机械液压混合传动式风电机组功率控制技术研究

　　摘要：风力发电机械液压传动装置与风力发电的效率和质量有密不可分的联系，要把握风力发电机械液压传动装置的特性，对风力发电机械液压混合传动系统进行设计，运用混合传动技术加以策略适配和控制，在机械液压调速装置替代频率转换装置的条件下，确保风轮变转速运行效率和质量。本文通过分析该系统的结构特点，针对存在的问题，分析总结常见故障原因，提出若干防范治理措施。

　　关键词：机械;液压;混合传动;风电机组;功率

　　1 前言

　　当前，机械液压混合传动式风电机组功率控制还需要进一步提升，所以，要进一步明确机械液压混合传动式风电机组功率控制的要求，确保控制的效果，就要在技术方面进一步研究。

　　2 液压机械控制技术概述

　　作为绿色可再生能源，风能在过去10年里是世界上增长最快的能源种类.风电装备的维护成本、运行可靠性和使用寿命开始受到前所未有的关注。随着机组大型化和海上风电的运行，环境和工况的改变使齿轮箱、主轴等传动部件承受的转速、转矩波动更剧烈，故障维修成本显著增加.统计数据表明，齿轮箱传动系统的维修成本最高，齿轮箱故障的高发期出现在投入运行后的5～8年间，这与风力机的设计寿命15～20年存在明显差距。

　　目前采用了齿轮传动的风力机，如含双馈感应发电机的变速风力机，可以实现变速恒频控制，但所需的变流器成本高，有电能损失，并且向电网中注入了大量谐波电流，危害电能质量.含永磁同步发电机的直驱变速风力机虽然形成了无齿轮箱结构，但是永磁直驱电机的极对数过多，体积庞大，总量过重，成本高 昂.

　　国际风电领域学者和工程师日益关注新型传动形式的风力机研究：2007年美国国家可再生能源实验室将液压传动技术纳入WinPACT研究计划。2009年英国Artemis公司研制1.5MW液压传动机组，该设计获得英国碳基金会创新奖。根据现有的研究结果可知，液压传动可以在一定程度上有效地减小传动结构的力矩波动;液压系统的总体效率远低于机械齿轮的传动效率，并且与叶轮直接连接的液压泵的大排量低转速特性需要专业性设计，其低速效率的工艺保证问题有待进一步的研究。

　　在工程机械等大型施工设备中，液压传动及控制技术作为重要的组成部分，发挥着不可替代的作用，到目前为止，已经超过95%的机械设备均采用液压控制传动技术。由于其具有諸多的特点和优势，而受到了很多人青睐。例如在狭窄环境中，由于空间限制，同时对于重量有较高要求，为了能够实现大功率、灵活集中的操作情况，采用液压控制能够很好解决这一问题。再入在发动机作为原动力的条件下，使用液压控制系统能够实现功率的综合利用。不仅如此，在相对较为恶劣的环境中，液压控制系统也表现出了较为稳定的可靠性、安全性、舒适性等特点。

　　3 机械液压混合传动原理及机组的变速恒频控制

　　机械液压混合传动下的并网风电机组，通过叶轮获得风能、机械能，能量继而发生分流，一部分能量转化为驱动液压泵的液压能进一步转化为机械能，另一部分能量通过机械路传递。最后两股能量合流传递给发动机。

　　混合传动系统是机械液压混合传动式风电机组的关键部分，我们首先对其进行原理分析。

　　行星轮系有三个基本构件，存在如下关系：

　　其中：ns代表太阳轮的转速，nr代表齿圈的转速，nc代表行星架的转速，Ts代表太阳轮的转矩，Tr代表齿轮的转矩，Tc代表行星架的转矩，k代表齿圈与太阳轮的齿数比。

　　进一步可以推导出液压路功率和机械路功率之间的关系：

　　其中，PH代表流行液压路的功率，PM代表流经机械路的功率，T1代表齿轮Ⅱ的转矩，n1代表齿轮Ⅱ的转速，T2代表行星架的转矩，n2代表行星架的转速，i1代表齿轮Ⅰ、Ⅱ的传动比，i2代表齿轮Ⅲ、Ⅳ的传动比，i3代表齿轮Ⅴ、Ⅵ的传动比，ih代表变量泵马达系统传动比，η代表液压路传动效率，由此我们可以得出，ih越大，那么流经液压路的功率占比越大。

