基于Links-RT的数字液压风力机半实物仿真系统设计.pdf

液压气动与密封/2 0 2 4 年第4 期doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2024.04.008基于Links-RT的数字液压风力机半实物仿真系统设计刘增光，张本国，岳大灵，任禄，苏利强（兰州理工大学能源与动力工程学院，甘肃兰州7 3 0 5 0 0)摘要：数字液压风力机可根据风速大小使相应排量液压泵参与工作，使液压风力机在整个工作风速范围内始终保持高效。由于大型风力机不具备开展实验研究的条件，且风力机中的液压系统具有较强的非线性，为了准确研究数字液压风力机多泵切换时系统工作特性的变化规律,提出了一种基于Links-RT的数字液压风力机半实物仿真系统,并对数字液压风力机风轮特性模拟和最大功率跟踪控制进行设计。通过风速阶跃变化、恒定风速时多泵切换、渐变风速多泵切换3 种工况下数字液压风力机工作特性的实时仿真测试,验证了数字液压风力机半实物仿真系统的正确有效性，为数字液压风力机的稳定运行和风能高效利用提供理论依据和技术参考。关键词：数字液压；风力机；多泵切换；快速控制原型中图分类号：TH137(College of Energy and Power Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730500,China)Abstract:The digital hydraulic wind turbine can engage the corresponding displacement hydraulic pump according to the wind speed,so thatthe hydraulic wind turbine can always maintain high efficiency in the whole working wind speed range.Since large wind turbines do not havethe conditions to carry out experimental research and the hydraulic system in wind turbines has strong nonlinearity,a semi-physical simulationsystem based on Links-RT for digital hydraulic wind turbines is proposed in order to accurately study the change law of system operatingcharacteristics when multiple pumps are switched in digital hydraulic wind turbines,and to design the simulation of wind wheel characteristicsand maximum power tracking control for digital hydraulic wind turbines.Through the real-time simulation tests of the operating characteristics ofthe digital hydraulic wind turbine under three operating conditions of step change of wind speed,multi-pump switching at constant wind speedand multi-pump switching at gradual wind speed,the correct validity of the digital hydraulic wind turbine semi-physical simulation system isverified,which provides theoretical basis and technical reference for the stable operation and efficient utilization of the digital hydraulic windturbine.Key words:digital hydraulic;wind turbine;multi-pump switching;rapid control prototype0引言传统液压风力机采用单个定量液压泵驱动单个变量液压马达工作,液压风力机运行在中低风速时,液压泵和液压马达工作状态偏离额定工况，从而导致整个风力机工作效率低下。