液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能量傳遞與耗散
艾超1,2閆桂山1孔祥東1,2董彥武1
1.燕山大學(xué)河北省重型機(jī)械流體動(dòng)力傳輸與控制實(shí)驗(yàn)室,秦皇島,066004
2.先進(jìn)鍛壓成形技術(shù)與科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(燕山大學(xué)),秦皇島,066004
摘要:為分析液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組能量轉(zhuǎn)化機(jī)理,針對(duì)其能量傳遞與耗散問題展開了研究。將整個(gè)機(jī)組分解為若干個(gè)關(guān)鍵子單元,建立機(jī)組能量傳遞模型,分析機(jī)組能量傳遞變化規(guī)律;以能量傳遞模型為基礎(chǔ),對(duì)機(jī)組能量耗散進(jìn)行推導(dǎo)分析,得到機(jī)組能量耗散數(shù)學(xué)模型。將30kV·A液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)驗(yàn)臺(tái)作為仿真和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ),對(duì)機(jī)組能量傳遞與耗散進(jìn)行仿真與實(shí)驗(yàn)研究,進(jìn)而驗(yàn)證理論分析的準(zhǔn)確性。研究結(jié)果表明:機(jī)組在工作過程中其能量特征狀態(tài)發(fā)生改變,并存在一定的能耗,整機(jī)效率約為65.7%。
關(guān)鍵詞:風(fēng)力發(fā)電;液壓傳動(dòng);能量傳遞;能量耗散
中圖分類號(hào):TH137;TK83
收稿日期:2015-05-18
基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (51405423);國(guó)家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心開放課題資助項(xiàng)目(NECSR-201305);燕山大學(xué)青年教師自主研究計(jì)劃課題資助項(xiàng)目(13LGB005)
作者簡(jiǎn)介:艾超,男,1982年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院講師。主要研究方向?yàn)橐簤盒惋L(fēng)力發(fā)電機(jī)組。發(fā)表論文20余篇。閆桂山,男,1988年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。孔祥東(通信作者),男,1959年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。董彥武,男,1989年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。
EnergyTransferandDissipationinofHydraulicWindTurbines
AiChao1,2YanGuishan1Kong Xiangdong1,2DongYanwu1
1.HebeiProvincialKeyLaboratoryofHeavyMachineryFluidPowerTransmissionandControl,
YanshanUniversity,Qinhuangdao,Hebei,066004
2.KeyLaboratoryofAdvancedForging&StampingTechnologyandScience
(YanshanUniversity),MinistryofEducationofChina,Qinhuangdao,Hebei,066004
Abstract:Taking a hydraulic wind turbine as the research object, the energy transfer and dissipation were studied for energy conversion mechanism in hydraulic wind turbine. The entire unit was divided into several key sub-units. The energy transfer models were established, and the variation of energy transfer was analyzed. The energy dissipation was derived and analyzed based on energy transfer models, and mathematical models of energy dissipation were obtained. Using 30kVA hydraulic wind turbine simulation platform as the simulation and experimental foundation, simulation and experimental researches of energy transfer and dissipation were carried out.The accuracy of theoretical analyses was verified. The results show that energy feature state is changed during operation, containing a certain energy dissipation, and the overall efficiency is about 65.7%.
Keywords:windpower;hydraulictransmission;energytransfer;energydissipation
0引言
