機(jī)械液壓混合傳動(dòng)式風(fēng)電機(jī)組功率控制技術(shù)研究

相學(xué)仁

摘? ? 要：本文主要分析了機(jī)械液壓混合傳動(dòng)式風(fēng)電機(jī)組功率控制問題，明確了機(jī)械液壓混合傳動(dòng)式風(fēng)電機(jī)組功率控制的要求和控制的技術(shù)方法，提出了一些比較可行的控制措施，可供今后參考。

關(guān)鍵詞：機(jī)械;液壓;混合傳動(dòng);風(fēng)電機(jī)組;功率

1? 前言

當(dāng)前，機(jī)械液壓混合傳動(dòng)式風(fēng)電機(jī)組功率控制還需要進(jìn)一步提升，所以，要進(jìn)一步明確機(jī)械液壓混合傳動(dòng)式風(fēng)電機(jī)組功率控制的要求，確保控制的效果，就要在技術(shù)方面進(jìn)一步研究。

2? 液壓機(jī)械控制技術(shù)概述

作為綠色可再生能源，風(fēng)能在過去10年里是世界上增長最快的能源種類.風(fēng)電裝備的維護(hù)成本、運(yùn)行可靠性和使用壽命開始受到前所未有的關(guān)注[1，2].隨著機(jī)組大型化和海上風(fēng)電的運(yùn)行，環(huán)境和工況的改變使齒輪箱、主軸等傳動(dòng)部件承受的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)更劇烈，故障維修成本顯著增加.統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，齒輪箱傳動(dòng)系統(tǒng)的維修成本最高，齒輪箱故障的高發(fā)期出現(xiàn)在投入運(yùn)行后的5～8年間，這與風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)壽命15～20年存在明顯差距。

目前采用了齒輪傳動(dòng)的風(fēng)力機(jī)，如含雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的變速風(fēng)力機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)變速恒頻控制，但所需的變流器成本高，有電能損失，并且向電網(wǎng)中注入了大量諧波電流，危害電能質(zhì)量.含永磁同步發(fā)電機(jī)的直驅(qū)變速風(fēng)力機(jī)雖然形成了無齒輪箱結(jié)構(gòu)，但是永磁直驅(qū)電機(jī)的極對(duì)數(shù)過多，體積龐大，總量過重，成本高昂.

國際風(fēng)電領(lǐng)域?qū)W者和工程師日益關(guān)注新型傳動(dòng)形式的風(fēng)力機(jī)研究：2007年美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室將液壓傳動(dòng)技術(shù)納入WinPACT研究計(jì)劃。2009年英國Artemis公司研制1.5MW液壓傳動(dòng)機(jī)組，該設(shè)計(jì)獲得英國碳基金會(huì)創(chuàng)新獎(jiǎng)。根據(jù)現(xiàn)有的研究結(jié)果可知，液壓傳動(dòng)可以在一定程度上有效地減小傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的力矩波動(dòng);液壓系統(tǒng)的總體效率遠(yuǎn)低于機(jī)械齒輪的傳動(dòng)效率，并且與葉輪直接連接的液壓泵的大排量低轉(zhuǎn)速特性需要專業(yè)性設(shè)計(jì)，其低速效率的工藝保證問題有待進(jìn)一步的研究。

在工程機(jī)械等大型施工設(shè)備中，液壓傳動(dòng)及控制技術(shù)作為重要的組成部分，發(fā)揮著不可替代的作用，到目前為止，已經(jīng)超過95%的機(jī)械設(shè)備均采用液壓控制傳動(dòng)技術(shù)。由于其具有諸多的特點(diǎn)和優(yōu)勢，而受到了很多人青睞。例如在狹窄環(huán)境中，由于空間限制，同時(shí)對(duì)于重量有較高要求，為了能夠?qū)崿F(xiàn)大功率、靈活集中的操作情況，采用液壓控制能夠很好解決這一問題。再入在發(fā)動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)力的條件下，使用液壓控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)功率的綜合利用。不僅如此，在相對(duì)較為惡劣的環(huán)境中，液壓控制系統(tǒng)也表現(xiàn)出了較為穩(wěn)定的可靠性、安全性、舒適性等特點(diǎn)。

