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浙江大学学报(工学版)  2020, Vol. 54 Issue (7): 1355-1361    DOI: 10.3785/j.issn.1008-973X.2020.07.014
机械与能源工程     
水平轴海流能机组传动链主动阻尼控制技术
李阳健(),何伟,刘宏伟*(),李伟,林勇刚,顾亚京
浙江大学 流体动力与机电系统国家重点实验室,浙江 杭州 310027
Active damping control for drive train of horizontal-axis tidal current turbines
Yang-jian LI(),Wei HE,Hong-wei LIU*(),Wei LI,Yong-gang LIN,Ya-jing GU
State Key Laboratory of Fluid Power Transmission and Control, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China
 全文: PDF(2059 KB)   HTML
摘要:

为了减小海流能发电机组在弱阻尼状态下的传动链谐振,借鉴风电领域的动态加阻技术,为海流能传动链设计主动阻尼控制器,通过海流能发电机组的转矩控制系统,给发电机施加和转速波动方向相反的波纹转矩. 主动阻尼控制使传动链系统极点远离虚轴,为传动系统增加等效阻尼,减小谐振. 为了准确得到传动链的低阶模态,利用多体系统法和有限元仿真方法,对传动系统的参数进行辨识,根据传动系统拖动实验的转速波动信号,对理论分析的结果进行验证. 通过Matlab/Simulink的建模仿真以及650 kW海流能机组在低流速工况下的等效海试实验,验证了主动阻尼控制对传动系统的有良好的减振效果.

关键词: 海流能机组模态分析阻尼控制传动系统载荷控制    
Abstract:

An active damping controller was designed based on previous research in wind energy in order to minimize the resonant torsional oscillations of the weakly damped transmission system of tidal current turbines. The proposed method of active damping strategy added the compensation torque in opposite direction to the speed deviation. The poles of drivetrain system moved away from imaginary axes which indicated that the equivalent damping increased to reduce the resonant torsional load. Multibody system method and finite element analysis were used to identify the parameters of gearbox system in order to obtain the accurate low order torsional modes of transmission system. The theoretical result of the drivetrain resonant frequency was experimentally verified by an onshore experiment. A simulation model for a 650 kW tidal current turbine was constructed in Matlab/Simulink. A substitution sea trial experiment in low current speed condition was conducted to validate the feasibility of proposed active damping.

Key words: tidal current turbine    modal analysis    damping control    transmission system    load control
收稿日期: 2019-05-31 出版日期: 2020-07-05
CLC:  TK 73  
基金资助: 国家重点研发计划资助项目(2018YFB1501900);国家自然科学基金资助项目(51775487,51575477,51905472);国家海洋可再生能源专项资金资助项目(GHME2017SF02);浙江省基础公益研究计划资助项目(LGF19E050004);浙江大学基本科研业务费专项资金计划资助项目(2019QNA4003)
通讯作者: 刘宏伟     E-mail: liyangjian@126.com;zju000@163.com
作者简介: 李阳健(1992—),男,博士生,从事海流能开发研究. orcid.org/0000-0002-9038-7784. E-mail: liyangjian@126.com
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李阳健
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刘宏伟
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顾亚京

引用本文:

李阳健,何伟,刘宏伟,李伟,林勇刚,顾亚京. 水平轴海流能机组传动链主动阻尼控制技术[J]. 浙江大学学报(工学版), 2020, 54(7): 1355-1361.

Yang-jian LI,Wei HE,Hong-wei LIU,Wei LI,Yong-gang LIN,Ya-jing GU. Active damping control for drive train of horizontal-axis tidal current turbines. Journal of ZheJiang University (Engineering Science), 2020, 54(7): 1355-1361.

链接本文:

http://www.zjujournals.com/eng/CN/10.3785/j.issn.1008-973X.2020.07.014        http://www.zjujournals.com/eng/CN/Y2020/V54/I7/1355