　　进一步得出液压路功率和总功率之比：

　　令i1=i2=ih=1，i3=0.5，发现流经液压系统的功率不超过总功率的29%，和液压式传递的风力机比较而言，变量泵的马达排量降低，液压传动带来的能量损失也有所降低。

　　4 混合传动式风电机组建模

　　所谓混合传动式风电机组建模是指专门针对1.5MW实施的风力发电仿真模型，根据不同的建模方式和渠道，主要包括以下几种类型。

　　4.1 风速模型

　　风速一般意义上包括四个主要影响因素，分别是：平均值、斜坡值，这是表示风速稳定增加具体量值指数、阵风分量和湍流分量。其中，风机额定功率和潮流计算的输出率两者结合可以计算出平均风速，主要用三个幅值a、起始时间t和终止时间T三个主要参数计算得出。

　　4.2 叶轮模型

　　叶轮模型中，风机运行效率与风速有直接关系，但是，当保持叶轮节距角不变的情况下，只要保证风轮在一个恰当的活动范围内，就可以维持风力机的正常运行。想要调节风速的变化，只要调节风轮的转速就可以实现，使得风轮叶尖与风速之间保持不变的，就可以得到预期的效果。

　　4.3 并网发电机模型

　　随着电力技术的进步和发展，发电机被广泛应用于水利发电和火力发电中。此外，在柴油发电、核能发电等发电机制中也经常能见到发电机的身影。将同步发电机并入电网合并运行，通过调节励磁电流以及电机操作系统就可以有效的实现调节电机功率因素和无功功率的目的。

　　与双馈式风力电机和永磁力风力发电机相比，合并风力发电机具有不需要使用大容量变流器的显著优势。一般而言，变流器所需要的成本极高，且操作程序复杂，在运行过程中还可能产生大量的高频电流，既有可能导致部分电流损失严重，又有可能影响电网的电能质量。

　　5 混合传动式风电机组建模的仿真结果分析

　　5.1 变速恒频控制结构分析

　　在风速达到4m/s时，就达到了风速并网的基本条件，同步发电机主要组成部分发电机转速如果能够稳定在与同步转速相近的范围内，此时就可以将励磁系统调节电压合闸并网。

　　实现合闸并网后，电网系统的仿真系统结果曲线也会发生明显变化，其中，叶轮转速可以实现对目标转速的实时追踪，保证风速能够帮助风力机运行达到最佳状态，达到风速最大值。

　　5.2 机械液压混合传动功率分配及效率分析

　　机械液压混合传动功率主要依靠发电机来输送，一般情况下，液压的功率在总功率中所占的比重都比较少，大约在5%～28%之间，通常情况下是液压路传递为辅，机械路传递为主，有效的提高了整个传递系统的实际效率，基本能够达到88%～93%之间，使得风力机的效率明显增加。在机械液压混合传动中，还有少量的能量是以液压的形式来传递的，实验证明，当系统功率达到93%以上时，液压功率占总功率的比重非常小，一般只有8%左右。

　　电子论文投稿刊物：液压与气动(月刊)创刊于1977年，由北京机械工业自动化研究所主办。杂志是国内外公开发行的中央级技术刊物，是机械、仪表类学科的全国中文核心期刊，是液、气、密行业唯一评选进入"中国期刊方阵"的杂志。

　　结束语

　　综上所述，考虑到传统风电机组的液压传动效率较低的缺陷，要加强对风力发电机械液压传动装置及混合传动策略的研究，全面分析风力发电机械液压传动装置的工作原理及特性，进行合理的风力发电机械液压传动装置系统的设计，对风力发电机械液压混合传动装置系统的不同阶段进行合理的控制和调节，实现功率分合流、变速及转矩的控制，提升风力发电的质量和效率。

　　参考文献：

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　　作者：赵磊