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風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機(jī)械變頻控制技術(shù)

文檔作者：趙陽陽楊秀敏王森文檔來源： 1．沈陽工程學(xué)院電力學(xué)院 2．沈陽工程學(xué)院自		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年10月10日
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第50卷
2017年
第9期
9月
Vo1．5O．No．9
Seo．2017
風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機(jī)械變頻控制技術(shù)
趙陽陽 ，楊秀敏 ，王 森
(1．沈陽工程學(xué)院電力學(xué)院，沈陽110136；2．沈陽工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院，沈陽110136)
摘要：以風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為研究對(duì)象，提出將金屬帶式無級(jí)變速器用于風(fēng)機(jī)輸出電能的頻率調(diào)節(jié)。給出風(fēng)力發(fā)電系
統(tǒng)的金屬帶式無級(jí)變速器物理模型和調(diào)節(jié)原理；建立相應(yīng)機(jī)械變頻速比模型和控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。完成風(fēng)力發(fā)電機(jī)
械變頻控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。通過實(shí)驗(yàn)分析，風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)輸出頻率為50Hz，證明機(jī)械變頻機(jī)理的正
確性。
關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；機(jī)械變頻；金屬帶；無級(jí)變速；恒頻
中圖分類號(hào)：TM315；TP273 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001—6848(2017)09-0059·04
Control Technology of W ind Power System Based on M echanical
Frequency Conversion
ZHAO Yangyang ，YANG Xiumin ，WANG Sen
(1．School ofElectric Power，Shenyang Institute ofEngineering，Shenyang 110136，China；2．School of
Automation，Shenyang Institute of Engineering，Shenyang 1 10136，China)
Abstract：Taking the wind power system as a research，the metal belt continuous variable transmission
(CVT)was put forward to adjust the power~equency of wind driven generator．The physical model and ad—
justment principle of metal belt CVT in wind power system were given，while both mechanical~equency conversion
speed ratio model and control system mathematical model were established．In mechanical frequency
conversion control system of wind driven generator，the design of hardware and software was finished．Based
on the experimental analysis，the output frequency of wind power system is 48 Hz，which verified the cor—
rectness of mechanical frequency conversion mechanism．
Key words：wind power system；mechanical frequency conversion；metal belt；continuous variable trans—
mission；constant frequency
O 引 言
目前風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量逐年提高，發(fā)展前景廣
闊。由于風(fēng)速不穩(wěn)定，風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電頻率和發(fā)電容
量不定，不利于風(fēng)機(jī)并網(wǎng)。為解決此問題，風(fēng)力發(fā)電
機(jī)系統(tǒng)多采用整流和逆變技術(shù)，以產(chǎn)生工頻交流電。
但電力電子裝置會(huì)產(chǎn)生諧波，給電氣設(shè)備通訊帶來不
利影響，甚至?xí)?dǎo)致設(shè)備絕緣老化和產(chǎn)生諧波損耗。
近年來，機(jī)械無級(jí)變速技術(shù)逐漸成熟，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)
采用該技術(shù)具有發(fā)電頻率穩(wěn)定、無諧波、傳動(dòng)效率高
等優(yōu)點(diǎn)，其中，金屬帶式無級(jí)變速器可實(shí)現(xiàn)連續(xù)傳動(dòng)
比變化，傳動(dòng)效率高且動(dòng)力學(xué)性能良好。
