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基于变量泵控定量马达的风力发电系统建模仿真与试验研究

更新时间:2009-03-28

风能取之不尽用之不竭,是一种清洁的可再生能源。随着化石燃料能源的日益枯竭,人们的环境保护意识逐渐加强,世界各国都正加紧开发和利用风能。世界风力发电的装机容量随之迅速增长,近年年均增长可达30%[1]。我国可开发的陆地和海洋风能资源大约分别为253 GW和750 GW。年平均风速达6 m/s以上的内陆地区约占全国总面积的1%,仅次于美国和俄罗斯,居世界第三位[2]。但目前我国风力发电装置还存在以下缺点:(1)风速不稳定问题;(2)以变频技术作为主流变速恒频发电技术带来的问题;(3)风力发电装置大部分部件的安装位置带来的问题[3]。变速恒频技术作为风力发电行业的主流技术,其电力电子变流器(安装在发电机和电网之间)的制作成本相对较高,这也是该技术的缺点所在。

随着液压技术的发展,泵控马达系统的应用技术越来越成熟,应用范围也越来越广泛[4-5]。按照液压泵和马达调速方式的不同,可分为以下三种类型:(1)变量泵-定量马达式调速系统;(2)定量泵-变量马达式调速系统;(3)变量泵-变量马达式调速系统。其中,变量泵-定量马达式调速系统通过调节变量机构的移距来改变泵的排量,进而实现对马达转速的控制。同时,变量泵作为液压系统的动力源,具有输入功率和输出功率相匹配、高效节能的特点,因此,被广泛应用于工程机械等领域[6]。此外,针对变量泵-定量马达液压容积调速,本文建立适当的数学建模,进而完成相应的优化研究和参考影响分析,为系统的设计和应用提供了理论依据,具有实际指导意义[7]。本文设计了一套变量泵-定量马达液压恒速系统,在该系统中,除风轮机和液压泵安装在塔上外,其余部分均安装在地面,以便维修。塔上安装的液压泵将吸收风轮机的风能转变为稳定的液压能,可为马达供油。同时,本文提出变量泵直接调速和比例调速阀旁路微调速的复合调速方法,使马达在1 500 r/min左右的转速下仍可稳定工作,发电机与马达同步转动,进而产出50 Hz的工频电。

1 变量泵控定量马达恒速系统原理

液压系统原理图如图1所示。液压系统主要由变量泵、定量马达、电磁溢流阀、比例调速阀及其它液压辅件组成。在主回路中,首先调节变量泵的变量机构来改变排量,将机械能转变为稳定的液压能后,再经过比例调速阀进行旁路调节。作为安全阀的溢流阀控制进入定量马达的油压,使马达进油口压力稳定。

由于系统流量大,故液压系统采用封闭式液压回路。在回路中,液压泵、液压马达以及实现不同功能的各种控制阀都可能存在泄漏,又因为液压泵的自吸能力较差,故本系统增设补油系统以便补充油量。

现阶段教育部提出大学英语教学向ESP教学转型,我国高校ESP教学应如何定位?ESP课程和专业英语教学课程如何兼容?现行的EGP(English for General Purposes/基础英语教学)是否应该取消?特别是各类ESP教学是语言教学还是专业知识教学,或是两者的结合?这些问题众说纷纭,有学者认为我国ESP教学应向ESAP(English for Specific Academic Purposes)发展,还有学者认为大学英语应直接由ESP教学代替,主张在大学新生入学开始就进行专项ESP英语。课程定位是高校进一步开展ESP教学需首要解决的问题,需要有明晰的认识。

Uq——变量泵变排量机构的控制电压;

  

