崔曉，程永強(qiáng)

(山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東青島266001)

0 前言

海洋波浪能是以機(jī)械能形式存在于海水中的取之不盡的可再生能源，它是包括潮汐能、海流能、波浪能、溫差能、鹽差能等在內(nèi)的海洋能中品位最高的能量［1］。海洋波浪換能裝置的作用是把俘獲的波浪能轉(zhuǎn)換為某種特定形式的機(jī)械能或液壓能。根據(jù)海洋波浪的特點(diǎn)，一般波浪捕獲裝置要求在低速、變速、大扭矩的工況下運(yùn)行，而發(fā)電設(shè)備要求在較高的轉(zhuǎn)速下單向恒速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這就要求換能系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)增速、功率傳遞和控制等功能。根據(jù)國(guó)內(nèi)外目前的研究狀況，普遍采用3 種能量轉(zhuǎn)換方式:齒輪變速箱式、直驅(qū)式、液壓傳動(dòng)式。齒輪變速箱傳動(dòng)方式其傳動(dòng)比單一，不能平緩海流沖擊，會(huì)影響發(fā)電機(jī)的壽命。而直驅(qū)傳動(dòng)方式，鑒于目前低速永磁同步發(fā)電機(jī)技術(shù)不夠成熟及海洋環(huán)境的惡劣性，成本較高。液壓傳動(dòng)具有傳動(dòng)功率大、結(jié)構(gòu)小、響應(yīng)速度快、可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速等優(yōu)點(diǎn)，且易實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)，非常適合低速、大扭矩的場(chǎng)合應(yīng)用，已成為波浪換能裝置的首選傳動(dòng)方式［2］。基于這一原理的海洋波浪換能系統(tǒng)主要由能量捕獲裝置、液壓泵、液壓馬達(dá)、蓄能器、流量及壓力控制單元等元件組成。能量捕獲裝置將波浪能轉(zhuǎn)換為不穩(wěn)定的機(jī)械能并驅(qū)動(dòng)液壓泵工作，泵輸出液壓能并經(jīng)由流量控制單元整流為單一方向的液壓能。壓力控制單元及蓄能器將不穩(wěn)定的液壓能轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的液壓能并驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)恒速運(yùn)轉(zhuǎn)，輸出穩(wěn)定電能。

波浪能的能量產(chǎn)生是由自然條件及地理環(huán)境決定，能量變化的幅值及頻率隨機(jī)性較大，所以利用波浪能產(chǎn)生的能源電力輸出一直被認(rèn)為是“垃圾電”，而且由于輸入功率的不穩(wěn)定、不連續(xù)，甚至是快速突變的，其對(duì)發(fā)電裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生不同強(qiáng)度和不同變化率的沖擊力，大大影響了機(jī)組的穩(wěn)定性和可靠性［3］。解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)波浪換能裝置液壓傳動(dòng)系統(tǒng)輸入與輸出的功率解耦及阻尼調(diào)節(jié)。通過(guò)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的控制使輸入的壓力、流量與輸出的壓力流量并不直接耦合，在輸入與輸出之間提供儲(chǔ)能單元將多余的能量?jī)?chǔ)存起來(lái)并在合適的時(shí)機(jī)釋放，這應(yīng)成為波浪換能裝置傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)具備的重要功能。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于波浪換能裝置液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的研究大多集中在應(yīng)用先進(jìn)控制策略提高能量利用效率和提高傳動(dòng)系統(tǒng)可靠性方面，大多采用大容量蓄能器與調(diào)速閥平穩(wěn)流量與壓力波動(dòng)實(shí)現(xiàn)輸入輸出的功率解耦。文獻(xiàn)［4］分析了變壓力系統(tǒng)與恒壓力系統(tǒng)在傳動(dòng)效率和速度調(diào)節(jié)特性上的差異，分別建立了兩種傳動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。文獻(xiàn)［5］針對(duì)波浪能轉(zhuǎn)換應(yīng)用而設(shè)計(jì)一種新型數(shù)字液壓泵/液壓馬達(dá)，具有很高的換能效率。文獻(xiàn)［6］對(duì)換能裝置傳動(dòng)系統(tǒng)的各種非線性控制方法進(jìn)行了綜合與比較，提出應(yīng)用最優(yōu)控制策略的思想。文獻(xiàn)［7］對(duì)英國(guó)OPT 公司開發(fā)的Pelamis 波力發(fā)電裝置從原理上進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，Pelamis 通過(guò)角位移驅(qū)動(dòng)液壓缸實(shí)現(xiàn)了波浪能到液壓能的轉(zhuǎn)換，采用大容量蓄能器實(shí)現(xiàn)了輸入功率與輸出功率的解耦及能量存儲(chǔ)。Pelamis 是一個(gè)典型的對(duì)非穩(wěn)定功率輸入進(jìn)行調(diào)速的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，Pelamis 的成功也為液壓傳動(dòng)在海洋波浪換能上的應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。

