新型风力发电机组液压变桨距系统的研究

【摘要】分析了一种新型风力发电机组液压变桨距系统的结构和工作原理。由于该变桨距系统在关桨和开桨时液压回路不同，因此对关桨和开桨两个过程分别进行建模。在此基础上，在Matlab/Simulink环境下建立了系统仿真模型，并得出了系统正弦响应曲线。仿真结果表明所建模型的正确性，并得出系统在关桨和开桨过程时应采用不同控制策略的结论，为以后工程设计提供了初步参考。

【关键词】风力发电机组；液压变桨距；建模Matlab/Simulink

1.引言

随着能源消耗日益增长，环境进一步恶化，风力发电越来越收到人们的重视[1]，风速是不断变化的，风力机吸收的功率与风速的立方成正比，所以风力发电机组发出的电能随风速波动。如果风机的容量相对较小，那么风机输出的功率波动频率较小。但是如果风机的容量很大的话，功率波动频率就会增加。

变速变桨距风力发电机组能够吸收最大的功率，同时增加机组的动态性能，进而减轻机械结构的压力。在这种方式下，风机可以做得更轻、更便宜。变桨距控制的提出可以额外的调整风机吸收的功率[2][3]。风机的变桨距系统有两种。一种是电变桨，桨叶由三个电机驱动。一种是液压变桨，桨叶由三个油缸驱动。风机内的环境对电机来说非常恶劣，而液压系统有很多有点，比如响应快、扭矩大等，所以本文选择液压方案作为风机的变桨距系统。

本文在分析液压变桨距系统结构和工作原理的基础上，建立了系统模型，包括控制元件模型和执行元件模型。在Matlab/Simulink环境下，对液压变桨距控制系统进行了仿真，并且给出了仿真结果。

2.液压变桨距系统的结构和工作原理

传统的风力发电机组变桨距执行机构均采用曲柄连杆机构的方式，液压站和液压油缸放在机舱内，通过一套曲柄连杆机构同步推动三片桨叶旋转，这种方案的变距力有限，而且不能对桨叶独立控制，已不能满足兆瓦级风力发电机组的要求[4][5]。

图1 液压变桨距机构

本文提出了一种新型液压变桨距机构。变桨距系统根据控制系统的要求可以独立控制三个桨叶的桨距角。当出现故障时，根据控制器或安全系统的要求，安全蓄能器可以使桨叶回到安全位置。机舱内的液压站通过液压滑环将油输送到轮毂内。如图1所示，1为轮毂壳，2为偏心块，3为活塞杆，4为桨叶，5为回转支撑，6为油缸，7为油缸座，8为阀块，9为内压板。控制系统根据当前风速，以一定的算法给出桨叶的桨距角信号，并通过滑环送给轮毂控制器，液压控制系统根据控制指令驱动油缸，油缸活塞杆通过偏心块驱动桨叶进行变距。每个桨叶都由一套独立的液压伺服系统驱动，一个桨叶出现故障时，其他两个桨叶仍能正常工作，增加了系统的安全性。桨距角可在00到900的范围内调整。油缸的最左端和最右端两个极限位置分别对应桨叶节距角的900和00，油缸向左和向右运动分别对应桨叶节距角的增大与减小。显然，这种执行机构尤其适用于大型风力发电机组。

3.变桨距系统建模

本文提出的液压变桨距系统由油缸直接推动桨叶进行变距。液压驱动系统采用的是电液比例伺服控制系统。由于桨叶在关桨和开桨时的液压回路不同，因此需对关桨和开桨两个过程分别建模。

3.1 关桨过程建模

图2 关桨时的液压变桨距系统简图

在风电机组关桨过程中，液压系统构成差动回路，关桨过程变桨距系统简图如图2所示。关桨过程中，油缸绕C点旋转，活塞杆绕偏心块的圆周边运动，桨距角变化。假定图2中实线为系统的初始位置，偏心块半径为r，BC间距离为a。油缸由实线位置旋转到虚线位置，则活塞杆绕偏心块从B点运行到A点，桨叶桨距角为从0增加到θ，活塞杆的位移：

（1）

式中，|AC|是A和C之间的距离，|BC|是B和C之间的距离，θ是桨距角。

显然，油缸活塞杆位移与桨距角之间是非线性关系，因此需对其进行线性化处理。线性化后油缸活塞杆位移与桨距角之间的关系为：

Δy=q·θ （2）

式中，q为线性化系数，m/rad。

比例阀的线性流量方程为[6]：

（3）

式中，Ql为负载流量，m3/s；Kq为流量增益，m2/s；xv为阀芯位移，m；Kc为流量—压力系数，m5/（N·s）；pc为负载压力，Pa。

对油缸无杆腔应用流量连续性方程，得：

（4）

式中：Cip为油缸内泄露系数，m5/（N·s）；βe为液体体积弹性模量，Pa。

油缸无杆腔容积

（5）

式中：V0为油缸无杆腔的初始容积，m3；S1为油缸无杆腔的活塞面积，m2；

假定活塞的位移很小，即|A1·Δy|

（6）

变桨距机构动力平衡方程为[3]