此外，目前市场上可用于液压风力发电的单个大排量液压泵不能满足兆瓦级风力发收稿日期：2 0 2 3-0 4-2 7基金项目：甘肃省科技重大专项计划(17 ZD2GA010)作者简介：刘增光（19 7 8-），男，山西临猗人，副教授，博士，主要从事数字液压及新能源高效利用液压技术研究。54文献标志码：A文章编号：10 0 8-0 8 13(2 0 2 4)0 4-0 0 5 4-0 7Design of a Digital Hydraulic Wind Turbine Semi-physicalSimulation System Based on Links-RTLIU Zeng-guang,ZHANG Ben-guo,YUE Da-ling,REN Lu,SU Li-qiang电的功率需求。因此,采用多个液压泵/马达组合代替单个液压泵/马达的数字液压传动方式，为液压风力发电技术提供一种新的解决方案。风力机由于体积较大、风电现场环境恶劣、实际构建风力机成本高、风场气候不可控制等诸多问题限制了风力发电系统的研究。为了解决风力机现场实验条件的限制，在实验室构建风力机模拟系统非常重要。国内外对风力机半实物仿真系统实验平台的建设进行了许多探索，美国明尼苏达大学为了研究液压风力机工作特性,设计并搭建了能量再生式液压风力机实验平台，能够在实验室模拟真实风力机状况，对液压风力机压力控制策略进行设计，从而实现液压风力机最大Hydraulics Pneumatics&Seals/No.4.2024限度捕获风能，并通过硬件在环仿真实验验证了液压风轮转速传动系统控制的性能和效率 1-2 。刘航等 3 利用DSP一风速控制器和RT-Lab平台构建了风力机半实物仿真系统，C,（入,）风能利用系数,其中为桨距角,入为叶验证了风力机集群控制方法的有效性。张冬冬等 4 通尖速比，其定义表达式为：过LabVIEW软件搭建了风力机仿真模型,并对双馈风R入力机的运行特性进行了半实物仿真。吴爱华等 5 通过VLabVIEW/PXI平台研究设计了风力机最大功率跟踪快速控制原型系统，通过渐变风速和自然风速的实时仿真,验证了快速控制原型系统设计的正确有效性。与风力机仿真研究相比 6-9),快速控制原型（RCP是一种使用数字化虚拟控制器控制实际对象的半实物仿真技术，在控制回路中接入真实液压系统，能够消除纯数字仿真难以精确建模的问题,与数字仿真结果相比,置信度更高。因此,本研究将基于Links-RT的快速控制原型技术应用于数字液压风力机，在分析数字液压风力机工作原理的基础上，建立了数字液压风力机的数学模型，搭建了数字液压风力机半实物仿真测试实验平台，研究多泵切换时数字液压风力机工作特性变化规律。1数字液压风力机1.1楼数字液压风力机工作原理数字液压风力机思路是应用数字液压技术将风力机中液压泵和液压马达的排量数字化，单个大排量液压泵/马达由多个并行工作，排量按照一定编码方式进行规律组合的液压泵/马达替换，控制开关阀实现其对应的液压泵/马达的工作状态切换，从而实现数字变量输出。图1所示为数字液压风力机工作原理，该系统主要由风轮部分、液压多泵部分以及液压多马达部分组成。风轮部分是风力机的能量转换装置，液压多泵部分是机舱中采用多个不等排量的定量泵与风轮同轴连接，多马达部分由多个定量马达和变量马达组合并置于地面。1.2数字液压风力机数学模型风轮是整个系统的能量捕获装置，对风力机的输出功率与转矩进行数学建模，则有：P.=2pmRnc,(,B)T.=Pw/w式中，P一一风力机输出功率一空气密度R一叶片半径T、一风力机输出转矩(2)OBiB2B39B4PiP2A2A3A4A45B5BMM2图1数字液压风力机原理图由于风轮和多个定量泵同轴相连,所以定量泵转速与风轮转速相等。k；表示每个定量液压泵的工作状态，k;=1时,定量泵处于工作状态;k;=0,定量泵处于“空转”状态。数字液压风力机定量泵输出流量计算公式：D,=Zk,D,(3)Q,=D,o,-CipPh(4)式中，Q一一多台定量泵总流量定量泵的转速D一一一多台定量泵总排量D:一每个定量泵排量Cpp一液压泵组的总泄漏系数Ph一系统压力假设风轮轴上的黏滞力矩和摩擦力矩忽略不计，则风轮和液压泵组的动力学方程为：(1)J.dtdeo:=T,-T,式中，J.一一风轮轴总转动惯量T一一风轮气动转矩T液压泵的总转矩数字液压风力机通过控制开关阀启闭对定量泵的55P3P4A5M3(5)液压气动与密封/2 0 2 4年第4期工作状态进行切换。插装式开关阀开启时通过的流量为：(6)A/P1式中，Ca一流量系数A一一开关阀开口截面积ApI一开关阀两端压降pi一油液密度1.3数字液压风力机控制方法当风力机桨距角保持不变时,风能利用系数C，与叶尖速比入关系如图2 所示，当叶尖速比为最佳值8.1时,风能利用系数达到最大值0.48。风速介于切入风速和额定风速之间时，该区间控制目标为根据风速变化控制风轮转速使风力机始终运行在最佳叶尖速比上，实现最大风能捕获。0.50.40.30.20.1F0图2 风能利用系数与叶尖速比变化曲线为了简化控制系统的设计，采用比例溢流阀模拟数字液压风力机的负载部分，基于最佳叶尖速比控制方法的最大功率跟踪控制原理如图3所示。