針對(duì)功率解耦的問(wèn)題，本文作者提出了一種換能裝置液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)液壓變壓器原理，將定量馬達(dá)與變量泵連軸，根據(jù)捕能液壓缸的輸入位移實(shí)時(shí)調(diào)整變壓比穩(wěn)定液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速，同時(shí)使用蓄能器進(jìn)一步平穩(wěn)壓力波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)變壓網(wǎng)絡(luò)到恒壓網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換，解決液壓傳動(dòng)系統(tǒng)輸入與輸出的功率解耦問(wèn)題。

1 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)組成及工作原理的理論分析

1.1 傳動(dòng)系統(tǒng)的組成

獨(dú)立穩(wěn)定波浪換能裝置液壓傳動(dòng)系統(tǒng)主要由波浪能捕獲裝置、液壓缸、整流單元、壓力能變壓?jiǎn)卧?、蓄能器、馬達(dá)及發(fā)電機(jī)組成。如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)分為能量捕獲單元、整流單元、調(diào)壓?jiǎn)卧⑿钅軉卧桶l(fā)電單元，通過(guò)對(duì)液壓能的整流、調(diào)壓和蓄能將不穩(wěn)定功率輸入的變壓網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換為能夠穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)負(fù)載的恒壓網(wǎng)絡(luò)。可以看出與以往波浪換能裝置液壓傳動(dòng)系統(tǒng)不同的是，該傳動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)增加變壓?jiǎn)卧笆褂脙商转?dú)立的液壓回路實(shí)現(xiàn)輸入與輸出功率的解耦。

圖1 波浪換能裝置液壓傳動(dòng)系統(tǒng)基本組成

1.2 傳動(dòng)系統(tǒng)工作原理的理論分析

圖2所示為所設(shè)計(jì)的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)工作原理圖，能量捕獲裝置(浮子)在波浪能的驅(qū)動(dòng)下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)液壓缸cy1往復(fù)運(yùn)動(dòng)輸出壓力油。由4 個(gè)單向閥c1～c4構(gòu)成的液壓整流單元可以將雙向液壓油轉(zhuǎn)換為單一方向泵入液壓馬達(dá)M1，液壓馬達(dá)M1再驅(qū)動(dòng)與其連軸的變量液壓泵Mp送出高壓油驅(qū)動(dòng)另一液壓馬達(dá)M2，液壓馬達(dá)M2帶動(dòng)發(fā)電機(jī)G 保持恒速轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出穩(wěn)定電壓。溢流閥r1、r2及r3起到保護(hù)及調(diào)定系統(tǒng)壓力的作用，蓄能器Acc1用來(lái)吸收壓力和流量脈動(dòng)，穩(wěn)定功率輸出的作用，而由測(cè)速泵p1和液壓缸cy2構(gòu)成的轉(zhuǎn)速控制回路用來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)整變量泵Mp的排量，改變液壓變壓器的變壓比，這也是該液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)輸入—輸出功率解耦的關(guān)鍵。

圖2 波浪換能裝置液壓傳動(dòng)系統(tǒng)輸入輸出功率解耦原理圖

在對(duì)該液壓傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行理論分析時(shí)，首先做如下假設(shè):

(1)忽略馬達(dá)、泵、液壓缸及蓄能器等液壓元件的容積損失和機(jī)械損失。

(2)認(rèn)為馬達(dá)與變量泵之間及馬達(dá)與發(fā)電機(jī)之間的連軸為剛性連接。

(3)忽略變量泵變量機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)效應(yīng)。

(4)通往油箱的回油壓力為零。

(5)忽略流體介質(zhì)的可壓縮性。

設(shè)該液壓傳動(dòng)系統(tǒng)工作在穩(wěn)定狀態(tài)下，對(duì)于由泵Mp和馬達(dá)M2構(gòu)成的泵控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，泵Mp的流量方程為:

