摘要：風力發(fā)電機械液壓傳動裝置與風力發(fā)電的效率和質(zhì)量有密不可分的聯(lián)系，要把握風力發(fā)電機械液壓傳動裝置的特性，對風力發(fā)電機械液壓混合傳動系統(tǒng)進行設(shè)計，運用混合傳動技術(shù)加以策略適配和控制，在機械液壓調(diào)速裝置替代頻率轉(zhuǎn)換裝置的條件下，確保風輪變轉(zhuǎn)速運行效率和質(zhì)量。本文通過分析該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點，針對存在的問題，分析總結(jié)常見故障原因，提出若干防范治理措施。

　　關(guān)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(shù)方面進一步研究。

　　2 液壓機械控制技術(shù)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(guān)注。隨著機組大型化和海上風電的運行，環(huán)境和工況的改變使齒輪箱、主軸等傳動部件承受的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩波動更劇烈，故障維修成本顯著增加.統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，齒輪箱傳動系統(tǒng)的維修成本最高，齒輪箱故障的高發(fā)期出現(xiàn)在投入運行后的5～8年間，這與風力機的設(shè)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(yīng)發(fā)電機的變速風力機，可以實現(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)電機的直驅(qū)變速風力機雖然形成了無齒輪箱結(jié)構(gòu)，但是永磁直驅(qū)電機的極對數(shù)過多，體積龐大，總量過重，成本高 昂.

　　國際風電領(lǐng)域?qū)W者和工程師日益關(guān)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(shù)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(shè)計獲得英國碳基金會創(chuàng)新獎。根據(jù)現(xiàn)有的研究結(jié)果可知，液壓傳動可以在一定程度上有效地減小傳動結(jié)構(gòu)的力矩波動;液壓系統(tǒng)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(zhuǎn)速特性需要專業(yè)性設(shè)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(shè)備中，液壓傳動及控制技術(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%的機械設(shè)備均采用液壓控制傳動技術(shù)。由于其具有諸多的特點和優(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，同時對于重量有較高要求，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)動機作為原動力的條件下，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。

　　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(wǎng)風電機組，通過葉輪獲得風能、機械能，能量繼而發(fā)生分流，一部分能量轉(zhuǎn)化為驅(qū)動液壓泵的液壓能進一步轉(zhuǎn)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(fā)動機。

　　混合傳動系統(tǒng)是機械液壓混合傳動式風電機組的關(guān)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(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。

　　進一步可以推導(dǎo)出液壓路功率和機械路功率之間的關(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(tǒng)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(jīng)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(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(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(wěn)定增加具體量值指數(shù)、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(jié)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(shù)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(guān)系，但是，當保持葉輪節(jié)距角不變的情況下，只要保證風輪在一個恰當?shù)幕顒臃秶鷥?nèi)，就可以維持風力機的正常運行。想要調(diào)節(jié)風速的變化，只要調(diào)節(jié)風輪的轉(zhuǎn)速就可以實現(xiàn)，使得風輪葉尖與風速之間保持不變的，就可以得到預(yù)期的效果。

　　4.3 并網(wǎng)發(fā)電機模型

　　隨著電力技術(shù)的進步和發(fā)展，發(fā)電機被廣泛應(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)電機制中也經(jīng)常能見到發(fā)電機的身影。將同步發(fā)電機并入電網(wǎng)合并運行，通過調(diào)節(jié)勵磁電流以及電機操作系統(tǒng)就可以有效的實現(xiàn)調(diào)節(jié)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(fā)電機相比，合并風力發(fā)電機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)致部分電流損失嚴重，又有可能影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

　　5 混合傳動式風電機組建模的仿真結(jié)果分析

　　5.1 變速恒頻控制結(jié)構(gòu)分析

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

　　實現(xiàn)合閘并網(wǎng)后，電網(wǎng)系統(tǒng)的仿真系統(tǒng)結(jié)果曲線也會發(fā)生明顯變化，其中，葉輪轉(zhuǎn)速可以實現(xiàn)對目標轉(zhuǎn)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(tài)，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(fā)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(tǒng)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(tǒng)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。

　　電子論文投稿刊物：液壓與氣動(月刊)創(chuàng)刊于1977年，由北京機械工業(yè)自動化研究所主辦。雜志是國內(nèi)外公開發(fā)行的中央級技術(shù)刊物，是機械、儀表類學(xué)科的全國中文核心期刊，是液、氣、密行業(yè)唯一評選進入"中國期刊方陣"的雜志。

　　結(jié)束語

　　綜上所述，考慮到傳統(tǒng)風電機組的液壓傳動效率較低的缺陷，要加強對風力發(fā)電機械液壓傳動裝置及混合傳動策略的研究，全面分析風力發(fā)電機械液壓傳動裝置的工作原理及特性，進行合理的風力發(fā)電機械液壓傳動裝置系統(tǒng)的設(shè)計，對風力發(fā)電機械液壓混合傳動裝置系統(tǒng)的不同階段進行合理的控制和調(diào)節(jié)，實現(xiàn)功率分合流、變速及轉(zhuǎn)矩的控制，提升風力發(fā)電的質(zhì)量和效率。

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　　作者：趙磊