目前風(fēng)力機(jī)組主流機(jī)型為齒輪箱傳動(dòng)型和直驅(qū)型[1-2],但液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組作為一種新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)型,采用液壓傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)到發(fā)電機(jī)之間的能量傳輸,以其傳動(dòng)靈活、可靠性高、裝機(jī)成本低等特點(diǎn)[3-4],在風(fēng)力發(fā)電行業(yè)中具有強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力。
在液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中,機(jī)組能量傳遞與耗散問題直接決定了整機(jī)的效率,一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn),也是液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要研究方向之一。
針對(duì)液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能量轉(zhuǎn)化問題,國(guó)內(nèi)外學(xué)者分別對(duì)機(jī)組能量預(yù)測(cè)評(píng)估[5]、能量傳輸響應(yīng)特性[6]和最佳功率追蹤[7-8]等進(jìn)行了一系列研究,但尚為對(duì)機(jī)組能量傳輸與耗散規(guī)律進(jìn)行深入研究。
為此,本文通過建立了定量泵、變量馬達(dá)和發(fā)電機(jī)的能量傳遞模型,并對(duì)其能耗規(guī)律進(jìn)行了理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)測(cè)試,為液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能、高性能控制提供理論參考和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
1機(jī)組工作原理及能量傳遞分析
液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組[9-10]工作原理與能量傳遞如圖1所示。由圖1可知,在分析機(jī)組能量傳遞與耗散過程中,可以將其分解為風(fēng)力機(jī)、定量泵、變量馬達(dá)、同步發(fā)電機(jī)和高壓管路5個(gè)關(guān)鍵子單元。其中,風(fēng)力機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,并傳遞到定量泵;定量泵將風(fēng)力機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓能經(jīng)定量泵-變量馬達(dá)液壓調(diào)速系統(tǒng)后,傳遞到變量馬達(dá);在液壓能作用下,變量馬達(dá)輸出機(jī)械能驅(qū)動(dòng)同步發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn);最終,同步發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能而并網(wǎng)發(fā)電。
圖1 機(jī)組工作原理及能量傳遞圖
2機(jī)組能量傳遞與耗散理論分析
2.1機(jī)組關(guān)鍵部件數(shù)學(xué)模型
為研究機(jī)組能量傳遞與耗散問題,首先需對(duì)機(jī)組的關(guān)鍵部件風(fēng)力機(jī)、定量泵和變量馬達(dá)等進(jìn)行數(shù)學(xué)模型分析。
(1)風(fēng)力機(jī)。風(fēng)力機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的能量捕獲機(jī)構(gòu),是機(jī)組能量傳遞的源頭。對(duì)風(fēng)力機(jī)的輸出功率與轉(zhuǎn)矩進(jìn)行數(shù)學(xué)模型[11]分析,則有
(1)
式中,Pw為風(fēng)力機(jī)輸出功率;ρ為氣流密度;R為葉片半徑;Tw為風(fēng)力機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩;Cp為風(fēng)能利用系數(shù);ωt為風(fēng)力機(jī)角速度;v為風(fēng)速。
(2)定量泵。定量泵在風(fēng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)下輸出高壓油,其流量連續(xù)性方程為
Qp=Dpωp-Ctpph
(2)
定量泵在風(fēng)力機(jī)作用下同軸旋轉(zhuǎn),其力矩平衡方程為
(3)
式中,Qp為定量泵輸出流量;Dp為定量泵額定排量;ωp為定量泵角速度;Bp為定量泵側(cè)黏性阻尼系數(shù);Jp為定量泵與負(fù)載總慣量;Ctp為定量泵泄漏系數(shù);ph為系統(tǒng)壓力。
(3)變量馬達(dá)。定量泵輸出高壓油到變量馬達(dá),變量馬達(dá)流量連續(xù)性方程為
Qm=Dmωm+Ctmph=Kmγωm+Ctmph
(4)
變量馬達(dá)同軸驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn),其力矩平衡方程為
(5)
式中,Qm為變量馬達(dá)輸出流量;Dm為變量馬達(dá)額定排量;Ctm為變量馬達(dá)泄漏系數(shù);ωm為變量馬達(dá)角速度;Bm為變量馬達(dá)側(cè)黏性阻尼系數(shù);Jm為變量馬達(dá)與負(fù)載總慣量;Km為變量馬達(dá)排量梯度;γ為變量馬達(dá)擺角與其最大擺角比值;Te為發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩。
(4)高壓管路。定量泵到變量馬達(dá)間高壓管路由于油液壓縮作用,產(chǎn)生的流量方程為
(6)