（7）

式中：J为叶片绕纵轴转动惯量，kg·m2；S2为油缸有杆腔的活塞作用面积，m2；T为扭矩负载，N·m；L（θ）为变桨距机构力臂长度关于桨距角的函数，m；

由于ΔL（θ）较小，有力臂常数代替L（θ）得：

（8）

式中：L为简化等效力臂长度，m。

因比例阀的相应速度远远大于系统相应速度，因此电液比例阀的阀芯位移与给定电压信号之间可看成比例环节，即：

（9）

式中：Kv为电压—阀芯位移比例系数，m/V； U为给定电压信号，V；

对式（3）、（6）、（8）和（9）进行拉氏变换，得：

（10）

（11）

（12）

（13）

由式（10）～（13）可得到U与T同时作用时的系统传递函数：

（14）

3.2 开桨过程建模

开桨过程，油缸绕C点旋转，活塞杆绕偏心块的圆周边运动，桨距角变化，如图3所示。B点为活塞杆的初始位置，偏心块半径为r，BC间距离为a。油缸由实线位置旋转到虚线位置，则活塞杆绕偏心块从D点运行到E点，桨距角由θ1减小到θ2。对该过程的系统建模与关桨过程类似，仍需考虑比例阀的流量方程、油缸的流量连续方程和系统的动力平衡方程，但应注意该系统属于对成阀控制非对称油缸系统，建模过程应进行处理。推导过程省略，最后得出叶片桨距角θ与比例阀给定信号U和扭矩负载T之间的关系式：

（15）

式中：；S1为油缸无杆腔的活塞面积，m2；S2为油缸有杆腔的活塞作用面积，m2；Kq为流量增益，m2/s；Kv为电压—阀芯位移比例系数，m/V；U为给定电压信号，V；Kc为流量—压力系数，m5/（N·s）；H为油缸总行程，m；Cip为油缸内泄露系数，m5/（N·s）；βe为液体体积弹性模量，Pa；L为简化等效力臂长度，m；J为叶片绕纵轴转动惯量，kg·m2； q为线性化系数，m/rad。

图3 开桨时的液压变桨距系统简图

图4 液压变桨距控制系统仿真模型

3.3 液压变桨距控制系统建模

根据前文所建液压系统不同过程的系统模型，并在系统中加入PID控制算法，变桨距控制系统在Matlab/Simulink环境下的仿真模型如图4所示。Kf为桨距角反馈比例系数。

4.仿真结果

图5给出了PID参数相同时的系统正弦相应曲线。从图中可以看出，系统开桨的响应速度明显落后于关桨的响应速度，这是由于系统关桨的固有频率高于开桨的固有频率。

图6给处理PID参数不同时的系统正弦响应曲线。与图5相比，系统的响应特性提高了很多，说明为了获得好的系统控制性能，系统在开桨与关桨过程中，应该采用不同的控制策略。

图5 PID参数相同时的系统正弦响应曲线

图6 PID参数不同时的系统正弦响应曲线

5.结论

本文提出了一种新型的风力发电机组液压变桨距系统，分别建立了开桨和关桨过程的系统线性控制数学模型。根据得出的线性化数学模型，采用PID控制器构建了闭环控制系统，并进行了变桨距控制仿真。仿真结果表明所建系统模型的正确性，并得出系统开桨响应速度滞后于关桨响应速度的结论。

参考文献

[1]T.Senjyu，R.Sakamoto，N.Urasaki，T.Funanashi，H.Fujita，and H.Sekine，“Output power leveling of wind turbine generator for all operating regions by pitch angle control”，IEEE Transactions on Energy Conversion，vol.21，no.6，June 2006，pp.467-475.

[2]F.D.Bianchi，R.J.Mantz，and C.F.Christiansen，“Power regulation in pitch-controlled variable-speed WECS above rated wind speed”，Renewable Energy，2004（29），pp.1911-1922.

[3]W.L.Chen，and Y.Y.Hsu，“Controller design for an induction generator driven by a variable-speed wind turbine”，IEEE Transaction on Energy Conversion，vol.21，no.3，September 2006，pp.625-635.

[4]W.Z.Zhao，L.X.Qin，and X.J.Yao，“Modeling research of MW wind turbine variable pitch system”，Machine and Hydraumatic，no.6，2006，pp.157-162.

[5]H.W.Liu，Y.G.Lin，and W.Li，“Study on control strategy of individual blade pitch-controlled wind turbine”，Process of the 6th World Congress on Intelligent Control and Automation，June 2006，pp.6489-6492.

[6]F.Zhu，Z.H.Wang，and Y.Q Sun，“Simulation and studies of electro-hydraulic proportional control system based on Matlab”，Mechanical Engineering and Automation，no.1，February 2007，pp.59-61.

[7]J.T.Guan，“Electromechanical hydraulic control technology”，Shanghai，Tongji University Publishing Press，2003.