林腾飞
吉林龙源风力发电有限公司，吉林 长春 130000
摘要：在液压型风力发电机组中，恒频控制主要受风力机输入的波动性以及负载扰动等因素的影响。因此，针对低速定量泵-高速变量马达增速传动闭式回路系统，在恒流源控制基础上，采用PID控制器补偿斜盘摆角方法，并对其主传动控制系统进行仿真和实验分析，达到恒频控制的目的。
关键词：液压增速；传动；风力发电
1 液压风力发电机组
图1为工作原理简图，其结构由风力机模拟系统、低速大扭矩定量泵、变量马达、电励磁同步发电机和补油设备等几部分组成。该系统用变频电机模拟风力机在低风速下转动，带动定量泵输出高压油。在安全阀不作用的情况下，液压油通过高压管路流入马达内部，驱动其内部轴旋转工作。变量马达轴端与同步发电机内部转子直接连接，在高速旋转作用下产生电能。
.png)
由同步发电机并网条件可知，我国电网频率为50 Hz, 考虑产生的电能质量，要求同步发电机的转速频率与电网频率一致，其偏差不超过±0.2 Hz (0.4%),故需要控制发电机转速稳定在(1500±6) r/min。由于系统为闭环控制系统，在安全阀不作用情况下，定量泵输出流量全部流经变量马达，即系统处于恒流源状态。因此，要想保持变量马达转速不变，需要控制变量马达斜盘摆角随着定量泵转速变化。利用定量泵轴上的转速传感器测量出定量泵转速，然后折算出变量马达摆角基准值，该值可通过斜盘摆角控制器调节变量马达排量，使变量马达转速到达1500 r/min附近。但由于风速变化等干扰因素，变量马达转速会存在波动，难以稳定。由于PID 控制器具有方便性、鲁棒性好等特点，能够稳定控制在某一给定值上，故测量变量马达输出转速，与给定的1500 r/min形成偏差值，通过PID控制器(斜盘摆角补偿控制器)输出斜盘摆角补偿值，补偿斜盘摆角基准实现恒转速输出控制。
2 机组数学建模
.png)
3 恒频控制仿真与实验研究
以37 kW液压型风力发电机组实验平台(如图2所示)为基础，探究变量马达稳速输出的影响因素以及恒转速输出的抗干扰性能。
仿真利用AMESim软件建立液压型风力发电机组定量泵-变量马达主传动控制系统模型，通过改变电动机输入转速模拟不同风速，改变负载溢流阀压力模拟负载变化。实验利用变频电机通过减速箱带动低速定量泵转动(模拟低风速输入),然后通过主传动控制系统驱使变量马达高速转动，带动与其直接连接的电励磁同步发电机产生频率稳定的电能。
液压系统主要结构基本参数见表1。
.png)
.png)
2) 不同低速泵转速输入对高速变量马达恒定输出转速的影响分析
仿真和试验时，高速变量马达斜盘摆角基准折算系数和其速度控制闭环PID参数保持不变。给定不同低速泵转速7,8,9 r/min, 如图5所示。分析液压型风力发电机组变量马达转速变化，如图6所示。
.png)
3.2 低速泵波动转速下的变量马达恒转速输出分析
由于实际风速是实时波动的，导致定量泵转速也处于变化状态，因此需要探究波动风速对变量马达恒转速输出的影响，验证转速控制方法的抗干扰性能。
仿真和试验时，给定发电机负载功率保持不变，利用图7a所示定量泵波动转速模拟实际风速变化，得到变量马达输出转速变化如图7b所示。由图可知，在定量泵转速输入变化时，变量马达输出转速会随着定量泵转速输入变化趋势在小范围内波动，其值稳定在(1500±4)r/min内，满足(1500±6)r/min的转速控制要求。可见，在定量泵波动转速下，变量马达转速依然保持在有效范围内，能够实现有效并网发电，其转速控制方法在低风速下抗干扰性能良好。
4 结论
(1) 采用低速定量泵-高速变量马达增速传动闭式回路系统，在恒流源控制基础上，应用PID控制器补偿斜盘摆角方法能够实现液压风力发电机组的恒频控制；
(2) 马达斜盘摆角基准折算系数和不同低速泵转速输入对变量马达恒定输出转速的影响效果不明显；
.png)
图7 低速泵波动转速下变量马达输出转速变化?
(3) 在低速泵的波动转速输入下，恒频控制方法能够有效实现变量马达恒转速输出，满足并网需求，其系统稳定性好，抗干扰性能良好。
参考文献
[1]?郑海，杜伟安，李阳春，等.国内外海上风电发展现状[J].水电与新能源，2018,32(6):75-77.