新型风力发电机组液压变桨距系统探究

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1、新型风力发电机组液压变桨距系统探究　　【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/Simulink1.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，

2、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。8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

3、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8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

4、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

5、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

6、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）8式中，

7、AC

8、是A和C之间的距离，

9、BC

10、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

11、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

12、A1·Δy

13、　　（14）3.2开桨过程建模8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

14、动力平衡方程，但应注意该系统属于对成阀