30 kV·A液壓型風力發(fā)電機組模擬實驗臺液壓主傳動系統(tǒng)效率分析

艾　超　陳立娟　孔祥東　李　昊　葉壯壯

1.河北省重型機械流體動力傳輸與控制實驗室，秦皇島，0660042.燕山大學，秦皇島,066004

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30 kV·A液壓型風力發(fā)電機組模擬實驗臺液壓主傳動系統(tǒng)效率分析

艾超1,2陳立娟1,2孔祥東1,2李昊2葉壯壯1,2

1.河北省重型機械流體動力傳輸與控制實驗室，秦皇島，0660042.燕山大學，秦皇島,066004

摘要：以30 kV·A液壓型風力發(fā)電機組模擬實驗臺為研究對象，簡要介紹了該實驗臺的基本結構、組成和工作原理。為深入了解該模擬實驗臺的效率，推導了適用于此種機型的閉式液壓傳動系統(tǒng)效率公式，并基于風電機組的關鍵控制技術——最大功率追蹤控制技術，對實驗系統(tǒng)進行了效率實驗研究。最終驗證了理論計算公式的準確性。

關鍵詞：風力發(fā)電；液壓傳動；模擬實驗臺；效率測試

0引言

液壓型風力發(fā)電機組是一種新型風力發(fā)電機型，與傳統(tǒng)機型相比，有眾多優(yōu)勢，如減小發(fā)電機體積、減輕機艙重量、省去龐大的整流逆變電力電子裝置[1]。

風力發(fā)電機組的整機效率體現(xiàn)了風能轉(zhuǎn)化為電能的效率，傳統(tǒng)機型傳動鏈采用齒輪箱，其傳動效率是很高的，對于此種新型液壓機型來說傳動效率有待進一步研究。

針對風力發(fā)電機組效率以及泵控馬達傳動系統(tǒng)效率問題，國內(nèi)外學者展開了一系列研究。文獻[2]介紹了影響風電機組效率的最重要參數(shù)。文獻[3]針對陸上風電場所處的環(huán)境，研究了陸上風力發(fā)電場驅(qū)動效率的問題。文獻[4]針對閉式泵控馬達液壓系統(tǒng)效率問題，分析了變排量和變轉(zhuǎn)速兩種情況下系統(tǒng)的效率。

本文對燕山大學孔祥東教授團隊在研究過程中搭建的30 kV·A液壓型風力發(fā)電機組模擬實驗臺進行簡單介紹，并以該實驗臺為平臺對液壓型風力發(fā)電機組液壓主傳動系統(tǒng)的效率進行理論與實驗研究。

130 kV·A液壓型風力發(fā)電機組模擬實驗臺工作原理

30 kV·A液壓型風力發(fā)電機組模擬實驗臺主要由風力機模擬系統(tǒng)、液壓傳動系統(tǒng)、并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)四部分構成，如圖1所示，原理如圖2所示。其工作原理為：變頻器控制變頻電機轉(zhuǎn)動來模擬風力機；變頻電機驅(qū)動定量泵轉(zhuǎn)動，輸出高壓油驅(qū)動變量馬達旋轉(zhuǎn)；與馬達輸出軸剛性連接的發(fā)電機在馬達的驅(qū)動下以同步轉(zhuǎn)速運行，實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。在整個系統(tǒng)運行的過程中，通過主控制器控制變量馬達斜盤擺角位置，實現(xiàn)馬達轉(zhuǎn)速控制和發(fā)電機發(fā)電功率控制[5-6]。

圖1　30 kV·A液壓型風力發(fā)電機組模擬實驗臺實物圖

圖2　30 kV·A液壓型風力發(fā)電機組模擬實驗臺液壓原理圖

2液壓主傳動系統(tǒng)(定量泵-變量馬達閉式系統(tǒng))的效率建模

該風電機組中定量泵-變量馬達閉式系統(tǒng)為恒流源工作狀態(tài)，即正常工作狀態(tài)下沒有溢流[7-8]。由于液壓型風力發(fā)電機組液壓主傳動系統(tǒng)工作時必須滿足同步發(fā)電機準同期并網(wǎng)要求，故變量馬達轉(zhuǎn)速理論上要保持1500 r/min的同步轉(zhuǎn)速不變。因此該閉式系統(tǒng)與傳統(tǒng)定量泵-變量馬達系統(tǒng)作為恒功率調(diào)速的應用不同，需要對此系統(tǒng)傳統(tǒng)意義上的效率公式進行深入探索，以得到準確實用的液壓型風力發(fā)電機組液壓主傳動系統(tǒng)的效率公式。