图1 液压系统原理图1-吸油滤油器;2-补油泵;3-电磁溢流阀;4-回油滤油器;5-压力表;6-单向阀;7-变量泵;8-风轮机;9-球阀;10-蓄能器;11-高压滤油器;12-压力传感器;13-压力表;14-发电机;15-定量马达;16-电磁溢流阀;17-比例调速阀;18-压力传感器;19-压力表;20-柱塞缸;21-两位四通阀;22-电池溢流阀;23-回油滤油器;24-变量机构泵;25-吸油滤油器;26-液位计;27-油温计;28-油箱。

2 变量泵的数学建模

变量泵的数学模型分为变量泵调节系统数学模型和变量泵数学模型。以四通阀控制液压缸位置作为变量泵变量系统的控制方法,变量泵的变量系统移距通过液压缸控制,从而实现对变量泵排量的控制。

(1)变量泵变排量系统的数学模型

有了现代汉语中这种框架构式的存在,为网络用语“我了(嘞)个去”等提供了产生和生长的温床。“洗澡”“理发”是一个离合词,他的拆分和重新整合是广为人接受的,而“我了(嘞)个去”是不合实际的,这就导致了本来熟悉的词法和语素变得陌生。这种没有语法基础和逻辑基础的套用在网络这个平台上,以其受众追求新奇的心态下使得其临时成立。

2)建立了截割头空间位置与截割臂摆动角度之间数学模型和油缸行程与截割头摆动角度之间的数学模型,通过上述模型,运用油缸行程传感器就可以得出截割头的空间位姿。

根据变量泵变排量系统的特性,泵的斜盘为一个大惯量部件,所以将泵的变排量控制系统转化为一个一阶系统。泵的排量和控制电压的关系为

结婚五周年纪念日,原本他们计划好要去补度蜜月,丁小慧没有等许诺,一个人去了。那个小海岛在南太平洋上,是被誉为一生中一定要带最爱的人来一次的地方。每到傍晚时分,就有人仿照当地土著的风俗举行婚礼,伴随着节奏感强烈的鼓点声,人们又唱又跳的,向两位新人祝贺,那场景热烈又浪漫。只是,身边没有许诺,只能让她更加感伤。

工作队不定期组织全村范围的扶贫政策宣讲会,不仅有汉语宣讲,还有佤语宣讲,有时则通过文艺表演的形式,向村民宣传和解释国家的扶贫政策和制度,消除村民“等靠要”的思想。

 

(1)

式中 qp——泵的排量;

补油系统是一个小流量的恒压源,补油泵通过单向阀6向低压管道补油,用以补偿系统油液的泄露,同时单向阀6也可以防止低压回路压力过高时油液回流到补油系统。同时补油系统给闭式系统供油,还可以防止出现气穴现象和空气渗入系统,同时也能帮助系统散热。另外,蓄能器10可以消除或减弱系统的压力和流量的脉动给系统稳定性带来的影响。

3.3.1 Western Blotting 检测细胞内 P‐AMPK、P‐mTOR蛋白表达 细胞内AMPK及mTOR通过磷酸化后可转化为活性形式的p‐AMPK及p‐mTOR。通过Western Blotting对细胞内p‐AMPK及p‐mTOR的表达情况进行考察,结果发现,用药后增加细胞内p‐AMPK的表达水平,同时降低p‐mTOR的表达水平,与对照组比较,Met、2‐DG+Met组差异显著(P<0.05、0.01),其中2‐DG+Met组作用更强。结果表明,2‐DG与Met联合应用后能使细胞内能量感受器AMPK活化,同时抑制调控细胞生长与增殖的关键性蛋白激酶mTOR的活化。结果见图5。

(3)小灯泡在额定电压下正常发光,因1V小于额定电压,所以实际功率小于额定功率,灯偏暗;为了使小灯泡正常发光,应增大小灯泡的电压,即减小变阻器的电压,根据分压原理,则滑动变阻器滑片应向右移,即向D移动。

t——时间常数。

(2)变量泵的数学模型

液压马达转矩平衡方程

 

(2)

式中 J——马达负载在马达轴上的转动惯量;

T1——负载力矩;

B——粘性阻尼系数。

流量连续性方程

 