式中,V0為單個(gè)腔室的總?cè)莘e;βe為有效體積彈性模量。
(5)同步發(fā)電機(jī)。同步發(fā)電機(jī)在變量馬達(dá)作用下,產(chǎn)生機(jī)械旋轉(zhuǎn),其機(jī)械方程可表示為
(7)
式中,J為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;TD為發(fā)電機(jī)阻尼轉(zhuǎn)矩;Tm為變量馬達(dá)負(fù)載轉(zhuǎn)矩;P為發(fā)電功率;ω為發(fā)電機(jī)電氣角速度;f為發(fā)電頻率;p為發(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù)。
同步發(fā)電機(jī)定子銅損較小,可忽略不計(jì),其發(fā)電功率可近似為電磁功率,則有
P=Teωm
(8)
2.2機(jī)組能量傳遞模型
在分析機(jī)組能量傳遞與耗散過程中,將風(fēng)力機(jī)能量輸入作為機(jī)組能量傳輸?shù)脑搭^,則定量泵、變量馬達(dá)和發(fā)電機(jī)是機(jī)組能量傳輸?shù)幕咀儞Q單元,也是連接系統(tǒng)內(nèi)部各種能量特征狀態(tài)的橋梁和紐帶。針對(duì)上述能量變換單元,若分別取其輸入輸出端的能量特征狀態(tài)進(jìn)行分析,即可得到該單元的能量傳遞模型。系統(tǒng)能量傳遞狀態(tài)如圖2所示。
圖2 機(jī)組能量傳遞狀態(tài)圖
(1)定量泵能量傳遞模型。由圖2可知,定量泵將風(fēng)力機(jī)輸入機(jī)械能特征狀態(tài)矢量[Twωp]T轉(zhuǎn)化為液壓能特征狀態(tài)矢量[phQp]T,由式(2)和式(3)可知,定量泵能量傳遞模型為
(9)
式(9)定性表述了定量泵的能量特征狀態(tài)變換規(guī)律,即從風(fēng)力機(jī)輸入機(jī)械能轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)液壓能的傳遞關(guān)系。
(2)變量馬達(dá)能量傳遞模型。由圖2可知,變量馬達(dá)將液壓能特征狀態(tài)矢量[phQm]T轉(zhuǎn)化為機(jī)械能特征狀態(tài)矢量[Tmωm]T,進(jìn)而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電。由式(4)和式(5)可知,變量馬達(dá)能量傳遞模型為
(10)
式(10)定性表述了變量馬達(dá)的能量特征狀態(tài)變換規(guī)律,即從系統(tǒng)液壓能輸入轉(zhuǎn)化為機(jī)械能輸出的傳遞關(guān)系。
(3)同步發(fā)電機(jī)能量傳遞模型。由圖2可知,同步發(fā)電機(jī)將變量馬達(dá)輸入機(jī)械能特征狀態(tài)矢量[Tmωm]T轉(zhuǎn)化為電能特征狀態(tài)矢量[Pf]T,由式(7)和式(8)可知,同步發(fā)電機(jī)能量傳遞模型為
(11)
式(11)定性表述了同步發(fā)電機(jī)的能量特征狀態(tài)變換規(guī)律,即從變量馬達(dá)機(jī)械能輸入轉(zhuǎn)化為機(jī)組電能輸出的傳遞關(guān)系。
2.3機(jī)組能量耗散分析
由液壓系統(tǒng)能量傳遞模型分析可知,若忽略管路沿程能量損失,定量泵、變量馬達(dá)和發(fā)電機(jī)是機(jī)組能量損耗的關(guān)鍵部件。
下面對(duì)機(jī)組能量消耗進(jìn)行具體分析。系統(tǒng)能量流動(dòng)特性如圖3所示。其中,Pp為定量泵輸出功率,Pp1為定量泵功率損耗,Ph為變量馬達(dá)輸出功率,Pm1為變量馬達(dá)功率損耗,Pg1為發(fā)電機(jī)功率損耗。
圖3 機(jī)組能量流動(dòng)狀態(tài)圖
由圖3機(jī)組能量流動(dòng)狀態(tài)圖可知,風(fēng)力機(jī)輸入能量經(jīng)定量泵-變量馬達(dá)液壓調(diào)速系統(tǒng)傳輸并網(wǎng)發(fā)電過程中,其主要能耗分別為定量泵功率損耗、變量馬達(dá)功率損耗和同步發(fā)電機(jī)功率損耗,具體分析如下:
(1)定量泵功率損耗。風(fēng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)定量泵旋轉(zhuǎn),輸入液壓系統(tǒng)功率為Pw(去除機(jī)械損失部分),而定量泵在實(shí)際工作過程中存在內(nèi)泄、氣穴和油液的彈性壓縮等因素,造成其流量存在一定損耗。由定量泵能量傳遞模型聯(lián)立式(2)、式(3)可得,定量泵功率損耗為
Pp1=phDpωp(1-ηpv)
(12)
式中,ηpv為定量泵容積效率。
(2)變量馬達(dá)功率損耗。變量馬達(dá)在高壓油作用下高速旋轉(zhuǎn),向發(fā)電機(jī)輸入機(jī)械功率Ph(包含機(jī)械損失部分),與定量泵相似,變量馬達(dá)工作過程同樣存在一定的流量損耗。由變量馬達(dá)能量傳遞模型聯(lián)立式(4)和式(5)可得,變量馬達(dá)功率損耗為
Pm1=phKmγωm(1-ηmv)
(13)
式中,ηmv為變量馬達(dá)容積效率。
(3)同步發(fā)電機(jī)功率損耗。變量馬達(dá)輸入到發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率Ph,扣除發(fā)電機(jī)的機(jī)械損耗Pm、鐵損PFe和附件損耗Pad后,通過電磁感應(yīng)作用,機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能,這部分功率稱為電磁功率,忽略定子銅損,發(fā)電機(jī)發(fā)電功率P即為電磁功率。綜上所述,發(fā)電機(jī)功率損耗為
Pg1=Pm+PFe+Pad
(14)
3仿真與實(shí)驗(yàn)研究