國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)機(jī)械無級(jí)變速器的研究主要集中于
汽車傳動(dòng)領(lǐng)域，研究重點(diǎn)主要在CVT電液控制系統(tǒng)控
制策略上，如cVT液壓非線性補(bǔ)償控制，PID控制和
模糊控制等¨ 。Y．Hasuda等將速比和轉(zhuǎn)速分開分析
和控制，設(shè)計(jì)速比控制的無級(jí)變速器和轉(zhuǎn)矩控制的無
級(jí)變速器 J。W．Ryu、H．Kim等通過研究速比控制的
效率損失，提出改進(jìn)式速比MAP圖，系統(tǒng)效率提高
4．9％ 。Heera Lee、Hyunsoo Kim等提出CVT線壓
力控制策略 4引。程乃士對(duì)CVT電液控制系統(tǒng)進(jìn)行研
究，采用狀態(tài)方程形式建立變速器液壓控制系統(tǒng)的數(shù)
學(xué)模型 J。2001年，周云山將傳動(dòng)比和帶輪夾緊力作
為CVT的控制目標(biāo)，建立液壓控制系統(tǒng)的模糊控制數(shù)
收稿日期：2016—12—23
基金項(xiàng)目：遼寧省教育廳項(xiàng)目(L2015375)
作者簡(jiǎn)介：趙陽陽(1990)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)樘胤N電機(jī)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
作者簡(jiǎn)介：楊秀敏(1963)，女，教授，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c新能源發(fā)電技術(shù)，計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)。
· 6D· |lI I||^ 5O卷
學(xué)模型 7 3。2003年，薛殿倫系統(tǒng)的提出電控系統(tǒng)硬件
構(gòu)成、軟件程序流程及系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，運(yùn)用模糊控制
理論進(jìn)行速比控制，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)
離合器與速比的控制 』。2006年，張友坤設(shè)計(jì)可用作
夾緊力控制閥的數(shù)字調(diào)壓閥，經(jīng)大量的實(shí)驗(yàn)表明，該
數(shù)字調(diào)壓閥的控制精度和可靠性高，能滿足cVT電液
控制系統(tǒng)的要求 J。2007年，周云山把DCM．PID串
級(jí)控制算法應(yīng)用于速比控制，結(jié)果表明該算法能有效
抑制常規(guī)PID速比跟蹤中的波動(dòng)問題，可提高系統(tǒng)的
靜態(tài)性能指標(biāo) 。2008年起，張鐳陸續(xù)發(fā)表CVT控
制模型與控制策略方面的論文，采用比例閥實(shí)現(xiàn)對(duì)錐
盤夾緊力的控制，將節(jié)氣門的模糊識(shí)別與PID控制等
策略應(yīng)用在速比控制系統(tǒng)中¨ 。
本文以金屬帶風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為研究對(duì)象，建立金
屬帶無級(jí)變速器風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)速比模型和控制系統(tǒng)數(shù)
學(xué)模型。完成控制系統(tǒng)硬件原理設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。實(shí)
驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證風(fēng)電系統(tǒng)機(jī)械變頻機(jī)理的正確性。
1 風(fēng)電系統(tǒng)機(jī)械變頻模型
機(jī)械變頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用金屬帶式無級(jí)變速器即
純電子式無級(jí)變速器進(jìn)行電能的頻率控制。金屬帶式無
級(jí)變速器箱體采用鋁合金鑄造而成，在保證機(jī)械強(qiáng)度的
要求下具有很高的功率密度。該金屬帶式無級(jí)變速器使
用椎盤電機(jī)、減速齒輪、螺桿螺母和碟形彈簧代替原液
壓系統(tǒng)，可提高系統(tǒng)效率。金屬帶式無級(jí)變速器主要由
主動(dòng)軸、從動(dòng)軸、碟簧和傳動(dòng)金屬帶構(gòu)成。
金屬帶式無級(jí)變速器機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)系
統(tǒng)傳動(dòng)比穩(wěn)定時(shí)，主動(dòng)動(dòng)椎盤、主動(dòng)定椎盤、金屬
帶、碟簧、從動(dòng)定椎盤和從動(dòng)動(dòng)椎盤達(dá)到力學(xué)平衡。
當(dāng)椎盤電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)時(shí)，平衡被打破，主動(dòng)推盤碟簧
釋放能量，主動(dòng)動(dòng)椎盤左移，主動(dòng)椎盤間距減小，金
屬帶在主動(dòng)錐盤上的節(jié)圓半徑增加，金屬帶在從動(dòng)錐
盤上的節(jié)圓半徑減小，推動(dòng)從動(dòng)動(dòng)錐盤左移，從動(dòng)錐
盤上的碟簧儲(chǔ)能，達(dá)到新的力學(xué)平衡，進(jìn)而使金屬帶
式無級(jí)變速器輸出轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。因此，通過調(diào)整椎盤電
機(jī)即可實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)頻率控制。
圖1 無級(jí)變速器機(jī)械結(jié)構(gòu)原理圖
2 控制系統(tǒng)理論分析
2．1 速比模型