式中:Qp為泵Mp輸出流量，ω1為泵Mp轉(zhuǎn)速，Dp為泵Mp弧度排量，ctp為泵Mp的泄漏系數(shù)，pH為泵Mp輸出壓力。

對(duì)泵Mp和馬達(dá)M2構(gòu)成的液壓回路，根據(jù)流量連續(xù)性方程可以得到:

式中:ω2為馬達(dá)M2的輸出轉(zhuǎn)速，Dg為馬達(dá)M2弧度排量，ctm2為馬達(dá)M2的泄漏系數(shù)。

由馬達(dá)M2的力矩平衡方程可得:

式中:Tg為發(fā)電機(jī)G 負(fù)載轉(zhuǎn)矩，J2為馬達(dá)M2與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上所有部件總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，B2為馬達(dá)M2與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的黏性阻尼系數(shù)，ω2為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。

將式(1)到式(3)取拉氏變換，將式(3)代入式(1)和式(2)，消去pH得到馬達(dá)M2輸出轉(zhuǎn)速與泵Mp輸入轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系:

令ct=ctm2+ctp為泵控液壓系統(tǒng)總的泄漏系數(shù)，可以得到:

同理可以列出液壓缸cy1與馬達(dá)M1構(gòu)成回路的流量連續(xù)性方程:

2 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的仿真分析

為進(jìn)一步分析所設(shè)計(jì)換能裝置液壓傳動(dòng)系統(tǒng)在不同海況下的工作特性，驗(yàn)證傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)于輸入—輸出功率解耦的有效性，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性、波動(dòng)特性及換能效率進(jìn)行了仿真研究，利用AMESim 的液壓庫(kù)來(lái)搭建該液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的模型，利用Matlab 建立波浪換能裝置的水動(dòng)力學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行聯(lián)合仿真驗(yàn)證所設(shè)計(jì)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的有效性。

2.1 模型的建立

所建立的波浪換能裝置液壓傳動(dòng)如圖3所示。模型中能量捕獲裝置的水動(dòng)力學(xué)模型由基于線性波理論的F-K 方法建立［8］，如式(7)—(8)所示。

圖3 換能裝置液壓傳動(dòng)系統(tǒng)仿真模型

式中:Z為浮子在波浪力作用下產(chǎn)生的位移;FV為作用在浮子上的波浪力，由文獻(xiàn)［9］根據(jù)F-K 方法可計(jì)算得出;ρ 為海水的密度，g為重力加速度，Sr為浮子的水線面積，ω 為波浪起伏圓頻率，(m+mw)為浮子及其附加的海水質(zhì)量，系數(shù)Kf和Cf分別為等效彈性系數(shù)和等效阻尼系數(shù)，可根據(jù)式(8)由液壓缸輸出力Fcy計(jì)算求得。

波形數(shù)據(jù)也是應(yīng)用線性波理論根據(jù)線性疊加法模擬而生成［10］，文中選取振幅2 m、波形系數(shù)0.8 和波動(dòng)頻率為10 的波浪數(shù)據(jù)。將計(jì)算出的初始狀態(tài)液壓缸對(duì)浮子輸出力代入式(7)及式(8)可求得浮子位移Z，對(duì)位移求導(dǎo)得到液壓缸的輸入速度并帶回模型中計(jì)算下一時(shí)刻液壓缸輸出力，如此反復(fù)迭代下去就可以完成整個(gè)模型的仿真過(guò)程，模型中的各仿真參數(shù)如表1所示。

表1 換能裝置液壓傳動(dòng)系統(tǒng)仿真參數(shù)

2.2 仿真結(jié)果

如圖4所示為與液壓缸相連接的能量捕獲機(jī)構(gòu)在波浪力作用下的位移響應(yīng)曲線，圖5 為能量捕獲機(jī)構(gòu)的速度響應(yīng)曲線。根據(jù)仿真模型中液壓缸的輸出流量和壓力可以計(jì)算出輸入到液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中的瞬時(shí)功率及平均功率，也可以根據(jù)傳動(dòng)系統(tǒng)輸出力與能量捕獲機(jī)構(gòu)速度的乘積計(jì)算出輸入到系統(tǒng)中的總功率。文中采用了第一種方法，計(jì)算出并歸一化的輸入系統(tǒng)瞬時(shí)功率曲線如圖6 中曲線1所示，平均功率為圖6 中虛線2所示。從圖中可以看出，輸入到系統(tǒng)中的功率波動(dòng)是比較大的，其峰值功率為平均功率的7.41 倍，且有80%的時(shí)間中對(duì)系統(tǒng)的輸入功率都在平均功率以下，若考慮到馬達(dá)、泵的效率以及某些極端海況的條件下，峰值功率與平均功率之比可能會(huì)更大。這就給傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的困擾，若按照平均功率設(shè)計(jì)系統(tǒng)，則無(wú)法保證在峰值功率時(shí)系統(tǒng)的可靠性和安全性，若按照峰值功率來(lái)設(shè)計(jì)并選擇液壓元件會(huì)造成傳動(dòng)系統(tǒng)的工作效率低，無(wú)法使其工作在最佳狀態(tài)，這也充分說(shuō)明了換能裝置中功率解耦的必要性。