以燕山大學(xué)30kV·A液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)驗(yàn)臺(tái)為基礎(chǔ),針對(duì)機(jī)組能量傳遞與耗散問題進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)見圖4,實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)、液壓傳動(dòng)系統(tǒng)和采集與控制系統(tǒng)組成。實(shí)驗(yàn)過程中,采用相似模擬原理,并對(duì)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行模擬補(bǔ)償[7],通過變頻器控制變頻電機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)特性,可對(duì)風(fēng)力機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等進(jìn)行相似模擬。依據(jù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)工作原理,采用MATLAB/Simulink與AMESim 軟件搭建系統(tǒng)仿真平臺(tái)進(jìn)行仿真研究,仿真平臺(tái)如圖5所示,參數(shù)設(shè)定見表1。
(a)液壓系統(tǒng)實(shí)物圖
(b)采集與控制系統(tǒng)實(shí)物圖 圖4 液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
圖5 液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組仿真平臺(tái)
序號(hào)名稱參數(shù)1風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg·m2)4002定量泵輸出排量(mL/r)633變量馬達(dá)最大排量(mL/r)404定量泵轉(zhuǎn)速輸出范圍(r/min)100~10005發(fā)電機(jī)與負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg·m2)0.456變量馬達(dá)恒轉(zhuǎn)速輸出值(r/min)15007發(fā)電機(jī)額定電流(A)43.38發(fā)電機(jī)額定電壓(kV)0.4
對(duì)機(jī)組能量傳遞與耗散進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)研究,得到仿真實(shí)驗(yàn)曲線如圖6所示。
由圖6仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,如圖6a、圖6b所示,風(fēng)力機(jī)(變頻電機(jī))作為機(jī)組能量的源頭,其輸入能量特征狀態(tài)為(450±70)r/min波動(dòng)轉(zhuǎn)速、(140±20)N·m波動(dòng)轉(zhuǎn)矩;由圖6c、圖6d可知,由于定量泵能耗問題,其輸出流量為(30±4)L/min,系統(tǒng)壓力為(12±2)MPa;如圖6f、圖6g所示, 定量泵輸出能量特征狀態(tài)經(jīng)過變量馬達(dá)轉(zhuǎn)化后,變量馬達(dá)輸出到發(fā)電機(jī)的能量特征狀態(tài)為(1500±4)r/min波動(dòng)轉(zhuǎn)速、(30±2)N·m波動(dòng)轉(zhuǎn)矩;如圖6h、圖6i所示,最后同步發(fā)電機(jī)將上述能量狀態(tài)轉(zhuǎn)化為電能并網(wǎng)發(fā)電,具體能量狀態(tài)表現(xiàn)為發(fā)電功率(4.5±0.2)kW,發(fā)電頻率(30±0.2)Hz。
(a)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速 (b)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩(c)定量泵流量
(d)系統(tǒng)壓力 (e)變量馬達(dá)流量(f)變量馬達(dá)轉(zhuǎn)速
(g)液壓轉(zhuǎn)矩 (h)發(fā)電功率(i)發(fā)電頻率 圖6 機(jī)組能量傳遞仿真與實(shí)驗(yàn)圖
綜上所述,風(fēng)力機(jī)能量輸入經(jīng)定量泵、變量馬達(dá)和發(fā)電機(jī)傳遞過程中,其能量特征狀態(tài)發(fā)生改變,同時(shí)在傳遞過程中能量存在一定的耗散。
為進(jìn)一步比較,實(shí)驗(yàn)過程中,設(shè)定風(fēng)力機(jī)輸出能量標(biāo)幺值[12]為100%,對(duì)圖6實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算,并結(jié)合機(jī)組能耗分析,可得能量在傳遞過程中各關(guān)鍵部件的能量輸出,如圖7所示。
圖7 機(jī)組能量耗散圖
由圖7結(jié)果可知,當(dāng)風(fēng)力機(jī)輸出能量為100%時(shí),定量泵輸出能量約為87.6%,變量馬達(dá)輸出能量約為68.8%,最終發(fā)電功率約為65.7%;則在整個(gè)過程中,定量泵能量損耗約為12.4%,變量馬達(dá)能量損耗約為18.8%,發(fā)電機(jī)能量損耗約為3.1%。進(jìn)一步,機(jī)組在能量傳遞過程中存在一定的耗散,主要來源于定量泵-變量馬達(dá)液壓傳動(dòng)系統(tǒng),最終可知機(jī)組能量傳遞的整機(jī)效率約為65.7%。
4結(jié)論
(1)分析了機(jī)組關(guān)鍵部件的能量特征狀態(tài),建立了機(jī)組能量傳遞模型。
(2) 推導(dǎo)了機(jī)組關(guān)鍵部件的能耗數(shù)學(xué)模型,得到了機(jī)組能量耗散規(guī)律。
(3) 仿真和實(shí)驗(yàn)分析表明,機(jī)組在工作過程中,定量泵能量損耗約為12.4%,變量馬達(dá)能量損耗約為18.8%,發(fā)電機(jī)能量損耗約為3.1%,整機(jī)效率約為65.7%。
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(編輯袁興玲)