文摘

这项工作提出了一种流体力学的传输耦合电动交流电动机和直流发电机模拟风力发电涡轮机驱动列车。这个项目的目的是演示和模拟水压的能力变量比例系统在不同风速产生恒定的电力。实验结果表明,该系统可以维持一个恒定电压,当输入速度40%的变异。一篇计算机模拟系统的建成和实验验证显示离散误差不大于12%。仿真和实验结果表明,该电源输出可以监管进一步如果一个能源存储设备是用来吸收电压峰值产生的风速或风向突然变化。

1。介绍

风力发电机的技术有助于可持续能源和低对环境的影响。然而,一些当前风电产业面临的挑战是安装和维护成本高和可靠性问题(1- - - - - -4]。能够降低风力发电能源的成本在一般情况下,风电产业必须投入资源发展风力发电技术,降低总成本的产生能量。这个可以做如果风能涡轮机操作有效地在更广泛的风速范围,同时保持最佳发电机轴的速度,这样他们就可以产生更多的电力无论风速。对汽轮机的可靠性有很大影响,当主要组件的风能涡轮机变速箱或发电机失败,因为这将创建一个扩展平均修复时间(MTTR) [4- - - - - -6]。因此,减少故障和维护这些主要组件降低了风力涡轮机的操作成本,进而降低了能量本身的成本。

的功率系数在(1)是一个参数用于测量所捕获的风能涡轮机的效率;这个系数代表的比例的机械功率输出风轮机的功率输入。

涡轮气动效率和吗和是发电机效率和变速箱效率,分别为(7]。的最大理论可以实现的是59%;这种情况,这是来自流体力学原则被称为贝茨限制(7]。这一限制的直接后果是,不超过59%的可用功率可以捕获在风中。

的速度比(见(2)参数用于定义叶片的切向速度之间的比例和风速。在图所示的家族的阴谋1说明了涡轮的影响比功率系数不同螺距角相同的叶片。 在哪里叶片的转速,R风力涡轮机的半径,V是风的速度。随着风速的变化,叶片的螺旋角需要调整在最佳操作。不可避免的是,当风速的变化,发电机的轴速度也因为转子的轴变化直接(直接驱动)或间接(变速箱)耦合发电机的轴。这意味着发电机产生电力在可变频率需要条件使用电力电子匹配常数电网的频率标准。使用这种方法的挑战是增加了复杂性,成本、重量和大小的风力涡轮机组件和它降低了它的效率和可靠性。此外,目前最常见的发电机操作更有效地在额定轴转速恒定,这通常是一个值在1800年和2200年之间RPM。尤其如此,因为磁场感应发电机,但它也影响永磁电机,因为数量的功率产生正比于输入轴速度。

各种研究‎(9- - - - - -15]提出了使用水动力、液压或机械无级变速传输(CVT)而不是使用固定或变速齿轮箱;的目标将CVT更换变速箱是改善整个风力发电机的可靠性,减少短舱组件的重量,减少停机时间,并显著降低安装和操作的成本。电力电子系统的使用用于转换电网的电动发电机的输出是已知‎(11),以减少捕获的风能在93 - 94%之间的风速范围6 - 11米/秒。

当取代固定比率机械变速箱或风力发电的电力电子系统与CVT传动系,整体涡轮的效率将会提高,因为发电机的轴将其最佳速度,同时保持一个理想的速度比实现最大的功率系数(7]。而液压液压传动将引入一个功率损失大约86 - 93%的总体效率,成本,可靠性和维护实现这个解决方案的好处抵消了~ 1 - 12%损失的能量效率。

静液压传动装置将这个项目,因为它的重点是技术已经被证明是可靠和成本效益。此外,液压变速器允许小说和灵活的设计发电机放置在地板水平更容易,成本更低,更安全的维护。静液压传动装置是一个变速旋转驱动,由一个或多个容积式液压泵连接到一个或多个容积式液压马达。静液压传动装置的主要功能是将机械能转换为液压动力(压力和流量)和传输后通过管道或软管将它转换成机械功率在一个应用程序中使用。静液压传动装置安装固定或变量位移(流)泵和固定或可变排量电动机允许输出轴近恒功率速度不同,类似于要求风力发电涡轮机。

