yùn)行，若此時(shí)仍有電力需求，蓄能系統(tǒng)將承擔(dān)短時(shí)間內(nèi)的功率供應(yīng)。

3 多泵蓄能式液壓傳動(dòng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)建模

3.1 基于MATLAB/Simulink的風(fēng)速建模

由于風(fēng)速具有隨機(jī)性、多變性，當(dāng)前對(duì)于風(fēng)力發(fā)電中風(fēng)速模擬的研究常用的風(fēng)速建模方式主要有3種：Weibull分布模型、風(fēng)輪等效風(fēng)速模型以及四分量組合風(fēng)速模型。本文作者著重研究風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，因此使用組合風(fēng)速模型，將真實(shí)風(fēng)速簡(jiǎn)單風(fēng)速模型疊加來(lái)模擬：

將4種風(fēng)速模型進(jìn)行線性組合，最終得到組合風(fēng)速波形如圖 4 所示。

圖4 組合風(fēng)速波形

3.2 基于AMESim/Simulink的傳動(dòng)部分建模

本文作者利用AMESim/Simulink聯(lián)合仿真，將Simulink中所建立的風(fēng)速模型通過(guò)S-Function模塊與AMESim軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，完成整個(gè)液壓型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的仿真建模。液壓傳動(dòng)部分模型如圖5所示，其中封裝模塊為多泵系統(tǒng)，由4個(gè)參數(shù)相同的定量泵組組合而成，每個(gè)泵組包括2個(gè)定量泵，由開(kāi)關(guān)閥根據(jù)壓力信號(hào)控制投切狀態(tài)；接口模塊輸入端口依次為斜盤擺角、泵轉(zhuǎn)速和馬達(dá)轉(zhuǎn)速，輸出端口依次為閥芯位移、馬達(dá)轉(zhuǎn)矩和模擬風(fēng)速；電液伺服閥通過(guò)控制閥芯位移來(lái)控制馬達(dá)排量變化，進(jìn)而控制馬達(dá)轉(zhuǎn)速以實(shí)現(xiàn)與發(fā)電機(jī)同步。

圖5 液壓傳動(dòng)部分仿真模型

3.3 仿真參數(shù)設(shè)置

針對(duì)大型液壓風(fēng)力發(fā)電機(jī)組展開(kāi)研究，采用國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)公布的5 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組參數(shù)規(guī)格所規(guī)定的風(fēng)輪特性，使用較大排量液壓泵對(duì)多泵系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。由于AMESim軟件中單個(gè)液壓泵排量上限為100 L/r，在模型中每一個(gè)200 L/r的大排量泵都使用2個(gè)100 L/r的液壓泵并聯(lián)組成。定量泵參數(shù)按照HAGGLUNDS公司CBM 4000-3200泵性能參數(shù)表進(jìn)行設(shè)置。系統(tǒng)主要仿真參數(shù)如表3所示。

表3 系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置

4 仿真結(jié)果及分析

設(shè)置仿真時(shí)長(zhǎng)為10 s，經(jīng)仿真實(shí)驗(yàn)得到風(fēng)力機(jī)特性曲線、多泵系統(tǒng)流量變化曲線、傳動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)曲線、單泵與多泵系統(tǒng)容積效率對(duì)比曲線、高壓管路壓力變化曲線，分別如圖6、圖7、圖8、圖9、圖10所示。分析此系統(tǒng)的工作性能是否適應(yīng)復(fù)雜風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際工況及該系統(tǒng)較傳統(tǒng)單泵系統(tǒng)是否具有優(yōu)越性。

圖6 風(fēng)力機(jī)特性曲線

圖7 多泵系統(tǒng)流量變化曲線

圖8 傳動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)曲線 圖9 單泵與多泵系統(tǒng)容積效率對(duì)比

由圖6可知：液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速約為9 r/min，而風(fēng)能利用系數(shù)則在0.45附近波動(dòng)；在3～4 s內(nèi)，風(fēng)速由9.2 m/s直降到6.2 m/s左右，導(dǎo)致多泵系統(tǒng)由三泵運(yùn)行瞬間切換到單泵運(yùn)行狀態(tài)，因此風(fēng)輪轉(zhuǎn)速下降幅度較大且風(fēng)能利用系數(shù)也有一定程度的波動(dòng)；而在4～6 s內(nèi)，風(fēng)速由6.2 m/s直升到10 m/s，多泵系統(tǒng)由單泵運(yùn)行狀態(tài)瞬間切換到三泵運(yùn)行狀態(tài)，因此風(fēng)輪轉(zhuǎn)速上升幅度較為明顯；在7～8 s內(nèi)，由于風(fēng)速由9.5 m/s直降到5.6 m/s，導(dǎo)致多泵系統(tǒng)由三泵運(yùn)行狀態(tài)又瞬間切換到單泵運(yùn)行狀態(tài)，風(fēng)能利用系數(shù)產(chǎn)生了較大幅度波動(dòng)，但整體運(yùn)行狀態(tài)較為穩(wěn)定。該仿真曲線表明風(fēng)力機(jī)可以根據(jù)風(fēng)速變化調(diào)整風(fēng)輪運(yùn)行狀態(tài)，響應(yīng)較為準(zhǔn)確，風(fēng)能利用率較高，符合實(shí)際需求。

