兆瓦级风力机节能型电-液复合变桨距系统的设计与仿真研究

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Design and Simulation Study of Energy-saving Electro-hydraulic CompositePitch Control System for Megawatt-class W ind TurbineLIU Junlong ，DAI Jinghui ，Lv Fengchi ，LI Yang ，ZHAO Jinbao ，JIANG Jihai(1.School of Mechatronical Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin Heilongjiang 150080，China；2.Energy and Architectural Engineering Institute，Harbin Commercial University，HarbinHeilongjiang 150028，China；3.Institute of Light Industand Food，South China University ofTechnology，Guangzhou Guangdong 5 1 0640，China)Abstract：Aimed at the existing problem of present electric pitch control system and hydraulic pitch control system，by combi-ning the direct drive volume control electro-hydraulic servo technique and wind turbine pitch control system，a new kind of energy·sav-ing electro-hydraulic composite pitch control system was proposed.By taking the 1.5 mega-wat wind turbine as an example.its pitchcontrol system design，parts selection and Simulink Simulation were accomplished.The possibility of the application of this energy-sav-ing electro-hydraulic composite pitch control system on high-power wind turbines was analyzed。

Keywords：Wind power generation；Pitch control；Direct drive volume control1 风力发电机变桨距系统简介随着全球性的化石燃料能源危机愈演愈烈，各国都在寻找可再生、对环境友好的新型能源。风能作为- 种可再生能源储量极其丰富。随着风力发电技术的不断发展，近10年来其成本快速下降，Et趋接近燃煤发电的成本，因此风力发电受到了世界各国的高度重视 。

1.1 风力发 电机组风力发电机组 (以下简称风力机)按照功率调节方式可分为定桨距型和变桨距型风力机。大功率的风力发电机组在应用时越来越倾向于使用变桨距功率调节。根据执行机构的不同，目前的变桨距系统-般分为电动变桨距系统和液压变桨距系统两种。

电动变桨距系统通过传感器检测桨叶桨距角，同时将风速反馈至控制器，控制伺服电动机实现动作，完成实时对桨叶桨距角的控制。电动变桨距系统有叶片角度控制精度高、受气候因素影响较孝对变桨控制回路设计要求相对简单等优 ，但也有体积大、造价贵、电动变桨轴承需要高要求润滑与高精度的安装等不足。

常见的液压变桨距系统是-个典型的伺服阀控制液压缸系统，液压变桨距系统执行机构简图见图 1。阀控缸液压变桨距系统的优点有力质比大、刚度大、频响较高-z ，但也有着突出的缺点，如电液伺图 1 液压变桨距系统执行机构简图收稿 日期 ：2012-08-27基金项目：国家自然科学青年基金项 目 (51108143)；哈尔滨市科技创新人才研究专项资金项目 (2011RFXXG007)作者简介：刘军龙 (1979-)，男，博士 (后)，研究方向为液压节能技术。通信作者：姜继海，E-mail：jjhlxw###hit.edu.ca o- 2· 机床与液压 第 41卷服阀价格昂贵、对油液污染特别敏感、油液温升大、能源利用率低等。

通过以上分析可知，现有的两类变桨距系统都存在-定不足，阻碍了其在大功率发电机组中的应用。

作者结合两类变桨距系统的优缺点，针对水平轴式独立变桨距风力机，提出了-种节能型的电-液复合变桨距系统，其适合应用于大功率风力发电机组。

1.2 节能型电-液复合变桨距系统该系统原理上采用电-液复合系统，即直接驱动式容积控制(Direct Drive Volume Control，简称 直驱式容控”或 DDVC”)电液伺服系统(国外称 直驱式作动器 EHA”)。它具有电动机控制灵活性高和液压系统出力大的双重优点，目前，该类系统已在多个领域的装置上得到应用，取得了很大的经济效益 。

l 2 3 4 5 6 71-伺服 电机 2-联轴器 3-双向定量泵 4-补油阀5-油箱 6-液压锁 7-液压缸图2 直驱式容控电液伺服系统原理图在图2中，由伺服电动机1通过联轴器2直接驱动定量泵3推动液压缸7进行工作。补油阀4为两个液控单向阀，在工作时从油箱5吸油或回油，实现对系统进行补油和溢油，液压锁 6为两个液控单向阀，用于在系统停机时对液压缸7进行锁定，防止出现意外的情况。加人反婪节后系统方框图如图3所示。

输信图3 直驱式容控电液伺服系统方框图将直驱式容控电液伺服技术与风力机变桨距系统结合，用直驱式闭式回路代替传统阀控回路。直驱式系统将交流伺服电机、双向定量液压泵、闭式油罐、补油阀和双向液压互锁阀都装在变桨距油缸上，每台风力发电机组需要这样的3个变桨控制单元。变桨时，只需通过驱动器向交流伺服电机提供信号，通过改变电机转向和转速来控制桨距角的变化和变化量。