通过Thul et al .‎(9)提供理论证据表明这些类型的传输会抑制冲动从狂风创建大转矩和动荡,从而降低发电机的轴承负荷,因此增加他们的生活。初步仿真结果从Thul et al .‎9和杨et al .‎12]表明,装有音高的风力涡轮机可以无级变速传动系统控制或操作在一个最优功率系数甚至削减速度接近速度(最低操作速度);这将允许从风中获取更多的能量在这些低速度和获取更多的权力在发电机的额定转速。

使用液压变速器的主要挑战风力发电是缺乏泵和马达可以匹配当前中等规模的电力需求(250 kW到750 kW)和大型风力涡轮机(750千瓦以上);大部分的大位移泵额定不到250千瓦。研究人员调查的使用水压传输风能使用有三个办法:复发()限制了不到250千瓦风力发电能力‎(9),()使用多个泵和不止一个电机来满足流量需求大的风力涡轮机‎(11),()设计液压变速器实验大排量泵。风力发电涡轮机大于150千瓦通常装有三相交流电(AC)发电机在690 V;然后发送到当前变压器增加几千伏特的电压高达30000伏,使它在高压输电线路‎(16]。

这个项目的目的是设计,构建,和测试一个小规模实验台系统的灵活性来模拟不同的风速资料。同时,主要目标是集成测量控制算法和演示一个变量比例液压传动。

模拟器的设计包含两个相关联的字段:液压和电气系统。第一个系统是参与传播的机械能从风力涡轮机到发电机使用液压传动。第二个系统,负责控制系统的不同的齿轮传动比保持恒压输出并调整模拟风速。

2。理论方法

这项研究部分主要关注权力通过系统的流动,因为它是描绘在图2。权力的大小可用在风中量化使用表达式在吗 在哪里空气的密度在风力涡轮机的高度位置,横向区域是被通过的风,在这种情况下该地区被刀片旋转,然后呢是风的速度。

从风力涡轮机的功率提取(),它是在背景部分提到的,使用功率系数计算使用(3):

汽轮机的功率提取等于轴上的权力,如果假定为刚性转子(无扭转)。

然后,刚性轴的机械功率由静压转换成液压动力泵。

和液压动力被定义为

泵的总效率()之间的产品体积()和机械()泵的效率。水力机械的体积效率之间的比率被定义为真正的生产和流动理论流。与此同时,机械效率等于实际转矩之间的比例和所需的理论转矩驱动泵。水力机械位移和吗轴转速的RPM。

液由泵加压后,它由软管输送到液压马达的功率转换回机械功率和发电机轴耦合。

总效率的情况下液压马达与泵;体积之间的总效率是相同的产品和机械效率。表达的容积效率是相同的方式;区别在于机械效率;表达式是相反的。 在哪里对应于理想的液压机器的轴扭矩和转速。电力发电机轴上表达了以下方程。

最后,能量从机械能转化为电能的发电机使用电磁理论。

3所示。材料和方法

3.1。风速

风力发电涡轮机产生的旋转能量在风中动能成正比。模拟器代替风力涡轮机的一条小溪克朗普顿美洲,三相,60赫兹,NEMA 56电动马达(BF4N.33-2)。风的动能的变化模拟的包容Teco Westhinghouse电力逆变器(jnev - 101 h1)。电力逆变器不同电机电线从0赫兹的频率的名义价值60 Hz,比例影响电动机的转动轴转速之间大约0到1800 rpm。这些值的频率被认为是线性正比于输入风速,在0赫兹与风速和60 Hz的最大允许风速与小型风力涡轮机(< 50 kW)大约15米/秒。

3.2。液压系统

电机耦合到一个10.3 cc /转速可变排量泵(Hydro-Gear PG-1HCC-DL1X)。这是第一个组件的液压传动,电转换的机械功率电动机为液压动力。然后传送到一个固定的液压动力位移液压齿轮马达(双液压,MFG 2),将液压能转换回机械能。液压马达是耦合的永磁发电机(GS电气,b4cpm - 102 t),将机械能转换为电能。

可变排量液压泵控制的能量传输到液压马达通过调节挡板的角度,因此调整容积流量由泵。不管产生的机械能的电动马达,液压动力传递到液压马达是维护一个近似恒功率调整。挡板的调节实现的线性致动器连接到泵耳的手臂。模拟器调节角度根据所需的电能输出的直流发电机。发电机的轴的转动产生电流与转速成比例,进而整流成直流信号(图3)。