2.1傳統(tǒng)閉式系統(tǒng)的效率建模

實驗系統(tǒng)中定量泵采用軸向柱塞泵，效率主要受摩擦和泄漏的影響，隨著系統(tǒng)工作壓力的升高，摩擦泄漏量會有所增加。

2.1.1定量泵效率理論表達式

(1)定量泵容積效率[9-10]。液壓泵的容積效率是指液壓泵的實際輸出流量Q1a與其理論輸出流量Q1t之比。定量泵理論流量的計算公式為

Q1t=n1q1

(1)

式中，n1為定量泵轉(zhuǎn)速；q1為定量泵理論排量，取63mL/r。

定量泵實際流量的計算公式為

Q1a=Q1t-ΔQ1

(2)

(3)

式中，Cs為無因次層流泄漏系數(shù)，取2×10-9。

于是，定量泵容積效率的計算公式為

(4)

(2)定量泵機械效率。液壓泵的機械效率是指液壓泵的理論輸出功率與其實際輸入功率之比，一般用液壓泵的理論輸出轉(zhuǎn)矩T1t與其實際輸入轉(zhuǎn)矩T1a之比來表示。定量泵理論輸出轉(zhuǎn)矩為

(5)

定量泵實際輸入轉(zhuǎn)矩為

T1a=T1t+ΔT1

(6)

式中，ΔT1為定量泵內(nèi)部存在的摩擦損失轉(zhuǎn)矩；Cf為無因次機械摩擦因數(shù)，取0.01；CV為無因次層流摩擦因數(shù)，取3×105。

于是，定量泵機械效率為

(7)

(3)定量泵的總效率。液壓泵的總效率是指液壓泵的實際輸出功率與輸入功率之比，其表達式為

(8)

2.1.2變量馬達效率的理論表達式

變量馬達效率主要受摩擦、泄漏和馬達斜盤擺角等因素的影響。

(1)變量馬達容積效率。馬達的容積效率是指液壓馬達的理論輸入流量Q2t與實際輸入流量Q2a之比。變量馬達理論輸入流量的計算公式為

Q2t=n2q2mγ

(9)

式中，n2為變量馬達轉(zhuǎn)速；q2m為變量馬達最大理論排量，取40mL/r；γ為變量馬達斜盤位置，區(qū)間為[0,1]。

變量馬達理論實際流量的計算公式為

Q2a=Q2t+ΔQ2

(10)

式中，ΔQ2為變量馬達的泄漏流量。

和定量泵的泄漏流量推導方式一樣，變量馬達泄漏流量為

(11)

于是，變量馬達容積效率為

(12)

(2)變量機械效率。液壓馬達的機械效率是指液壓馬達的實際輸出轉(zhuǎn)矩T2a與理論輸出轉(zhuǎn)矩T2t之比。變量馬達理論轉(zhuǎn)矩的計算公式為

(13)

變量馬達實際輸出轉(zhuǎn)矩的計算公式為

T2a=T2t-ΔT2

(14)

式中，ΔT2為變量馬達摩擦損失轉(zhuǎn)矩。

變量馬達機械效率為

(15)

(3)變量馬達的總效率。液壓馬達的總效率是指液壓馬達的實際輸出功率與輸入功率之比，其表達式為

(16)

2.1.3定量泵-變量馬達傳動系統(tǒng)的總效率

為了計算簡便，方便分析，忽略傳輸介質(zhì)在管道中的沿程損失、局部損失等,那么定量泵-變量馬達傳動系統(tǒng)的總效率為

(17)

2.2風力發(fā)電機組液壓主傳動閉式系統(tǒng)效率建模

公式推導前提條件為系統(tǒng)壓力相對穩(wěn)定，則流量連續(xù)性方程為

Q2a=Q1t-ΔQ1-ΔQ2

(18)

將式(1)、式(3)、式(9)以及式(11)代入式(18)可得

(19)

將式(19)代入式(4)、式(7)、式(12)和式(15)得：

定量泵容積效率為

(20)

定量泵機械效率為

(21)

變量馬達容積效率為

(22)

變量馬達機械效率為

(23)

式(20)～式(23)即為液壓型風力發(fā)電機組定量泵-變量馬達閉式系統(tǒng)的效率公式。從中可以看出，定量泵和變量馬達的容積效率和定量泵的轉(zhuǎn)速和變量馬達擺角有關，定量泵和變量馬達的機械效率除了和定量泵轉(zhuǎn)速、變量馬達擺角有關之外，還與定量泵與變量馬達的固有參數(shù)Cs、CV、Cf有關?？梢钥闯?，簡化后的公式與式(17)相比，減少了可變參數(shù)Δp、μ。