这种新型的变桨距系统将体现出自己独特的优点 ：(1)节能效果显著，有效降低风力发电机组生产和维护成本。直驱式容积控制电液伺服装置避免了节流损耗和溢流、卸荷损耗。

(2)提高了系统的寿命和可靠性。直驱式容积控制电液伺服装置的液压泵选用价格低廉、可靠性高的定量泵，对传动介质及过滤要求可适当降低。电动机和液压泵长期在低于额定转速下运行，减少了泵的磨损和系统的噪声，提高了使用寿命和系统可靠性。

(3)系统高度集成性。直驱式系统省去传统液压变桨系统的液压滑环，省去了复杂的油路，并用体积很小的闭式油罐代替油箱，可以减轻风力发电机组整体质量。

2 节能型电-液复合变桨距系统分析与设计查阅相关资料，设定1.5 MW节能型电-液复合变桨距系统实验样机的具体指标如下：(1)双出杆液压缸技术参数：缸径63 mm，活塞杆径 45 mm，有效行程 ±200 mm；(2)正常闭桨时间不超过 15 s，静态精度在0.1。以内；(3)桨叶的最大角速度不超过 l5。/s，即液压缸活塞杆最大速度 100 mm/s。

2.1 变桨距机构运动学分析直驱式容积控制变桨距机构原理如图4所示，将液压缸可伸缩的活塞杆和桨叶简化为由曲柄组成-个曲柄连杆机构。当液压缸活塞杆伸出时，桨距角增大，反之，则减小，即实现变桨的功能。

图4 变桨距机构原理图图4中各个符号定义如下：点 0为桨叶的自转转轴；点A为固定液压缸的铰链；点 为液压缸活塞杆与桨叶的连接铰链；OA距离为 日；OB距离为R；设活塞杆伸出长度z；初始状态，活塞杆完全缩回时AB距离为 ，则任意时刻AB距离为 z，此处称为液压缸有效长度； 为桨距角；Ot为初始位置安装角；图中虚线表示 OB极限位置及点日的轨迹。在分析前，假设此机构各个元件为刚体，忽略弹性形变。

根据国产 1.5 MW 风力机参数，结合相关文献 ，最终确定按变桨距机构1：2的等比例缩小模型进行分析与设计。具体尺寸参数确定如表1所示。

表 1 变桨距机构尺寸表第 15期 刘军龙 等：兆瓦级风力机节能型电 -液复合变桨距系统的设计与仿真研究 ·3·由图4中各参数数学关系，根据三角形余弦定理推导出桨距角卢与液压缸有效长度 Z的关系如下 ：卢 s对式 (1)求导可得桨距角速度卢 与液压缸有效长度 Z的关系如下：(Lm in1)l' (2)对式 (2)求导可得桨距角加速度 ”与液压缸有00 400 500 600 700液压缸有效长度，Inn 瑙援 媒效长度 1的关系如下：习 (Lmin霉1)lit l'2[R -( z) ]( z) l2 1 (3)分别画出桨距角 、角速度 、角加速度 与液压缸有效长度 z的关系曲线如图57所示。其中，z 取液压缸活塞杆最大速度50 mm/s、f 取液压缸活塞杆最大加速度 100 mm/s 。

0.20.2聪图5 桨距角曲线 图6 桨距角速度曲线 图7 桨距角加速度曲线由图5分析可知，在液压缸400 mm行程内，可 示。该方案采用独立变桨距方式，即每片桨叶配备-以实现桨距角 从0。连续变到90。，满足变桨距角度 套变桨距系统及其控制设备。该系统通过采用工业控范围要求；由图6分析可知，在液压缸活塞杆最大速 制计算机对输入信号与反馈信号作差，再经过控制器度取50 mm/s情况下，桨距角速度最大值为14.5。/s， 输出给变频器，变频器驱动伺服电机 1，伺服电机 1从而保证桨叶变桨距速度在所要求的15。/s以内；由 带动定量泵2正反转驱动液压缸8进行工作，保证桨图7分析可知，桨距角加速度范围约为0.14～0.3 叶桨距角在0。～90。之间变化，以适应不同的风速。

rad/s ，满足设计指标要求，同时，为后续动力学分 回路中的两个液控单向阀4-1与4-2用于自动给回析计算提供依据。 路补油，串联于回路中的两个液控单向阀 5-1与2.2 变桨距机构驱动力计算 5-2用于停机时锁死液压缸，防止意外情况下液压缸变桨机构的驱动力是-个非常重要的设计参数， 误动作。并联于回路中的两个溢流阀6-1和6-2则它的大型方向是后续进行液压系统设计及各部件选 起到安全阀作用，即当桨叶遇到特殊情况时系统过型的基本依据。查阅相关文献 ，风力发电机组运行 载，这两个安全阀可以沟通液压缸两腔，从而保护液时，桨叶实际受力情况非常复杂，变桨机构驱动力需 压系统不受高压冲击。压力传感器7-1、7-2用于要克服的负载包括：离心力分量产生的力矩、气动力 测量系统是否长时间超压，以起到保护作用。

产生的力矩、惯性力矩、重力产生的力矩、摩擦产生力矩等。其中，负载力矩主要由离心力分量产生的力矩 和惯性力矩 ；两部分组成。