(3)

式中 QP——变量泵输出端流量;

彰显魄力,文旅融合托起文化国际空间。以文旅项目建设托起特色性的国际文化空间。加快推进河西国际文旅港湾、华侨城欢乐滨江、中新生态科技岛文化旅游度假区、莫愁湖公园景观提升等主题型、特色化、品牌性的文化街区、文化场所和文化综合体建设,加快打造有建邺特色的娱乐、休闲、体验、旅游文化成长空间。

qpqm——泵和马达的排量;

并且该控制系统主要目的是通过控制导轨俯仰角α从而控制小球在导轨上的位置x,故可针对系统状态量x和α设置偏差函数:

cpcm——泵和马达的泄漏系数;

k——油液体积弹性模量;

p——油腔压力;

v——油腔总容积。

建立系统数学模型,将上述(2)、(3)式进行拉氏变换,所得方框图和格式如下

qmp(s)=(Js+B)nm(s)+T1(s)

(4)

 

(5)

  

图2 系统方框图

3 系统动态分析

3.1 马达转速随负载的变换特性

系统的传递函数为

 

(6)

系统传递函数为

外观质量是消费者对于纺织产品的第一印象,也是消费者决定购买与否的重要因素。如果没有良好的外观质量,对于消费者来说该产品的第一印象大打折扣,严重影响消费者的购买欲望。为了保证纺织产品外观质量的稳定性和基本质量,纺织标准对于纺织产品的外观质量有很全面的考核。FZ/T 73044-2012《针织配饰品》和FZ/T 82006-2018《机织配饰品》的外观质量的考核指标对比见表5。

考虑到自然界风力的大小和方向的不可预测性,在仿真过程中,以10 kW风轮机为例,选取风速为3~6 m/s,对应泵的转速为20~40 r/min,考虑到变量泵与风轮机同步转动,故将渐变信号20~40 r/min作为仿真过程中液压泵的输入信号。

 

(7)

本次容积调速系统的固有频率为

 

(8)

3.2 马达转速随泵的排量的变化特性

负号表示马达转速降低,负载转矩升高,

 
 

由于

 

(9)

从上述传递函数看出,其均为振荡环节,且两个二阶系统特征方程中各项系数均为正值,由霍尔维茨判据式可知,运行始终稳定。

kx——变排量系统增益;

近几年,在以创业带动就业的国家战略指导下,上海市促进大学生创业的进程越发加快,其中不乏促进少数民族大学生创业的呼声。然而目前大学生就业形势十分严峻,尤其少数民族大学生就业问题成为重点关注对象之一,拓宽少数民族大学生自主创业渠道是改善大学生就业困难现状的重要解决途径。因此,深入研究了解当代少数民族大学生创业教育现状和问题,分析少数民族大学生创业的影响因素,进一步改进少数民族大学生创业教育发展路径,对于提高少数民族大学生创业综合素质以及实现以创业带动就业的发展战略意义重大。

4 Matlab/Simulink仿真

风速变化的时空模型原则上可用以下四种典型成分来模拟:基本风VWB、阵风VWG、渐变风和噪声风。风在移动过程中,动能变化和势能变化同时存在。在一定的时间和窄间范围内,风速持续变化且随机。为展现系统在现实风场中的真实工作状况,同时捕捉风速的变化特征,较准确地描述风能随机性、间歇性的特点,本文从实际角度出发完成对风速的有效模拟[8-10]

本次容积调速系统的阻尼系数为

  

10kW风机风速/m·s-1输出功率/kW转速/r·min-120.11331.52043.12655.53368.240

3 10 kW风轮机参数

利用MATLAB对液压系统进行动态仿真,进而完成相应分析,方便简单,在实际应用中有着重要的意义[11]