其控制原理为：通过风速信号计算最佳风轮转速，将其与速度传感器检测到的风轮实际转速进行比较，得到速度偏差经过PID控制器处理，控制比例溢流阀信号实现负载调整，使溢流阀的模拟负载与风力机捕获的风能功率相匹配，实现风力机在最佳风轮转速状态工作。给定风轮转速实际风轮转速风速Pi1图3最大功率跟踪控制原理562数字液压风力机半实物仿真搭建及2验证API2.1数字液压风力机半实物仿真总体结构及原理本研究采用Links-RT半实物仿真系统，系统架构如图4所示,Links-RT系统架构由上位机和下位机两部分组成，其上位机（控制主机）在Windows系统上运行，实现系统模型进行开发/编译、仿真实验运行管理和数据后处理。下位机（即半实物仿真目标机）运行在VxWorks系统上，对仿真模型进行实时解算，并且通过硬件I/O接口与外界实物设备进行数据双向传输。控制主机(Windows)MATLAB/Simulink风轮特性计算CpmaxRTSimPlus状态监视、存储数据实时修改控制参数以太网实时仿真目标机(Vxworks)RT-Engine实时仿真引擎24叶尖速比入PIDP2多泵切换控制器Links-RT软件模块Links-RT硬件模块硬件控制用户实物设备UUT多泵传动液压系统681012CPU总线 模拟 数字传感 定时卡卡量卡量卡器卡器卡图4Links-RT系统架构控制示意图数字液压风力机半实物仿真实验原理如图5所示，主要由风轮特性模拟、半实物仿真目标机、控制主机、多泵传动液压系统组成。多泵传动液压系统由变频电机、双联泵、插装式开关阀、比例溢流阀、单向阀等主要元件组成，采用比例溢流阀模拟负载，插装式开关阀控制液压泵的工作状态。风轮特性模拟模块根据所输入的风速、风力机参数以及采集的风轮转速计算输出功率以及输出转矩。通过控制主机向目标机发送指令输出控制变频器、插装式开关阀和比例溢流阀等元件工作状态的电压信号，并对目标机采集的压力、转速等传感器信号进行1处理，将控制信号以及采集的传感器信号显示在人机交互界面上。半实物目标机功能是对测试系统中各类传感器的信号进行实时采集、接收控制主机的控制信号、运行数字液压风力机多泵切换半实物仿真控制程序。2.2数字液压风力机半实物仿真硬件搭建数字液压风力机硬件部分包括多泵传动液压系统线缆信号转换Hydraulics Pneumatics&Seals/No.4.2024和测控系统。多泵传动液压系统采用2 个定量泵同轴跟踪控制、多泵切换控制、数据采集等功能，信号采集连接,通过对变频电机转矩控制实现风轮特性模拟。和发送采用PCI电机驱动板卡和PCI6259数据采集测控系统用于对多泵传动液压系统的信号采集，并控卡。风轮特性模拟和最大功率跟踪控制模块如图7制液压系统各元件的工作状态。数字液压风力机半实所示物仿真实物如图6 所示，表1列出了半实物仿真实验IinksDspEQepEncoder台主要元件的具体参数。Dir(0/1)EleAngle风轮特性模拟半径Cp(a,p)RP.除以控制主机TPID(S)PIDControllerMeshAngie风转速B2PA桨距角U/PinksDspDacchannel1(v)InksDspDacchannel2(v)optima w2.5州A21/Ai1数学模型R1.225Pchannei3(v)channei4(v)kCpCfu)PP1A3Gain12Link-RTU/WON/OFFU/I图5数字液压风力机半实物仿真实验原理变频电机多泵切换液压回路图7风轮特性模拟和最大功率跟踪控制程序P2通过转速传感器对变频电机转速进行采集，将采集的转速和风力机参数作为风轮特性模拟的输入信号,经过风轮特性计算得出输出转矩,然后将转矩转换为对应的电压信号输入到变频器，实现对变频电机的转矩控制。同时根据当前风速计算出的最佳风轮转速与采集到的变频电机转速比较，得出转速偏差经过PID双联泵控制器处理对比例溢流阀的压力进行控制。压力传感器、流量传感器和温度传感器的信号采集程序如图8 所示，该控制程序能够实现系统各元件参数实时采集。In1Out1模拟量采集Subsystem3开关阀In1Out1溢流阀IinksDspAde半实物目标机控制主机图6 类数字液压风力机半实物仿真实物图表1实验装置主要液压元件明细表设备参数变频电机额定功率/kW定量泵1额定排量/mLr-1定量泵2额定排量/mLr-1压力传感器测量范围/MPa2.3数字液压风力机半实物仿真软件设计根据数字液压风力机半实物仿真系统控制要求完成实验台控制程序设计，实现风轮特性模拟、最大功率K-Ya_L1-K-Subsystem4Ya_L2-K-linksDspAdcWen_duGain1数值图8 传感器信号采集程序5.5基于RTSimPlus软件设计的数字液压风力机半实物仿真系统人机交互界面如图9所示，用于显示数字6液压风力机中的风轮特性参数、变频电机状态、传感器14数据、比例溢流阀压力和开关阀工作状态。