圖4 能量捕獲機(jī)構(gòu)位移曲線

圖5 能量捕獲機(jī)構(gòu)速度曲線

圖6 傳動(dòng)系統(tǒng)輸入功率歸一化曲線

如圖7所示為經(jīng)過(guò)液壓變壓實(shí)現(xiàn)功率解耦后馬達(dá)M2的輸出功率曲線，可以明顯地看出液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的輸出功率較輸入功率相比已經(jīng)平穩(wěn)了很多，峰值功率僅為平均功率的1.01 倍，且95%以上的時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)的輸出均為平均功率。組成液壓變壓器的變量泵Mp實(shí)際排量與最大排量之比的變化過(guò)程如圖8所示，可以看出液壓缸cy2通過(guò)檢測(cè)流量變化實(shí)時(shí)變量泵Mp變量機(jī)構(gòu)，使其保持相對(duì)恒定的功率輸出。值得注意的一點(diǎn)是在最小排量和最大排量之間頻繁的改變不利于延長(zhǎng)液壓元件的壽命，也對(duì)變量泵的性能和可靠性提出了一定的要求。

圖7 馬達(dá)M2 輸出功率歸一化曲線

圖8 變量泵Mp 實(shí)際排量與最大排量比變化曲線

圖9所示為驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的液壓馬達(dá)M2的輸出轉(zhuǎn)速曲線?？梢钥闯鐾ㄟ^(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)功率解耦作用以及在液壓蓄能器緩沖的共同作用下，可以得到一個(gè)相對(duì)比較穩(wěn)定的發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速。馬達(dá)M2的輸出轉(zhuǎn)速保持在650～700 r/min 之間，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)恒頻穩(wěn)壓的發(fā)電需求。圖10所示為定量馬達(dá)M1和變量泵Mp兩腔壓差隨時(shí)間變化曲線，圖11所示為定量馬達(dá)M1和變量泵Mp輸出流量隨時(shí)間變化曲線?？梢钥闯鲈谟神R達(dá)—泵所構(gòu)成的液壓變壓器的作用下，將低壓、大流量的功率輸入轉(zhuǎn)換成為高壓、小流量的功率輸出。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了將非穩(wěn)定功率輸入的變壓網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換為能夠穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)負(fù)載的恒壓網(wǎng)絡(luò)。

圖9 馬達(dá)M2 輸出轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化曲線

圖10 馬達(dá)M1 和泵Mp 輸出壓力差隨時(shí)間變化曲線

圖11 馬達(dá)M1 和泵Mp 輸出流量隨時(shí)間變化曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)海洋波浪換能裝置中傳動(dòng)系統(tǒng)輸—輸出功率耦合的問(wèn)題，提出了一種基于液壓變壓器原理的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。通過(guò)將以低壓、大流量為特點(diǎn)的變壓網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換為以高壓、小流量為特點(diǎn)的恒壓網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了傳動(dòng)系統(tǒng)輸入與輸出功率的解耦。敘述了傳動(dòng)系統(tǒng)的組成，理論推導(dǎo)了系統(tǒng)的工作原理。進(jìn)一步建立了基于AMESim 的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真。仿真模擬了典型海況輸入下傳動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)。其結(jié)果表明，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)負(fù)載的馬達(dá)轉(zhuǎn)速及輸出功率基本平穩(wěn)，可以實(shí)現(xiàn)恒頻穩(wěn)壓的發(fā)電需求。該方案可應(yīng)用于海洋波浪能的開發(fā)，同時(shí)也可廣泛應(yīng)用于風(fēng)能、潮汐能等非穩(wěn)定功率輸入系統(tǒng)中，并對(duì)閉式液壓回路的功率調(diào)節(jié)特性研究產(chǎn)生積極的影響。

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