图 1  传动链的结构示意图
参数 数值
叶片和轮毂 ${I_1}$ 54 151.73
一级传动的行星架 ${I_2}$ 445.68
一级传动的太阳轮 $I_2'$ 404.35
二级传动的行星架 ${I_3}$ 23.96
二级传动的太阳轮 $I_3'$ 19.59
发电机刹车盘等 ${I_4}$ 280.50
表 1  各个部分转动惯量
图 2  650 kW海流能机组的传动链系统
图 3  低速轴刚度有限元分析
参数 数值
低速轴k1 5.356×103
中间轴k2 4.205×103
高速轴k3 4.601
表 2  系统中轴段刚度
图 4  传动链方块图
图 5  传动系统的Bode图
图 6  传动链厂内拖动测试
图 7  发电机转速的频谱图
图 8  主动阻尼控制系统图
图 9  Simulink仿真框图
图 10  加阻控制仿真结果(Bg=50 N·m·s/rad)
图 11  加阻控制仿真结果(Bg =100 N·m·s/rad)
图 12  加阻控制仿真结果(Bg=200 N·m·s/rad)
图 13  浙江大学650 kW海流能发电机组
图 14  海试未加阻实验转速结果
图 15  主动阻尼控制海试结果
1 WINTER A I. Differences in fundamental design drivers for wind and tidal turbines [C]//Oceans. Santander, Spain: IEEE, 2011: 1-10.
2 ZHOU Z, BENBOUZID M, CHARPENTIER J F, et al Developments in large marine current turbine technologies: a review[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2017, 71: 852- 858
doi: 10.1016/j.rser.2016.12.113
3 GENG H, XU D, WU B, et al Comparison of oscillation damping capability in three power control strategies for PMSG-based WECS[J]. Wind Energy, 2011, 14 (3): 389- 406
doi: 10.1002/we.428
4 BOSSANYI E A Wind turbine control for load reduction[J]. Wind Energy, 2003, 6 (3): 229- 244
doi: 10.1002/we.95
5 彭超 风力发电机组传动链调谐惯量阻尼器研究[J]. 太阳能学报, 2018, 39 (7): 2036- 2043
PENG Chao Research of tuned inertia damper for wind turbine drive rain[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2018, 39 (7): 2036- 2043
6 MANDIC G, NASIRI A, MULJADI E, et al Active torque control for gearbox load reduction in a variable-speed wind turbine[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2012, 48 (6): 2424- 2432
doi: 10.1109/TIA.2012.2227131
7 WHITE W N, FATEH F, YU Z. Torsional resonance active damping in grid tied wind turbines with gearbox, DFIG, and power converters [C]//American Control Conference. Chicago: IEEE, 2015.
8 LIU H W, MA S, LI W, et al A review on the development of tidal current energy in China[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2011, 15 (2): 1141- 1146
doi: 10.1016/j.rser.2010.11.042
9 LIU H W, LI W, LIN Y G, et al Tidal current turbine based on hydraulic transmission system[J]. Journal of Zhejiang University-Science A: Applied Physics and Engineering, 2011, 12 (7): 511- 518
10 LI Y J, LIU H W, LIN Y G, et al Design and test of a 600 kW horizontal-axis tidal current turbine[J]. Energy, 2019, 182: 177- 186
doi: 10.1016/j.energy.2019.05.154
11 顾亚京, 李伟, 刘宏伟, 等 潮流发电系统功率控制及并网运行[J]. 浙江大学学报:工学版, 2017, 51 (10): 1974- 1980
GU Ya-jing, LI Wei, LIU Hong-wei, et al Study on power control and grid-connected operation for tidal current energy conversion system[J]. Journal of Zhejiang University: Engineering Science, 2017, 51 (10): 1974- 1980
12 XU Q K, LIU H W, LIN Y G, et al Development and experiment of a 60 kW horizontal-axis marine current power system[J]. Energy, 2015, 88: 149- 156
doi: 10.1016/j.energy.2015.04.018
[1] 曾凌霄,刘宏伟,李伟,林勇刚,顾亚京. 基于变桨系统的功率与载荷双目标协同控制[J]. 浙江大学学报(工学版), 2021, 55(4): 750-756.
[2] 王进,王向坤,扶建辉,陆国栋,金超超,陈燕智. 重载机器人横梁结构静动态特性分析与优化[J]. 浙江大学学报(工学版), 2021, 55(1): 124-134.
[3] 胡广豪,薛进学,马文举,隆志力. 芯片键合纵弯复合超声换能器的设计与试验[J]. 浙江大学学报(工学版), 2020, 54(7): 1335-1340.
[4] 萨日娜,张树有,裘乐淼,张利春. 基于传动可供性评价的机械系统方案设计方法[J]. 浙江大学学报(工学版), 2020, 54(11): 2179-2189.
[5] 张程,金涛,李培强,邓慧琼. 采用多目标蝙蝠算法的电力系统广域协调控制策略[J]. 浙江大学学报(工学版), 2019, 53(3): 589-597.
[6] 刘蕴, 董冠华, 殷国富. 非接触密封失稳振动分析与结构优化[J]. 浙江大学学报(工学版), 2018, 52(7): 1390-1397.
[7] 关富玲,戴璐. 双环可展桁架结构动力学分析与试验研究[J]. J4, 2012, 46(9): 1605-1610.
[8] 雷之力,艾欣,崔明勇,刘晓. 基于模态评估法的微网串联谐振仿真[J]. J4, 2011, 45(1): 178-184.
[9] 蒋刚, 何闻, 郑建毅. 高频振动时效的机理与实验研究[J]. J4, 2009, 43(7): 1269-1272.
[10] 胡彦超 陈章位. 应用实正交多项式的多模态辨识迭代算法[J]. J4, 2008, 42(9): 1563-1567.
[11] 荆龙江 项贻强. 基于柔度矩阵法的大跨斜拉桥主梁的损伤识别[J]. J4, 2008, 42(1): 164-169.
[12] 周迅 俞小莉. 曲轴疲劳裂纹扩展速率测量的扫频法[J]. J4, 2007, 41(11): 1886-1892.
[13] 蔡际令 金若君. 基于DSP控制的开关磁阻电机可逆传动系统[J]. J4, 2006, 40(6): 1019-1026.
[14] 沈润杰 何闻. 大型宽频带水下振动台流固耦合动力学特性的研究[J]. J4, 2006, 40(4): 724-728.