风力发电机械液压传动装置及混合传动技术研究

风力发电机械液压传动装置及混合传动技术研究

李珊

（广西桂冠电力股份有限公司山东分公司山东省烟台市264003）

摘要：现如今，新能源被国家各界所重视重视，风能是目前最具规模开发条件和商业化发展前景的可再生能源之一。然而因其成本高、外部环境复杂、技术难度较大，因而要加大对风力发电机械液压传动装置的研究，探索风力发电混合传动技术，提升风力发电机组的性能。

关键词：风力发电；机械液压；传动装置；混合传动技术研究

引言

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。

1液压制动系统原理

1.1液压系统原理图

液压系统在风力发电机中主要是在制动和变桨距系统上应用。制动系统是风力发电机的关键部件之一，是机组安全保障的重要环节。液压制动系统主要由3个液压回路组成，分别为主轴制动回路、偏航制动回路和风轮锁定回路。利用液压系统单位体积小、重量轻、动态响应好、扭矩大且无需变速机构的特性，设计时将3个回路集中到一个系统中，组成风力发电机液压制动系统。

1.2液压系统工作原理

（1）主轴制动回路当风力发电机处于正常工作状态时，电磁换向阀21.1失电，主轴制动器23处于松闸状态，风轮正常转动。当风力发电机需要停机制动时，电磁换向阀21.1得电，液压系统向主轴制动器23提供压力油，主轴制动器液压卡钳抱紧，风轮制动。制动过程中由蓄能器20.1为主轴制动器提供压力，避免液压泵频繁启动，对液压系统造成伤害。利用压力开关14.1检测蓄能器20.1的压力，当蓄能器压力低于设定值时，压力开关闭合，液压泵启动为蓄能器充能。利用压力开关14.2检测主轴制动回路的压力，控制液压泵补油，确定制动机构工作状态。（2）偏航制动回路当风轮处于正确的对风位置时，电磁换向阀21.2、21.3同时失电，偏航液压回路向偏航制动器提供压力油，偏航全压制动。制动过程中，背压阀18.2限制系统压力，防止制动器因过载造成损伤。利用蓄能器20.2为制动器提供压力，避免液压泵频繁启动，对液压系统造成伤害。当风力发电机需要对风时，电磁换向阀21.2、21.3同时得电，利用背压阀18.1使偏航制动器保持带阻尼工作，确保确保对风过程中机舱平稳转动。压力传感器22用以指示系统压力，控制液压泵补油和确定制动机构的工作状态。（3）风轮锁定回路风轮锁定系统的作用是当风力发电机需要维护时，将风轮锁定以保证工作人员安全。当对风机进行维护时，打开手动换向阀13，利用手动液压泵9向风轮锁定机构16的无杆腔内供压力油，推动活塞将风轮锁定；需要解锁时，将手动换向阀13搬回原始位置，由手动液压泵9向风轮锁有杆腔内供压力油，将活塞杆推回，实现解锁。

2风力发电机械液压传动装置系统设计及混合传动控制策略

2.1风力发电机械液压传动装置系统的设计

可以将功率流理论应用于风力发电机械液压传动系统的设计和应用之中，以行星齿轮机构作为机械液压传动装置系统的动力耦合装置，并对行星齿轮机构的速度转矩、功率流向进行分析，可以选取2K-H型单行星行星排的行星齿轮结构，其内部转速及转矩关系可以表示如下：

在上式之中，ωs表示太阳轮的转速，k表示齿圈与太阳轮齿数之比，ωr表示齿圈转速，ωc表示行星架的转速，Ts表示太阳轮的转矩，Tr表示齿圈转矩，Tc表示行星架转矩。同时，还要对机械液压传动装置的功率流向进行判断，如果行星齿轮机构中存在封闭功率流，则会增加摩擦损失功率，降低机械液压传动装置的强度。为此，要根据功率计算公式，获悉和确定行星轮系中功率流的正负状态，计算得出力矩的正负及转速的正负。在进行风力发电机械液压传动混合系统的设计之中，以典型1.5MW机械传动型风力发电机组为例，可以将前两级增速齿轮保持不变，而将第三级齿轮替代为机械液压混合传动装置，使机械功率流和液压功率流在第三级行星齿轮处实现功率合流，从而驱动永磁同步电机进行发电。在风力发电机械液压混合传动装置系统之中，关键参数主要包括有：额定功率、额定风速、切入及切出风速、叶轮直径、叶片数量、叶轮额定转速、叶轮转速范围、叶尖速比、齿轮增速比、发电机频率等，其第三级齿轮输入轴转速范围在250-440r/min、输出轴转速在1500r/min。

2.2风力发电机机械液压混合传动控制策略

风力发电机械液压传动装置具有可变的输入叶轮转速、传动系统传动比，能够实现功率的分合流，因而可以采用合理调节传动比的方式，捕获叶轮传动的最大功率，使风力发电机处于恒转速运行状态。其液压混合传动控制策略主要包括以下方面：（1）当叶轮启动低于额定风速时，可以通过调节变量泵排量的方式，合理调节液压传动装置系统的传动比，使发电机输出转速恒定在并网转速附近，为并网创造条件。（2）当同步电机并网低于额定风速时，发电机转速、系统输出转速保持不变，这时，可以采用调节机械液压传动装置的传动比的方式，使系统输入转速、叶轮转速产生改变，并捕获最大功率。（3）叶轮运转高于额定风速而低于额定功率时，机械液压传动装置变量泵的排量保持不变，可以适当调节变量泵的排量，以达到吸收转矩冲击的效果。并随着风速、输入转矩的增大，到达额定功率。（4）叶轮运转高于额定功率时，则可以采用调节变桨距及变排量的方法，实现恒功率调节和控制。要注意的是，对于变桨距的调节可以采用粗调的策略，而对于变排量的调节则要采用微调的策略，使叶轮捕获功率在额定功率区域。（5）其他方面的混合传动控制。要科学合理地选择变阻器，保证风力发电机械液压传动装置的转速，使机械液压传动装置的各组件合理匹配，获得良好的发电效果。

结语

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。

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