3.3。控制

风速模拟通过调整三相电动机的驱动频率。可以调整频率范围从0到60赫兹。实际转速取决于转子的机械负载应用。风剖面测试中描述部分5。

使用EI的驱动频率控制。频率可以使用手动调节旋钮或通过一个模拟信号在一个预定义的EI的输入端口。方便使用一个模拟信号来控制频率依赖于实现一个自动系统的能力,以编程方式更改后的频率给定模式或数据集。这个特性允许系统模拟风速剖面。

机械电机和液压泵之间的耦合是通过使用颚式联轴器。这些耦合包括金属中心之间的弹性体插入。插入的非金属弹性体创造机会的地方接近传感器(艾伦-布拉德利872 c-d3nn12-d4)测量转速。转子的一场革命是衡量牙齿感觉的数量。三颗牙中心,一个完整的革命发生在六个牙齿感觉。

转子的转动位移并进入液压流量和压力变量液压泵。这个变量系统的能力是至关重要的。通过调整流,能量传导的发电机可以控制,因此保持输出电压恒定风速的独立。

变量液压泵的流量是通过调节挡板的角度。挡板是附加到耳轴臂可以外部操纵控制流。线性致动器连接到耳的手臂。致动器的位移方向和运动速度是由电力驱动程序连接到个人电脑。

液压泵是通过液压软管连接到液压马达。流量计和压力传感器测量这两个参数在一个连接的软管泵的电机。由于液压系统的本质,可以只指向一个方向流动。

液压马达然后转移能量电动发电机。机械耦合是通过一个下巴类型耦合,转速的测量使用霍尔效应传感器(樱桃、MP1005)。

发电机产生的永久磁铁励磁磁场诱导电流在静止的线圈所必需的。此外,整流电路从线圈产生的交流电压转换成直流信号测量使用电压表(天马,72 - 7735)。图4显示了一个硬件组件的示意图表示。

3.4。仪表和控制算法

仪器包括两个霍尔效应传感器、流量计、压力传感器。这些信号都感觉到使用数据采集卡采集(NI usb - 6221)连接到个人电脑。万用表是直接连接到个人电脑通过串口。

两个输出信号控制系统,驱动频率在EI,液压泵的流量。频率调整生成的一个模拟信号采集卡,而流量控制通过调整线性致动器连接到耳轴的长度的液压泵。

控制算法是一个状态机架构。系统中每个状态对应于一个特定活动呈现在图5。系统通过设置启动马达驱动器所需的频率。这个频率对应于一个特定的模拟风速。然后,不同的变量测量系统:选择频率,每分钟转数(RPM)电机驱动,在发电机转速,液压流量,在可变排量泵的出口压力,致动器位置,电动马达和电压。

可变排量液压泵的控制是通过调节挡板使用线性致动器。比例控制命令执行机构的调整冲程长度,减少或增加。调整执行,直到信号误差达到±0.5 V直流发电机所需的输出电压。

4所示。系统描述

4.1。硬件描述

系统特征来识别其操作范围:频率和直流输出电压。第一系列测试变量挡板的角度保持不变,从最大流量的25%,增加25%的步骤,高达100%的位移。残疾人控制系统和电气负载是电压表。图6显示了多项式适合的电压采集数据;安装数据所示,清晰地描述趋势在不同泵频率位移值。这个图,可以看出,在25%泵位移系统可以产生最多22 V。最大输出电压随旋转斜盘角度,52 V。重要的是要注意,增加旋转斜盘角度并不一定意味着达到一个更高的输出电压。可以观察到这种情况时,角是100%。电压类似路径按75%;然而在20 V电压下降随着频率的增加。这可以解释,因为能力降低(位移)的液压马达泵。由于其规模较小,电机不能承认泵输出的100%; this creates an increase in the system pressure that in turn dampens the hydraulic pump, reducing the speed of the rotor. Hence, a hydraulic motor with a larger input capacity can produce a larger output voltage.

由于硬件限制,它是决定操作系统的最大输出电压48 V输入电动机的避免经济过热时,阻尼增加液压泵。第二组测试研究的性能在不同的输出电压控制。1.5赫兹的频率减少每种情况下稳步从58赫兹,电动机停止转动的转子阻尼。从图7可以看出,有一个最低电压,可以生成任何给定的频率,它遵循下列方程。 在哪里代表了最小直流电压和是发电机在赫兹的频率。

评估控制器的性能,24 V输出电压设定值是固定的,而输入频率不一35 - 58赫兹每隔60年代,如图8。在所有的情况下,电负载的直流发电机是电压表10米输入阻抗。

