水平轴潮流能发电机组液压变桨技术研究与海试.pdf

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1、第35卷第5期2016年10月海洋技术学报JOURNALOFOCEANTECHNOLOGYV01．35．No．5Oct，2016doi：10．3969／j．issn．1003-2029．2016．05．013水平轴潮流能发电机组液压变桨技术研究与海试刘宏伟，李伟，林勇刚，顾亚京，李阳健，谢卓君(浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室，浙江杭州310058)摘要：变桨技术是水平轴潮流能发电机组的关键技术。对实现机组的功率控制和双向发电具有重要意义。在综合分析电气变桨方案和液压变桨方案的基础上．完成了1

2、20kW水平轴潮流能发电机组变桨机构及其控制系统的设计．并进行了变桨距系统的厂内试验和海上试验，试验结果表明．该系统可以很好地实现机组的双向发电并实现发电机输出功率的有效控制．同时变桨距机构运行稳定．响应特性达到预期设计目标。关键词：水平轴潮流能发电；液压变桨；厂内试验；海上试验中图分类号：P743．1文献标志码：A文章编号：1003—2029(2016)05—0066—04水平轴潮流能发电技术具有效率高、启动流速低等优点，已成为一种具有潜在商业化推广价值的新能源发电技术。目前国际上在研或已完成海试的

3、水平轴单机功率已达到兆瓦级，如挪威的Hammerfest、德国的Voith等。我国的水平轴潮流能发电机组在技术研发方面并不落后于国外，但在单机规模及示范应用上有待进一步提高，截至目前国内完成海试的单机功率最大的水平轴潮流能发电机组是由浙江大学于2015年完成的120kW机组，同期也有一些国有大型企业在开展300kW乃至600kW机组的研制。潮流能发电机组工作环境恶劣，机组工况复杂，可靠性、机组效率及安装运维是水平轴潮流能发电机组技术产业化推广前必须解决的三大重要问题。本文研究的变桨距技术是与机组的可靠

4、性和高效性密切相关的关键技术，它在机组功率控制及双向发电运行具有重要意义。目前国内外潮流能发电机组采用电气变桨技术较多㈣，如MCT的300kW及600kW机组，Hammerfest公司的兆瓦级机组，而国内也有研究机构拟采用电气变桨方案。本文拟在综合分析电气变桨和液压变桨距技术的基础上，重点对项目组研制的120kW水平轴潮流能发电机组液压变桨距技术和试验进行介绍，以供同行交流。1变桨距方案的选型设计根据执行机构不同，可以将变桨距系统分为电气变桨和液压变桨M。电气变桨系统由驱动电机、减速箱及驱动电源、电刷

5、滑环等组成，根据桨叶的驱动形式可以再分为统一变桨和独立变桨，即三个叶片用一台电机驱动还是每只叶片都用一台电机，独立变桨的优点在于可以同时进行功率控制和叶片载荷控制。对于要求结构紧凑(减小挡水面积)的潮流能发电机组而言，电气变桨距机构需要较大的轮毂空间，而且需要可靠的电刷滑环，所以故障率较高。与电气变桨方案相比，液压变桨距具有结构紧凑、驱动力矩大、可靠性高等优点，笔者认为非常适合潮流能发电机组，桨毂里面只需保留驱动液压缸或马达，通过配油机构可以将液压泵站及其控制系统都置于水面之上，故本文重点对液压变桨距

6、技术进行了研究，并完成了真机上的试验验证。图1所示为根据120kW机组叶片载荷及响应特性而设计的潮流能发电机组液压统一变桨距结构方案。该方案采用液压缸驱动齿轮齿条的方法实现叶片的统一变桨，并通过活塞杆的直线位移传感器将桨叶节距角信号传输给控制器。收稿日期：2016—05—10基金项目：国家自然科学基金资助项目(51575477)；国家可再生能源专项资金资助项目(GHME2015GC02)；浙江省自然科学基金资助项目(LYl4E050019)作者简介：刘宏伟(1978一)，男，博士，副教授，主要研究方向

7、为潮流能发电装备及部分风电技术。E-maihzju000@163．com第5期刘宏伟，等：水平轴潮流能发电机组液压变桨技术研究与海试67图1潮流能机组液压统一变桨距结构图2为变桨液压驱动系统，设计的额定变桨速率为1。／s，通过电液比例换向阀实现叶片的顺桨和逆桨动作。系统设计具有自动和手动两种变桨功能，以便现场维护。图2潮流能机组变桨液压驱动系统2变桨系统控制策略及仿真研究针对设计的液压变桨距系统，需要从机械结构、液压驱动及控制策略三个方面分别完成强度和功能的分析验证，本文主要从控制和液压驱动两方面完成

8、系统的功能性验证。在进行液压系统和控制系统的加工制造前需要进行必要的仿真分析。图3为节距角控制流程图，为便于调试，系统设计采用开环及闭环两种控制模式。如前所述，控制环节通过改变桨叶的节距角实现叶轮的功率控制和对流，所以桨叶节距角的目标值由水流方向和叶轮流体动力学特性决定。当机组的输出功率小于额定功率时，根据已知的叶轮流速一转速一功率特性曲线给出目标功率，将目标功率与实测功率的差值传递给变桨控制器，控制器给液压系统控制信号，液压系统驱动变桨油缸动作，从而实