3? 機(jī)械液壓混合傳動(dòng)原理及機(jī)組的變速恒頻控制

機(jī)械液壓混合傳動(dòng)下的并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組，通過葉輪獲得風(fēng)能、機(jī)械能，能量繼而發(fā)生分流，一部分能量轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)液壓泵的液壓能進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，另一部分能量通過機(jī)械路傳遞。最后兩股能量合流傳遞給發(fā)動(dòng)機(jī)。

混合傳動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)械液壓混合傳動(dòng)式風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵部分，我們首先對(duì)其進(jìn)行原理分析。

行星輪系有三個(gè)基本構(gòu)件，存在如下關(guān)系：

其中：ns代表太陽輪的轉(zhuǎn)速，nr代表齒圈的轉(zhuǎn)速，nc代表行星架的轉(zhuǎn)速，Ts代表太陽輪的轉(zhuǎn)矩，Tr代表齒輪的轉(zhuǎn)矩，Tc代表行星架的轉(zhuǎn)矩，k代表齒圈與太陽輪的齒數(shù)比。

進(jìn)一步可以推導(dǎo)出液壓路功率和機(jī)械路功率之間的關(guān)系：

其中，PH代表流行液壓路的功率，PM代表流經(jīng)機(jī)械路的功率，T1代表齒輪Ⅱ的轉(zhuǎn)矩，n1代表齒輪Ⅱ的轉(zhuǎn)速，T2代表行星架的轉(zhuǎn)矩，n2代表行星架的轉(zhuǎn)速，i1代表齒輪Ⅰ、Ⅱ的傳動(dòng)比，i2代表齒輪Ⅲ、Ⅳ的傳動(dòng)比，i3代表齒輪Ⅴ、Ⅵ的傳動(dòng)比，ih代表變量泵馬達(dá)系統(tǒng)傳動(dòng)比，η代表液壓路傳動(dòng)效率，由此我們可以得出，ih越大，那么流經(jīng)液壓路的功率占比越大。

進(jìn)一步得出液壓路功率和總功率之比：

令i1=i2=ih=1，i3=0.5，發(fā)現(xiàn)流經(jīng)液壓系統(tǒng)的功率不超過總功率的29%，和液壓式傳遞的風(fēng)力機(jī)比較而言，變量泵的馬達(dá)排量降低，液壓傳動(dòng)帶來的能量損失也有所降低。

4? 混合傳動(dòng)式風(fēng)電機(jī)組建模

所謂混合傳動(dòng)式風(fēng)電機(jī)組建模是指專門針對(duì)1.5MW實(shí)施的風(fēng)力發(fā)電仿真模型，根據(jù)不同的建模方式和渠道，主要包括以下幾種類型。

4.1? 風(fēng)速模型

風(fēng)速一般意義上包括四個(gè)主要影響因素，分別是：平均值、斜坡值，這是表示風(fēng)速穩(wěn)定增加具體量值指數(shù)、陣風(fēng)分量和湍流分量。其中，風(fēng)機(jī)額定功率和潮流計(jì)算的輸出率兩者結(jié)合可以計(jì)算出平均風(fēng)速，主要用三個(gè)幅值a、起始時(shí)間t和終止時(shí)間T三個(gè)主要參數(shù)計(jì)算得出。

4.2? 葉輪模型

葉輪模型中，風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率與風(fēng)速有直接關(guān)系，但是，當(dāng)保持葉輪節(jié)距角不變的情況下，只要保證風(fēng)輪在一個(gè)恰當(dāng)?shù)幕顒?dòng)范圍內(nèi)，就可以維持風(fēng)力機(jī)的正常運(yùn)行。想要調(diào)節(jié)風(fēng)速的變化，只要調(diào)節(jié)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速就可以實(shí)現(xiàn)，使得風(fēng)輪葉尖與風(fēng)速之間保持不變的，就可以得到預(yù)期的效果。