数据9和10提供一个详细的测试视图输入频率增加和减少的时候,分别。后的频率变化,输出电压增加其误差相对于点。几秒钟后,系统调整流减少这种误差±0.5 V的最大误差乐队。

之前的测试是重复减少频率变化时,之间的时间间隔的时间从60年代到1.5年代。图11显示了标准误差区间减少偏差。误差随时间减少;系统变得不稳定。以更高的利率的变化,系统不能维持电压相同的速度设置为频率。

4.2。系统的计算模型

硬件的计算模型建立了使用Matlab仿真软件。在前一节中给出的系统描述是用来模拟试验台的液压和电气系统。图12显示模型的全面实施。仿真包括所有的液压元件,直流发电机、控制器和直流线性致动器。所有这些模型都是通过实验数据的验证和总结在表1。

5。结果与讨论

的风速剖面获得真正的风力涡轮机是用来评估系统。图中所示的数据13代表风测量获得的24小时,每小时一个数据点。数据点被用于加权估计跨度从32赫兹到58赫兹表示风速在0.4和17.2米/秒之间。这些频率被用来驱动电动机有效风速模拟变量。

最初的测试评估系统的响应模拟风被改变了。在第一个测试没有控制启用。发电机是连接到一个24 V齿轮电动机模拟一个恒定的负载。齿轮马达估计消耗一个近似6 W的权力。本次测试的结果在图所示13。变量液压泵在开始调整测试生成24 V 47赫兹。发电机的电压遵循相同的路径作为电动机的驱动频率,如预期。这种情况下代表一个修复齿轮传动比传动系,在发动机舱和发电机之间的联系是固定的。这意味着权力从风中捕获的数量减少时,风速低于额定风速。然而,如果风速高于票面价值,涡轮的气动效率降低,以适应最优发电机的速度。在一定的高风速高于切断速度发动机舱重新定位,使涡轮旋转转速较低。发电机的输出如图13表明不良的可变电压输出得到速度变量的风;这个系统将是低效的,因为生成的电力需要纠正和规范使用电子应用程序。

使用禁用的计算模型进行了测试控制器。比较实验数据和仿真如图14。模拟密切跟踪实验结果准确性低至12.5%在最坏的情况下在29伏直流。动态仿真能够复制输入信号没有明显的时间延迟。

在接下来的实验中,控制是启用和执行的测试是在相同条件下描述第一实验。它可以观察到在图15系统自动调整本身保持一个常数24 V尽管输入频率。过激的时可以观察到频率变化明显;然而,内电压返回到设定值和平均15秒。如果液压蓄能器这些过激的可以减少或另一个能源存储设备被添加到系统中。液压蓄能器是一个能量捕获液压装置,通过存储加压流体容器;压力容器将增加其压力流体推入蓄电池。同样的加压时释放能量是流体是船撤离。累加器包含一个毒气室,允许等体积的变化,当加压流体冲到蓄电池,毒气室被压缩,因此储存能量的形式加压气体。

结果Dutta et al。‎17]显示估计有4.1%增加能源生产在50千瓦汽轮机通过添加一个60 lt。蓄电池。他们还透露如何受吸收发电电压峰值和滴通过添加这样的液压元件。

情节在图16显示了模拟和实验的比较行为的直流电压发生器控制器时启用。仿真结果表明较低的过冲(风速)频率改变时,这意味着模拟系统并没有完全抓住了物理系统的动态影响。情况有一些漂移从观察所需的电压值为该地区较低的风速记录在1100年代和1200年代之间。这意味着模拟控制器无法调整角度的旋转斜盘泵保持24伏直流电输出频率低于36赫兹。另一方面,实验结果还表明,实验控制器使用并不能够有效地维护所需的输出达到或者低于这个模拟的速度对应大约14.96 m / s。

6。结论

系统能够模拟小型风力发电涡轮传动系配备一个无级变速传动是建立和测试在实验室条件。这个系统被证明有效地维持电力输出常数尽管在发动机舱的输入条件,即流体力学的解决方案保持发电机的转速恒定不论模拟风速。简单的控制策略用于维护直流发电机的输出电压被证明是一个可以接受的方法来改善风力发电涡轮机代速度高于15米/秒的小型风力发电机(10 - 100 kW)。新控制策略将在测试设置中实现一种改进的风速范围和动态行为。最后,实验结果表明,添加一个能源存储设备可以是一个有效和廉价的方法来吸收电压过冲突然由阵风和风向的变化。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。