162.4楼数字液压风力机半实物仿真验证图10 为风轮半径为2.5m,桨距角为0 时的风轮特性模拟模块计算出的输出转矩曲线。通过表2 数据可以看出,所搭建的风轮特性模拟与实际风力机输出特性基本吻合。57ScopeScope1Scope2Scope7Lu_iangJi液压气动与密封/2 0 2 4年第4期Wind turbine imitation hardware-in-the-loop simulation platformWind Turnbine2.500Radius8.003TipSpeed RadioMotor Control图9基于RTSimPlus 编写的测试系统控制界面25V=4 m/s.-v5 m/s20.-V6 m/s-v=7 m/s1550表2固定风速下风力机输出各项数据风速最佳转速实测转速最佳转矩实测转矩m/sr/min44955618674278663数字液压风力机半实物仿真实验研究3.1阶跃风速时数字液压风力机实验研究以阶跃风速为输入工况，两个液压泵均处于工作状态时数字液压风力机工作特性实验变化曲线如图11所示。图11a显示的是风速曲线,风速在第2 7 2.5s时由5m/s阶跃变化至6 m/s,在第2 8 7 s时风速降低为5m/s。风轮转速变化曲线如图11b所示，风速阶跃时风轮转速能够跟随风速的变化，在风速阶跃变化瞬间，风轮转速出现短暂的超调。叶尖速比曲线如图11c所示，从图中可以看出叶尖速比变化趋势为风速阶跃上587TimeYPlot61-s.u/2.05Wind inputTimeYPlotPressureofreliefvalve0.000PitchAngle0.478CP5900System Power200400图10传感器信号采集程序r/minNm5017.162011.174616.0387021.843RotorSpeed265Data0.000System PressureValve ControlOn-offValvel270TimeYPlotTem.280On-offvalve2600800100012001400转速/rmin-lNm7.2111.1916.1422.2275时间/s(a)风速曲线1000430440015004.6004.700RotorTorque2804800600400265117109807652650.500.480.46S0.440.420.400.382658F6420265图11风速阶跃变化时数字液压风力机工作特性升时,叶尖速比先降低后逐渐稳定在最佳叶尖速比,风速下降时叶尖速比先增大后恢复稳定至8.1。图11d285270275时间/s(b)风轮转速270275时间/s(c)叶尖速比270275时间/s(d)风能利用系数270275时间/s(e)系统压力290280285280285280285WW280285290290290290Hydraulics Pneumatics&Seals/No.4.202420明了所采用的最大功率跟踪控制策略的有效性。由图-开关阀1控制电压开关阀2 控制电压840-480600550500450400350809.59.08.56.07.57.06.5800.500.480.460.440.42803.22.82.42.01.61.280图12恒定风速时多泵切换数字液压风力机工作特性为风能利用系数曲线,在风速阶跃变化时,风能利用系数短时间的降低后迅速恢复至最大风能利用系数,证11e系统压力曲线可以看出,在风速阶跃时系统压力存在压力冲击现象。3.2恒定风速时多泵切换数字液压风力机实验研究风速恒定为5m/s时数字液压风力机进行多泵切换的工作特性变化曲线如图12 所示，液压泵对应的开8590(a)开关阀控制信号8590(b)风轮转速8590(c)叶尖速比18590(d)风能利用系数8590(e)系统压力95时间/s95100105时间/s95100105时间/s95100105时间/s95100105时间/s100105110110110110110115115115115115关阀控制信号如图12 a所示，在8 7 s时液压泵工作状态由双泵运行切换至单泵运行，此时液压泵运行排量由2 0 mL/r切换至14mL/r,107s时液压泵工作状态变为双泵运行，液压泵运行排量切换至2 0 mL/r。图12 b为风轮转速曲线，液压泵切换至单泵运行时,风轮转速突然上升后恢复至最佳风轮转速，单泵切换至双泵运行时，风轮转速先下降后恢复至最佳风轮转速。图12 c显示的是叶尖速比变化曲线，由于风速恒定,叶尖速比与风轮转速变化确实一致。从图12 d中可以看出,进行多泵切换时风能利用系数短暂下降。系统压力变化曲线如图12 e所示，双泵切换至单泵运行时，由于液压泵工作排量减小导致系统压力增大。