本系统基于前馈的PID控制算法,通过变量机构主调,比例调速阀协助这一方式实现恒速。因发电机要求,马达的转速为1 500 r/min,根据定量马达规格参数和流量连续性方程,求出变量泵输出端流量QP,并作为设定值。在变量泵输出端检测出泵输出端流量,通过控制器比较,得出泵转速变化ΔQP,ΔQP经PID运算作用于变量泵的变量机构,对流入马达的流量进行粗调。马达转速基本稳定后,通过比例调速阀完成微调,从而使马达转速稳定在1 500 r/min。

变量泵-定量马达液压恒速系统的控制原理图如图4所示。

  

图4 控制系统原理图

普通比例-积分-微分(PID)控制器控制的算法结构简单,适用于线性控制系统[12]。如图5所示。

对系统进行仿真结果如图6所示。

  

图6 仿真结果

  

图5 系统仿真模型

由图6仿真结果得出,外界风速发生变化时,马达转速为1 500 r/min,波动范围在±15 r/min,可以稳定工作,满足发电机高品质发电要求。

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对里程桩号K1+12~K2+62段使用TGP 206A超前地质预报处理软件处理原始地震波三分量原始数据(图2)后得到同侧地震波绕射偏移图(图3)和同侧地震波反射界面图(图4)。

5 系统运行试验

本系统以电机代替风轮机,利用变频器改变电机输入频率来模拟风速,变频器的输入频率在20~40 Hz之间循环变化。以10 kW风轮机为例,相当于风速在3~6 m/s。经二级减速器传动后,泵的转速范围在20~40 r/min。变频器频率变化曲线如图7所示。

  

图7 变频器频率变化曲线

5.1 空载试验

调速阀流量的初始值为1 L/min,泵转速在20~40 r/min变化,空载时马达转速变化曲线如图8所示。

  

图8 空载时马达的转速变化曲线

由图8中马达转速反馈曲线和显示数据可知,系统运行稳定后,空载情况下马达转速基本稳定在1 500 r/min,波动范围在±15 r以内。

5.2 有载试验

泵转速在20~30 r/min变化时,系统加载10 kW,变量马达转速变化曲线如图9所示。

  

图9 加载时变量马达转速变化曲线

由图9中马达转速反馈曲线和显示数据可知,当加载10 kW发电机且系统运行稳定后,马达转速无波动下滑现象,基本稳定在1 500 r/min,波动范围在±15 r以内。

6 结束语

针对当今主流风力发电系统的不足,本文提出了一种新型变量泵控定量马达的风力发电系统。本系统的优点为:(1)除泵外,其它机构均在地面安装,既降低风力发电系统的重心,又增加了系统运行的稳定性,同时利于维护;(2)液压元器件成本相对低廉,弥补了现如今主流风力发电技术中,电力电子交流器价格昂贵的不足;(3)液压传动可以实现无极调速,并且油液可以吸收冲击,使其运行平稳。同时可以实现快速启动、快速制动。对于自动控制、远距离控制和过载保护等技术也易于实现。

系统采用的调速方法是主调变量泵变量机构,比例调速阀从旁协助的复合调速方法和PID控制算法对马达转速进行闭环控制,马达的转速作为反馈量,对系统建立数学模型,运用Matlab/Simulink进行了仿真研究,并对系统进行了运行试验。仿真和试验结果均表明,当风速变化时,马达的转速可以维持在1 500 r/min,波动范围在±15 r以内,相信对系统进一步的优化后,可以实现高品质发电。

参考文献

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[3]唐学用,叶航超,万会江,等.风电机组不同控制模式下SVC在改善电网电压质量中的应用[J].电网与清洁能源,2016,32(10):128-136.

[4]李帅.泵控马达闭式调速系统特性研究[D].杭州:浙江大学,2010:1-3.

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[12]王建国,周燕飞.泵控马达系统的模糊PID控制与仿真[J].机械设计与制造工程,2015(11):44-47.

 
杨振宇,马训鸣,崔建鑫
《节能技术》 2018年第02期
《节能技术》2018年第02期文献

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