3主傳動系統(tǒng)的效率實驗

本文效率測試是在研究液壓型風力發(fā)電機組的關鍵控制技術(最佳功率追蹤)的過程中進行的。最佳功率追蹤是在給定的風速下，控制系統(tǒng)控制風力機獲取此風速下最大風能。由于系統(tǒng)只有在實際最大發(fā)電功率點效率才達到最高，因此只有在進行最佳功率追蹤研究的過程中測試機組的效率才具有現(xiàn)實意義。給定風速階躍7-8-9m/s和9-8- 7m/s，得到定量泵轉(zhuǎn)速、變量馬達斜盤位置以及發(fā)電功率曲線，如圖3所示。

取功率平穩(wěn)階段實驗數(shù)據(jù)進行研究?？倢嶒灂r間是120s，從圖中可以看出0～10s、60～70s、110～120s三段時間里發(fā)電功率已經(jīng)相對平穩(wěn)。其數(shù)據(jù)處理結果如表1所示。

通過以上三組數(shù)據(jù)的對比可知，由實驗直接測得的效率與理論計算得到的效率比較接近。從而說明，在前提條件的約束范圍內(nèi)，理論推導的公式可以近似作為由定量泵-變量馬達閉式傳動系統(tǒng)組成的液壓型風力發(fā)電機組的效率計算公式。

(a)定量泵轉(zhuǎn)速(7-8-9 m/s)

(b)斜盤位置(7-8-9 m/s)

(c)發(fā)電功率(7-8-9 m/s)

(d)定量泵轉(zhuǎn)速(9-8-7 m/s)

(e)斜盤位置(9-8-7 m/s)

(f)發(fā)電功率(9-8-7 m/s)圖3　階躍風速作用下最佳功率追蹤實驗曲線

表1　液壓型風力發(fā)電機組效率測試結果

注：表中實際效率根據(jù)圖3c和圖3f實驗數(shù)據(jù)所得；計算效率通過結合模擬得到的不同風速下風力機輸出轉(zhuǎn)速[11]和式(20)～式(23)計算所得。

4結束語

本文介紹了30 kV·A液壓型風力發(fā)電機組模擬實驗臺的結構、組成和工作原理，詳細推導了液壓型風力發(fā)電機組閉式主傳動系統(tǒng)效率計算公式，并以30 kV·A液壓型風力發(fā)電機組模擬實驗臺為實驗平臺，通過實驗數(shù)據(jù)和理論計算數(shù)據(jù)對比驗證了效率公式的正確性。

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(編輯袁興玲)

收稿日期：2015-11-10

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51405423)；燕山大學青年教師自主研究計劃課題資助項目(13LGB005)；國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術研究中心開放課題資助項目(NECSR-201305)

中圖分類號：TH137

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.12.002

作者簡介：艾超，男，1982年生。燕山大學機械工程學院講師、博士。主要研究方向為流體傳動與控制。發(fā)表論文30余篇。陳立娟，女，1989年生。燕山大學機械工程學院碩士研究生。孔祥東，男，1959年生。燕山大學副校長、教授、博士研究生導師。李昊，男，1977年生。燕山大學車輛與能源學院副教授、博士。葉壯壯，男，1990年生。燕山大學機械工程學院碩士研究生。

Efficiency Analysis of Main Hydraulic Transmission System in a 30 kV·A Hydraulic Wind Turbine Simulation Experimental Platform

Ai Chao1,2Chen Lijuan1,2Kong Xiangdong1,2Li Hao2Ye Zhuangzhuang1,2

1.Hebei Heavy Machinery Fluid Power Transmission and Control Laboratory, Qinhuangdao， Hebei, 066004 2.Yanshan University, Qinhuangdao, Hebei, 066004

Abstract:Taking 30 kV·A hydraulic wind turbine simulation experimental platform as the research object, the basic structure, composition and working principles of the experimental platform were briefly introduced herein. To further understand the efficiency of this simulation experimental platform, the efficiency formula for the closed hydraulic transmission system was derived, and based on the key control technology of wind turbine—maximum power point tracking control technology, the experimental study on the efficiency of the experimental system was conducted. Finally, the accuracy of theoretical calculation formula was verified.

Key words:wind power; hydraulic transmission; simulation experimental platform; efficiency test