61-s.u/54398800700600500mdel30098987654399图13渐变风速时多泵切换数字液压风力机工作特性切换点99100时间/s(a)风速曲线99100(b)风轮转速100101(c)系统压力101101102时间/s102103时间/s10210310410310410410510559液压气动与密封/2 0 2 4年第4期由于液压泵排量变化较小，因此多泵切换时系统压力冲击较小。3.3渐变风速时多泵切换数字液压风力机实验研究风速由4 m/s逐渐增加至5 m/s时,液压泵工作排量由6 mL/r切换至14mL/r,风速曲线如图13a所示，根据图13b风轮转速曲线可知，风速增加时，风轮转速逐渐增加,在10 2 s时多泵排量切换风轮转速先降低后恢复至最佳风轮转速，由图13c系统压力曲线可知，系统压力跟随风速变化逐渐增加，多泵排量切换时由于开关阀的启闭特性造成系统压力轻微下降，多泵排量完成切换后系统压力先下降后保持稳定。4结论本研究将多泵并联数字液压技术用于风力发电，概述了数字液压风力机工作原理，对数字液压风力机主要元件进行数学建模，应用Links-RT半实物系统设计了一种数字液压风力机的半实物仿真实验台。在此基础上，研究风速阶跃变化、恒定风速时多泵切换、渐变风速多泵切换3种工况下数字液压风力机工作特性变化规律。测试结果表明，设计的数字液压风力机半实物仿真系统可以有效模拟风力机的各个模型和状态，进行多泵切换时能够快速实现最大功率跟踪控制。同时这引用本文：刘增光,张本国，岳大灵，等.基于Links-RT的数字液压风力机半实物仿真系统设计 J.液压气动与密封,2 0 2 4,44（4）：54-6 0.LIU Zengguang,ZHANG Benguo,YUE Daling,et al.Design of a Digital Hydraulic Wind Turbine Semi-physical Simulation System Basedon Links-RT J.Hydraulics Pneumatics&Seals,2024,44(4):54-60.+i.i.+种半实物仿真系统搭建便捷、快速、低成本，提高了工作效率,降低了风力机现场试验、测试和开发的成本。1MOHANTY B,WANG F,STELSON KA.Design of a PowerRegenerative Hydrostatic Wind Turbinetest Platform R.Fukuoka:JFPS 2017,2017.2MOHANTY B,STELSON KA.Experimental Validation of aHydrostatic Transmission for Community Wind Turbines J.Energies,2022,15(1):376-349.3刘航.风力发电半实物仿真系统及风电集群分布式协同控制研究 D.杭州：浙江大学,2 0 17.4张冬冬.基于LabVIEW的双馈风力发电机的建模与仿真D.长春：长春工业大学,2 0 19.5吴爱华，赵不贿,茅靖峰.基于快速控制原型的风力发电半实物仿真系统 J.系统仿真学报，2 0 2 0,32（3）：140-149.6刘增光.6 0 0 kW液压蓄能式风力发电机组设计与控制研究 D.兰州：兰州理工大学,2 0 18.7杨瑞，马超善，杨胜兵，等.2 MW风力机液压变桨电液作动器系统设计与仿真研究 J.液压气动与密封，2 0 2 0,40(6):5-10,15.8管小兴，丹晨，高宏伟，等.MW级风力发电机组液压制动系统研究 J.液压气动与密封，2 0 18,38（11）：5458.9郑智睿，王妮妮，赵斌，等.不同错列布置下垂直轴风力机尾流特性 J.流体机械，2 0 2 3,51（2）98-10 4.参考文献+.2024年2 月工程机械行业主要产品销售快报（之一）挖掘机据中国工程机械工业协会对挖掘机主要制造企业统计，2 0 2 4年2 月销售各类挖掘机12 6 0 8 台，同比下降41.2%，其中国内58 37 台，同比下降49.2%；出口6 7 7 1台，同比下降32%。2024年1-2 月，共销售挖掘机2 498 4台，同比下降2 1.7%；其中国内112 58 台，同比下降2 4.6%；出口13726台，同比下降19.1%。2024年2 月销售电动挖掘机2 台（6 吨级以下1台，18.5至2 8.5吨级1台）。装载机据中国工程机械工业协会对装载机主要制造企业统计，2 0 2 4年2 月销售各类装载机6 495台，同比下降32.6%。其中国内市场销量2 7 6 3台，同比下降50.4%；出口销量37 32 台，同比下降8.44%。2024年1-2 月，共销售各类装载机142 97 台，同比下降11.8%。其中国内市场销量6 50 7 台，同比下降18.6%；出口销量7 7 9 0 台，同比下降5.0 9%。2024年2 月销售电动装载机2 98 台（3吨1台，5吨2 57 台，6 吨36 台，7 吨4台）。摘自中国液压气动密封件工业协会公众号60