根據(jù)圖4所示的風(fēng)速變化情況，由圖7可知：在仿真剛開(kāi)始時(shí)，風(fēng)速小于7 m/s，此時(shí)多泵系統(tǒng)只有泵1投入運(yùn)行，其余三泵開(kāi)關(guān)閥處于導(dǎo)通狀態(tài)，多余液壓油經(jīng)開(kāi)關(guān)閥流回油箱使其空轉(zhuǎn)運(yùn)行，泵1流量維持在1 500 L/min左右；在=0.4 s左右，風(fēng)速大于7 m/s，此時(shí)泵2開(kāi)關(guān)閥關(guān)閉，液壓油流入泵2使其投入運(yùn)行，此時(shí)泵1、2流量約為1 850 L/min，此后每當(dāng)風(fēng)速低于7 m/s，泵2則切出運(yùn)行，高于7 m/s時(shí)投入運(yùn)行，由于4個(gè)泵的規(guī)格參數(shù)相同，在切入運(yùn)行時(shí)它們的流量變化情況也保持一致；在=2.8 s左右，風(fēng)速大于9 m/s，泵3投入運(yùn)行，此時(shí)泵1、2、3流量穩(wěn)定在1 750 L/min，此后每當(dāng)風(fēng)速低于9 m/s時(shí)泵3切出，高于9 m/s時(shí)投入；由于仿真實(shí)驗(yàn)中最高風(fēng)速低于11 m/s，泵4在整個(gè)仿真過(guò)程中并未投入運(yùn)行，其流量變化為0。

由圖8可知，傳動(dòng)系統(tǒng)能夠跟隨風(fēng)速變化及時(shí)調(diào)整運(yùn)行狀態(tài)，在第3～4 s和7～8 s 2個(gè)時(shí)間段，由于風(fēng)速?gòu)? m/s以上直降到7 m/s以下，多泵系統(tǒng)的工作狀態(tài)由三泵運(yùn)行切換為單泵運(yùn)行，系統(tǒng)壓力波動(dòng)較為明顯，3～4 s內(nèi)壓力由34 MPa降至10 MPa左右；而變量馬達(dá)轉(zhuǎn)速在這兩個(gè)區(qū)間內(nèi)分別產(chǎn)生了較大幅度的波動(dòng)，但在很短的時(shí)間內(nèi)趨于穩(wěn)定；馬達(dá)排量也有較大程度的下降，分別由3.5 L/r降至2.2 L/r和3.8 L/r降至2.4 L/r左右。而在4～6 s內(nèi)，由于風(fēng)速由6.1 m/s升至10 m/s，多泵系統(tǒng)的工作狀態(tài)由單泵運(yùn)行切換為三泵運(yùn)行，系統(tǒng)壓力下降，馬達(dá)排量由2.2 L/r快速上升至4.2 L/r左右，但馬達(dá)轉(zhuǎn)速較為穩(wěn)定。 仿真結(jié)果表明:多泵傳動(dòng)系統(tǒng)可以滿足不同風(fēng)速下的工作需求，多泵系統(tǒng)壓力和馬達(dá)排量可根據(jù)風(fēng)速快速調(diào)整，馬達(dá)轉(zhuǎn)速雖有一定程度波動(dòng)但滿足(1 500±6)r/min的機(jī)組準(zhǔn)同期并網(wǎng)要求，可平穩(wěn)輸出功率。

由圖 9可以看出：?jiǎn)伪孟到y(tǒng)在0～1 s和8～10 s的低風(fēng)速區(qū)間內(nèi)容積效率僅有0.67～0.72，而多泵系統(tǒng)可根據(jù)風(fēng)速調(diào)整泵的投切狀態(tài)，減少能量損失，在低風(fēng)速時(shí)的容積效率也可達(dá)到0.8左右，效率更高，波動(dòng)幅度更??；在5～6 s的高風(fēng)速區(qū)間，由于兩者均工作在高負(fù)荷狀態(tài)，容積效率相差不多，約為0.92，但多泵系統(tǒng)在高風(fēng)速區(qū)間工作效率較穩(wěn)定，而單泵系統(tǒng)則有一定幅度的波動(dòng)。因此多泵傳動(dòng)系統(tǒng)較傳統(tǒng)單泵傳動(dòng)系統(tǒng)工作效率更高且更穩(wěn)定,更能適應(yīng)復(fù)雜的真實(shí)風(fēng)電場(chǎng)的工作環(huán)境。

由圖 10 可知：液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中安裝蓄能系統(tǒng)可以有效抑制管路中的壓力波動(dòng)：沒(méi)有安裝蓄能器的傳動(dòng)系統(tǒng)其壓力變化范圍為10～50 MPa，而安裝蓄能系統(tǒng)后高壓管路壓力基本穩(wěn)定維持在30 MPa左右。因此蓄能系統(tǒng)可以減小高壓管路的壓力波動(dòng)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

圖10 高壓管路壓力變化曲線

5 結(jié)論

依托液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組AMESim/Simulink聯(lián)合仿真平臺(tái)，對(duì)多泵蓄能式液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行仿真研究，結(jié)果如下：

(1)多泵蓄能式液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組更適合當(dāng)前日漸增大的機(jī)組容量以及復(fù)雜的風(fēng)力變化工況，仿真結(jié)果表明變量馬達(dá)轉(zhuǎn)速維持在1 500 r/min附近時(shí)，滿足準(zhǔn)同期并網(wǎng)要求；

(2)多泵系統(tǒng)比傳統(tǒng)的單泵系統(tǒng)工作效率更高，且通過(guò)多泵的組合使用，可以使系統(tǒng)更快速地響應(yīng)風(fēng)速變化，提高系統(tǒng)的工作效率；

(3)將多泵蓄能系統(tǒng)用于復(fù)雜風(fēng)電場(chǎng)工況時(shí)，通過(guò)多泵系統(tǒng)的快速投切和蓄能系統(tǒng)的輔助調(diào)節(jié)，可以使系統(tǒng)快速地恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，與傳統(tǒng)傳動(dòng)系統(tǒng)相比，其管路壓力狀態(tài)波動(dòng)幅度明顯改善，能量利用更為充分，更適用于實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)環(huán)境。