根據(jù)主、從動(dòng)帶輪的節(jié)圓半徑R。 、R。 可確定
金屬帶式無級(jí)變速器的傳動(dòng)速比。當(dāng)從動(dòng)輪達(dá)到最
小節(jié)圓半徑，主動(dòng)輪有最大節(jié)圓半徑，金屬帶式無
級(jí)變速器速比最??；當(dāng)從動(dòng)輪有最大節(jié)圓半徑，主
動(dòng)輪有最小節(jié)圓半徑時(shí)，金屬帶式無級(jí)變速器速比
最大。金屬帶式無級(jí)變速器速比為
=
RND
(1)
根據(jù)變速箱的主體結(jié)構(gòu)，需獲得金屬帶式無級(jí)
變速器輸出軸、輸入軸的轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)傳動(dòng)比，則系
統(tǒng)實(shí)際速比為
b：_r1 (2)
r2
式中，r。為輸入轉(zhuǎn)速；r 為輸出轉(zhuǎn)速；i為減速齒輪
傳動(dòng)比；b為實(shí)際傳動(dòng)比。
2．2 數(shù)學(xué)模型
風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)需在速比范圍內(nèi)控制離合器的位
置，當(dāng)風(fēng)速在速比范圍內(nèi)，離合器接合；當(dāng)風(fēng)速在
速比范圍之外，離合器分開?？煽刂棋F盤相互位置
以控制速比輸出，即控制錐盤電機(jī)完成風(fēng)力發(fā)電機(jī)
恒定頻率的電能輸出。
錐盤電機(jī)始終處于動(dòng)態(tài)運(yùn)行，從最大傳動(dòng)比到
最小傳動(dòng)比(或從最小傳動(dòng)比到最大傳動(dòng)比)的調(diào)速
過程需要一定時(shí)間。此時(shí)主動(dòng)軸動(dòng)錐盤和從動(dòng)軸動(dòng)
錐盤從靜止開始加速，直至運(yùn)動(dòng)到正確位置。主動(dòng)
軸動(dòng)錐盤和從動(dòng)軸動(dòng)錐盤的運(yùn)動(dòng)關(guān)系為
2s1MAs
丁
2 (3)
s2MAx
如 丁
式中，8 s 分別為主、從動(dòng)軸動(dòng)錐盤的最大
位移； 、 分別為主、從動(dòng)軸動(dòng)錐盤的加速度。
滾動(dòng)螺旋的調(diào)速螺母和主動(dòng)軸動(dòng)錐盤的運(yùn)動(dòng)情
況相同，滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)螺桿和螺母的嚙合把旋轉(zhuǎn)運(yùn)
動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)。對(duì)滾動(dòng)螺旋運(yùn)動(dòng)分析可得：
O
—J
gdlm - ㈩
式中，滾動(dòng)螺旋的調(diào)速螺母的角速度和角加速度分
別為09礎(chǔ) ， 鯽 ；滾動(dòng)螺旋的導(dǎo)程為P 。
錐盤電機(jī)軸傳遞運(yùn)動(dòng)經(jīng)過一級(jí)同步帶傳動(dòng)和兩
級(jí)減速齒輪傳動(dòng)，經(jīng)分析可以得出調(diào)速電機(jī)軸的角
9期 趙陽陽等：風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機(jī)械變頻控制技術(shù) ·6J ·
加速度為
： O
‘
)gdlm oi1i2 (5)
式中，同步帶傳動(dòng)的傳動(dòng)比為i。；減速齒輪的傳動(dòng)
比分別為 ；齒輪到調(diào)速螺母的傳動(dòng)比為i ?？蛇M(jìn)
一步推出錐盤電機(jī)軸的角加速度為
： 1 ,0~。
∞ — 1 ‘：2 (6o )
h
3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3．1 硬件設(shè)計(jì)
風(fēng)力發(fā)電機(jī)金屬帶式無級(jí)變速器系統(tǒng)主要由葉
片、增速齒輪、無級(jí)變速器、風(fēng)力發(fā)電機(jī)和升壓變
壓器等組成，如圖2所示。風(fēng)能經(jīng)葉片轉(zhuǎn)化為不穩(wěn)
定的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，經(jīng)過增速齒輪箱升速轉(zhuǎn)化為不穩(wěn)
定的轉(zhuǎn)速，然后輸入到金屬帶式無級(jí)變速器產(chǎn)生恒
定轉(zhuǎn)速，之后由風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生50Hz的交流電，
最后經(jīng)升壓變壓器直接并入電網(wǎng)。
圖2 硬件原理圖
椎盤電機(jī)控制系統(tǒng)完成金屬帶式無級(jí)變速器的
輸入軸轉(zhuǎn)速、椎盤位置、椎盤極限位置、離合器位
置、箱體溫度和油溫等信號(hào)的采集與監(jiān)測(cè)。通過調(diào)
節(jié)電位器電壓，椎盤電機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出控制指令，
通過光耦對(duì)功率驅(qū)動(dòng)電路有效快速控制，完成椎盤
電機(jī)正反轉(zhuǎn)調(diào)速，實(shí)現(xiàn)速比控制。
3．2 軟件設(shè)計(jì)
當(dāng)控制系統(tǒng)完成初始化后，輸入轉(zhuǎn)速傳感器開始
采集輸入轉(zhuǎn)速信號(hào)，同時(shí)，錐盤位置傳感器采集錐盤
位置信號(hào)，系統(tǒng)會(huì)算出即時(shí)輸出轉(zhuǎn)速Ⅳ1，然后與目標(biāo)
轉(zhuǎn)速Ⅳ作比較，當(dāng)Ⅳ 一N>e時(shí)，椎盤電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)
Ⅳ。一N<一e時(shí)，調(diào)速電機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)ⅣI—N>

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