機械液壓混合傳動式風電機組功率控制技術研究

相學仁

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

關鍵詞：機械;液壓;混合傳動;風電機組;功率

1? 前言

當前，機械液壓混合傳動式風電機組功率控制還需要進一步提升，所以，要進一步明確機械液壓混合傳動式風電機組功率控制的要求，確保控制的效果，就要在技術方面進一步研究。

2? 液壓機械控制技術概述

作為綠色可再生能源，風能在過去10年里是世界上增長最快的能源種類.風電裝備的維護成本、運行可靠性和使用壽命開始受到前所未有的關注[1，2].隨著機組大型化和海上風電的運行，環境和工況的改變使齒輪箱、主軸等傳動部件承受的轉速、轉矩波動更劇烈，故障維修成本顯著增加.統計數據表明，齒輪箱傳動系統的維修成本最高，齒輪箱故障的高發期出現在投入運行后的5～8年間，這與風力機的設計壽命15～20年存在明顯差距。

目前采用了齒輪傳動的風力機，如含雙饋感應發電機的變速風力機，可以實現變速恒頻控制，但所需的變流器成本高，有電能損失，并且向電網中注入了大量諧波電流，危害電能質量.含永磁同步發電機的直驅變速風力機雖然形成了無齒輪箱結構，但是永磁直驅電機的極對數過多，體積龐大，總量過重，成本高昂.

國際風電領域學者和工程師日益關注新型傳動形式的風力機研究：2007年美國國家可再生能源實驗室將液壓傳動技術納入WinPACT研究計劃。2009年英國Artemis公司研制1.5MW液壓傳動機組，該設計獲得英國碳基金會創新獎。根據現有的研究結果可知，液壓傳動可以在一定程度上有效地減小傳動結構的力矩波動;液壓系統的總體效率遠低于機械齒輪的傳動效率，并且與葉輪直接連接的液壓泵的大排量低轉速特性需要專業性設計，其低速效率的工藝保證問題有待進一步的研究。

在工程機械等大型施工設備中，液壓傳動及控制技術作為重要的組成部分，發揮著不可替代的作用，到目前為止，已經超過95%的機械設備均采用液壓控制傳動技術。由于其具有諸多的特點和優勢，而受到了很多人青睞。例如在狹窄環境中，由于空間限制，同時對于重量有較高要求，為了能夠實現大功率、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。再入在發動機作為原動力的條件下，使用液壓控制系統能夠實現功率的綜合利用。不僅如此，在相對較為惡劣的環境中，液壓控制系統也表現出了較為穩定的可靠性、安全性、舒適性等特點。

3? 機械液壓混合傳動原理及機組的變速恒頻控制

機械液壓混合傳動下的并網風電機組，通過葉輪獲得風能、機械能，能量繼而發生分流，一部分能量轉化為驅動液壓泵的液壓能進一步轉化為機械能，另一部分能量通過機械路傳遞。最后兩股能量合流傳遞給發動機。

混合傳動系統是機械液壓混合傳動式風電機組的關鍵部分，我們首先對其進行原理分析。

行星輪系有三個基本構件，存在如下關系：

其中：ns代表太陽輪的轉速，nr代表齒圈的轉速，nc代表行星架的轉速，Ts代表太陽輪的轉矩，Tr代表齒輪的轉矩，Tc代表行星架的轉矩，k代表齒圈與太陽輪的齒數比。

進一步可以推導出液壓路功率和機械路功率之間的關系：

其中，PH代表流行液壓路的功率，PM代表流經機械路的功率，T1代表齒輪Ⅱ的轉矩，n1代表齒輪Ⅱ的轉速，T2代表行星架的轉矩，n2代表行星架的轉速，i1代表齒輪Ⅰ、Ⅱ的傳動比，i2代表齒輪Ⅲ、Ⅳ的傳動比，i3代表齒輪Ⅴ、Ⅵ的傳動比，ih代表變量泵馬達系統傳動比，η代表液壓路傳動效率，由此我們可以得出，ih越大，那么流經液壓路的功率占比越大。

進一步得出液壓路功率和總功率之比：

令i1=i2=ih=1，i3=0.5，發現流經液壓系統的功率不超過總功率的29%，和液壓式傳遞的風力機比較而言，變量泵的馬達排量降低，液壓傳動帶來的能量損失也有所降低。

4? 混合傳動式風電機組建模

所謂混合傳動式風電機組建模是指專門針對1.5MW實施的風力發電仿真模型，根據不同的建模方式和渠道，主要包括以下幾種類型。

4.1? 風速模型

風速一般意義上包括四個主要影響因素，分別是：平均值、斜坡值，這是表示風速穩定增加具體量值指數、陣風分量和湍流分量。其中，風機額定功率和潮流計算的輸出率兩者結合可以計算出平均風速，主要用三個幅值a、起始時間t和終止時間T三個主要參數計算得出。

4.2? 葉輪模型

葉輪模型中，風機運行效率與風速有直接關系，但是，當保持葉輪節距角不變的情況下，只要保證風輪在一個恰當的活動范圍內，就可以維持風力機的正常運行。想要調節風速的變化，只要調節風輪的轉速就可以實現，使得風輪葉尖與風速之間保持不變的，就可以得到預期的效果。

4.3? 并網發電機模型

隨著電力技術的進步和發展，發電機被廣泛應用于水利發電和火力發電中。此外，在柴油發電、核能發電等發電機制中也經常能見到發電機的身影。將同步發電機并入電網合并運行，通過調節勵磁電流以及電機操作系統就可以有效的實現調節電機功率因素和無功功率的目的。

與雙饋式風力電機和永磁力風力發電機相比，合并風力發電機具有不需要使用大容量變流器的顯著優勢。一般而言，變流器所需要的成本極高，且操作程序復雜，在運行過程中還可能產生大量的高頻電流，既有可能導致部分電流損失嚴重，又有可能影響電網的電能質量。

5? 混合傳動式風電機組建模的仿真結果分析

5.1? 變速恒頻控制結構分析

在風速達到4m/s時，就達到了風速并網的基本條件，同步發電機主要組成部分發電機轉速如果能夠穩定在與同步轉速相近的范圍內，此時就可以將勵磁系統調節電壓合閘并網。

實現合閘并網后，電網系統的仿真系統結果曲線也會發生明顯變化，其中，葉輪轉速可以實現對目標轉速的實時追蹤，保證風速能夠幫助風力機運行達到最佳狀態，達到風速最大值。

5.2? 機械液壓混合傳動功率分配及效率分析

機械液壓混合傳動功率主要依靠發電機來輸送，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，機械路傳遞為主，有效的提高了整個傳遞系統的實際效率，基本能夠達到88%～93%之間，使得風力機的效率明顯增加。在機械液壓混合傳動中，還有少量的能量是以液壓的形式來傳遞的，實驗證明，當系統功率達到93%以上時，液壓功率占總功率的比重非常小，一般只有8%左右。

6? 結束語

綜上所述，機械液壓混合傳動式風電機組功率控制的方法和技術很關鍵，本文總結了機械液壓混合傳動式風電機組功率控制的技術方法，思考了技術的基本措施和對策，可供今后研究應用。

參考文獻：

[1] 齊功.基于AMESim的采煤機截割機構混合傳動系統的研究[J].機械管理開發，2019（4）：113～114+118.

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

[3] 王建榕.機械設計制造中液壓機械傳動控制系統與應用[J].時代農機，2018（9）：209.