4.3? 并網(wǎng)發(fā)電機(jī)模型

隨著電力技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，發(fā)電機(jī)被廣泛應(yīng)用于水利發(fā)電和火力發(fā)電中。此外，在柴油發(fā)電、核能發(fā)電等發(fā)電機(jī)制中也經(jīng)常能見到發(fā)電機(jī)的身影。將同步發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)合并運(yùn)行，通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流以及電機(jī)操作系統(tǒng)就可以有效的實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電機(jī)功率因素和無功功率的目的。

與雙饋式風(fēng)力電機(jī)和永磁力風(fēng)力發(fā)電機(jī)相比，合并風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有不需要使用大容量變流器的顯著優(yōu)勢。一般而言，變流器所需要的成本極高，且操作程序復(fù)雜，在運(yùn)行過程中還可能產(chǎn)生大量的高頻電流，既有可能導(dǎo)致部分電流損失嚴(yán)重，又有可能影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

5? 混合傳動(dòng)式風(fēng)電機(jī)組建模的仿真結(jié)果分析

5.1? 變速恒頻控制結(jié)構(gòu)分析

在風(fēng)速達(dá)到4m/s時(shí)，就達(dá)到了風(fēng)速并網(wǎng)的基本條件，同步發(fā)電機(jī)主要組成部分發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速如果能夠穩(wěn)定在與同步轉(zhuǎn)速相近的范圍內(nèi)，此時(shí)就可以將勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)電壓合閘并網(wǎng)。

實(shí)現(xiàn)合閘并網(wǎng)后，電網(wǎng)系統(tǒng)的仿真系統(tǒng)結(jié)果曲線也會(huì)發(fā)生明顯變化，其中，葉輪轉(zhuǎn)速可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)追蹤，保證風(fēng)速能夠幫助風(fēng)力機(jī)運(yùn)行達(dá)到最佳狀態(tài)，達(dá)到風(fēng)速最大值。

5.2? 機(jī)械液壓混合傳動(dòng)功率分配及效率分析

機(jī)械液壓混合傳動(dòng)功率主要依靠發(fā)電機(jī)來輸送，一般情況下，液壓的功率在總功率中所占的比重都比較少，大約在5%～28%之間，通常情況下是液壓路傳遞為輔，機(jī)械路傳遞為主，有效的提高了整個(gè)傳遞系統(tǒng)的實(shí)際效率，基本能夠達(dá)到88%～93%之間，使得風(fēng)力機(jī)的效率明顯增加。在機(jī)械液壓混合傳動(dòng)中，還有少量的能量是以液壓的形式來傳遞的，實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)系統(tǒng)功率達(dá)到93%以上時(shí)，液壓功率占總功率的比重非常小，一般只有8%左右。

6? 結(jié)束語

綜上所述，機(jī)械液壓混合傳動(dòng)式風(fēng)電機(jī)組功率控制的方法和技術(shù)很關(guān)鍵，本文總結(jié)了機(jī)械液壓混合傳動(dòng)式風(fēng)電機(jī)組功率控制的技術(shù)方法，思考了技術(shù)的基本措施和對(duì)策，可供今后研究應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 齊功.基于AMESim的采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)混合傳動(dòng)系統(tǒng)的研究[J].機(jī)械管理開發(fā)，2019（4）：113～114+118.

[2] 陳成，朱燈林，徐坤，梅志千.機(jī)械液壓混合伺服壓力機(jī)的方案設(shè)計(jì)與研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2019（4）：24～29.

[3] 王建榕.機(jī)械設(shè)計(jì)制造中液壓機(jī)械傳動(dòng)控制系統(tǒng)與應(yīng)用[J].時(shí)代農(nóng)機(jī)，2018（9）：209.