风力发电液力机械传动装置的特性及设计

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【摘 要】风力发电是近几年来兴起的一种新能源发电方式，其具有可利用能量大、可持续再生、无污染的优点。目前我国已成为世界上最大的风力发电市场，液力机械传动装置在风力发电系统中起到恒定输出电压和输电频率的重要作用，对该传动装置的特性进行研究，并在设计中充分参考到其特性，是十分必要而迫切的。

【关键词】风力发电；液力机械传动；特性分析；设计

1概述

据联合国环境署的估计，全球可利用的风能总量约为　KW，其数量是全球可供开发利用的水能总量的十倍，风能还具有可持续再生、安全无污染的特点，因此利用风能发电已经在世界各国受到了相当的重视和推广。最近公布的《中国风电发展报告2012》中披露，截至2011年底，我国的风电装机容量已达到45GW，位居世界第一，是世界上最大的风电市场。如此大的风电装机容量对于风电机组的高效、安全、可靠和低成本运行提出了巨大的挑战。

由于风能资源来源的不确定和不稳定性，造成作用在风机叶轮上的作用力的大小和方向都不稳定，进而使风力发电机的输出功率和频率不稳定，无法满足并网输电的要求。为解决上述问题，就需要在电网和风力发电机之间安装一套变速变频装置，使得风力发电机发出的不稳定的电功率能够经该变速装置之后变为恒频恒压输出。目前常用的是基于液力机械的传动装置，它将发电机与液力机械的输出轴相连，实现变化的风轮转速到恒定的发电机速度的转化，通过控制液力变矩器的运转速度使液力机械的输出速度恒定，从而达到风力发电机恒压恒频电输出的目的。以下就对这类风力发电液力机械传动装置的特性进行必要的分析，以便对其设计起到一定的指导和借鉴作用。

2风力发电液力机械传动装置的结构原理与特性分析

新型的风力发电恒频-恒压液力机械传动装置起源于2002年德国Voith公司提出的WinDrive变速箱系统，经过10年的发展改良，其基本结构仍然没有太大的变化，主要由同步发电机、液力变矩器、行星齿轮变速箱和控制系统组成，如图1所示。

这种传动装置的基本原理是：风机输出的变速变转矩的电功率经过行星齿轮变速箱和一定控制规律控制的液力变矩器后转变为变转矩恒转速的功率输出，　，直接作为同步发电机的功率输入，实现“恒频”。同步发电机励磁控制，即可以控制风力机的转速，使风力机转速在对应转速的最大功率捕获点附近，达到对风能的最大捕获。

这种传动装置中的液力机械部分是可调式液力变矩器，其与普通的液力变矩器一样也由泵轮、涡轮和可调导轮组成。所不同的是，这种液力变矩器在液力回路中加入了可调环节，即导轮的叶片能够通过控制系统进行控制，打开到需要的开度，这样就能对液力回路的传递介质液体进行流动状态的控制，使得液力变矩器的涡轮转速随之进行相应的变化，进而实现变矩器变化的输出特性，满足液力机械变工况工作的需要。传统的液力变矩器虽然有诸如柔性传动、自适应能力强、无极变速等的优点，但也存在着一个无法回避的缺陷，那就是传动效率低下，能量损失大，其最高传动效率也在90%以下，相对于齿轮传动的高效率差距明显。而上述的风力发电液力机械传动装置的另一大特性是：由于液力变矩器并不是主要的传动元件，而是作为调节元件，风轮的功率输入在液力变矩器处分成两部分，其中的一部分直接传给发电机转轴作为发电功率输出，而另外一部分则驱动涡轮和其他的机械机构又与风轮的功率输入汇到一起。这样的功率流程使得只有总功率的一部分经过了效率相对较低的液力变矩器，传动总效率不会因为经过液力变矩器而变得过低。

3风力发电液力机械传动装置的设计分析

风力发电液力机械传动装置的设计可以根据不同的运行工况分为：启动、变速运行、变转矩运行和刹车四个工况。在设计中应当根据不同工况的不同特点和要求进行设计。其中的启动和刹车工况需要传动装置具有良好的响应速度，使系统在最短的时间内达到要求的运行状态。变速运行条件下就需要传动装置能够依靠调节转速来改变风对风轮的作用力，减少或消除风能产生过程中的急剧波动，达到捕获最大风能、减小瞬态负荷的目的；变转距工况的主要控制目标则是通过液力传动装置来实现同步发电机输出的电功率稳定不变。

在实际的风力发电过程中，由于风力的大小是在一个相当宽广的范围内随机变化的，风力发电机不可能利用所有范围内的风力，而只能利用一个范围内的风速，风力发电机所能利用风速的上限称为切出风速，这个风速下的风力发电机对应的输出功率就是风力发电机的最大功率；相应地，发电机所能利用的风速下限称为切入风速，即风能装置能驱动发电机发电的最低风速，这个风速下对应的输出功率一般取发电机最大功率的10%以上。在切出风速与切入风速之间的风速都是风力发电机能够利用的风速，也可称为风力发电机的部分负荷工况，在这种部分负荷工况下，由于行星齿轮机构的转速转矩关系式为二元一次方程，其输出通过齿圈输入可调式液力变矩器，利用变矩器本身输出随输入变化而变化的固有特性，可以利用液力机械传动装置中可调变矩器中的导轮叶片调节作用，实现传动系输出轴上保持恒定的转速，从而确保风机叶轮具有接近抛物线曲线的最佳吸收功率特性，这种控制可以通过传动装置的控制系统来对液力变矩器自动调节实现，在设计过程中应当确定各工况下所对应的最佳叶轮开度值。

除了上述的可调式液力变矩器的叶轮开度控制外，在传动装置中还需要对风机叶轮的叶片进行位置控制、对同步发电机的输出功率进行控制，与叶轮开度的控制相仿，这些控制都应设计采用闭环伺服控制系统。闭环伺服控制系统的控制效果一般由控制策略、结构元件参数和控制元件的性能决定。针对不同的工况，应选用不同的控制策略、结构参数和控制元件等。比如在传统的PID控制之外，可以考虑采用神经网络控制、模糊控制等新式控制策略来尝试达到不同的控制效果。另外通过对液力机械传动装置参数的优选，如根据给定风机叶轮的额定转速，通过控制叶片倾角、可调浆距，调节叶轮所能捕获的最大风能，提高风轮能量转化效率。通过检测风机叶片的转速，由传感器将转速信号反馈到伺服电机，由伺服电机推动可调变矩器的丝杠齿条机构，来调节导轮叶片角度，从而保证可调变矩器涡轮转速转矩的改变，实现输出转速的基本恒定。

参考文献：

[1]周绪强.液力变速与传动技术在风力发电系统中的应用研究[D].哈尔滨工业大学，2009：15-22．

[2]张弛.风力机与可调式液力变矩器匹配工作特性研究[D].哈尔滨工业大学，2010：76-80．