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1、液压传动型风力发电机组概述丁松（143717015）摘要：本文叙述了液压传动型风力发电机组国外、国内的发展历史及研究现状。介绍了其典型结构与工作原理，包括主架构、详细结构与工作原理、并网转速控制系统、工作状态。分析了其特点与优势。描绘了其发展前景。液压传动型风力发电机组由于结构简单、成本低、可靠性高，具有很大的发展潜力和广阔的前景。关键词：液压传动；风力发电机组；概述；综述Overview of hydraulic driven wind turbineDING Song (143717015)Abstract：This paper describes the development hist
2、ory and research status of the hydraulic driven wind turbine abroad and domestic. This paper introduces the typical structure and working principle, including the main structure, the detailed structure and the working principle, the network speed control system and the working state. The characteris
3、tics and advantages of the system are analyzed. The development prospect is described. Hydraulic driven wind turbine has great development potential and broad prospects due to its simple structure, low cost and high reliability. Key words：hydraulic drive;wind turbine; overview0 引言现代风力发电机组普遍采用以增速齿轮箱为
4、主传动的交流励磁双馈发电机(doublyfed induction generator，DFIG)和无齿轮箱直接驱动的多级永磁同步发电机(permanent magnetic synchronous generator，PMSG)。PMSG因为其自励磁特性被研究者普遍认为是变速风力发电机组理想的选择，它的自励磁特性使系统能够在高功率因数和高效率下运行，主要代表机型有德国Enercon E66型2 MW、意大利Gamma 60型15 MW等1。除笼型异步发电机、双馈异步发电机、永磁同步发电机之外，各国研究人员从提高风力发电机组的效率、可靠性和降低大型发电机的制造难度等角度，提出了其它具有商业化潜
5、力的发电机，如开关磁阻发电机、无刷双馈感应发电机、爪极式发电机、高压发电机、定子双绕组异步发电机、横向磁通永磁发电机、双凸极发电机、电气无级变速器、全永磁悬浮发电机等。虽然这些新型风力发电机组各有优点，但是始终没有彻底摆脱齿轮箱和庞大的整流逆变装置，所以一种摒弃齿轮箱和整流逆变装置的新型风力发电机型液压型风力发电机组应运而生1。液压型风力发电机组作为新一代风力发电机组，与传统齿轮箱式及直驱式风力发电机组相比有很大优势。液压型风力发电机组主传动使用定量泵-变量马达闭式系统代替齿轮箱，由于液压系统是柔性系统，灵活性好，可以承受较大的载荷，提高机组的使用寿命；液压型风力发电机组大大降低了机舱重量，1
6、.6MW齿轮箱式风力发电机组齿轮箱重达13吨，2MW直驱式风力发电机组的发电机重达150吨，而1.6MW液压型风力发电机组的液压泵只重5吨，大大降低塔筒及机舱故障；液压型风力发电机组采用励磁无刷同步发电机直接并网，发电机与电网之间无需变流器，发电机速度被控制稳定于1500r/min，满足电网50Hz频率要求，电能质量高；液压型风力发电机组在制造成本、关键零部件的采购、维修等方面也均具有很大优势2。与传统双馈和直驱机型相比，液压传动系统功重比高，可以省去笨重且昂贵的齿轮箱，解决了齿轮箱传动故障率高，维护成本高的问题，避免了直驱机型庞大的永磁发电机。液压传动减速比实时调整，可采用电励磁同步发电机，
7、省去昂贵而高故障率的电力电子变换装置和变压器，整套设备成本大大降低，具有提高发电质量，便于维护等优点，各国相继开展液压型风力发电机组研发工作1, 3。1发展历史及现状从2007年开始，国外开始研究液压型风力发电机组，主要集中在挪威、德国、美国、英国等发达国家，各国家前期研究只限于理论及实验室研究。从2009年开始，各国争相进行液压型风力发电机组样机实验，预期于20112012年推出系列产品。国内液压型风力发电机组相关研究很少，一些企业及科研机构也已经开始或进行引进吸收技术或独立自主研发2。1.1国外1979年，美国专利提出液压型风力发电机组压力反馈控制运行方法，风力机与液压泵相连接，检测泵产生
8、的液压压力值与基准值进行比较，实现风力机转速控制1。2003年，加拿大专利提出一种带有可变排量和压力补偿液压传动装置的风力发电机组。这种风力发电机组通过控制排量从而有效控制“过速”负载。但这种排量控制只在启动期间进行，不在发电运行工况中进行1。挪威科技大学从2004年开始液压型风力发电机组的各种研究，并得到挪威海德鲁公司的资助，2005年，挪威科技大学制造出全50kW液压型风力发电机组模型，20062007年，研发出300kW液压型风力发电机组样机2。2006年，挪威专利 提出一种基于定量泵一变量马达液压型电力产生系统及其控制方法。通过控制闭式系统马达排量，以维持设定的涡轮机叶尖速比，从而提高
9、发电系统的效率1。2007年挪威ChapDrive公司成功研发出225kW落地式液压型风力发电机组，采用定量泵-变量马达闭式液压系统传动，图1.1.1为ChapDrive公司液压型风力发电机组原理图，定量泵与风力发电机组叶轮主轴直接相连，随着叶轮旋转定量泵输出高压液压油，变量马达及励磁同步发电机采用落地式安装，定量泵经过输油管道驱动变量马达，马达恒定转速输出，满足电网频率要求，励磁同步发电机直接并网发电，并且制造出样机，进行现场试验，测绘试验曲线，并于2009年进行改进升级使其最优化；2008年，研发出900kW液压型风力发电机组，并于2009年制造样机，进行现场试验；目前，根据之前的225k
10、W及900kW液压型风力发电机组的数据，ChapDrive公司建立了仿真工具和动态模型，并积极开发5MW液压型风力发电机组，计划起始于2009年，并已于2010年11月成功完成图1.1.2的ChapDrive公司液压型风力发电机组仿真分析系统2。图 1.1.1 Chap Drive 公司液压型风力发电机组原理图图 1.1.2 Chap Drive 公司液压型风力发电机组仿真分析系统目前，ChapDrive公司正在积极研发将液压元件尽可能的集成为一体，尽可能的整合液压系统与风力发电机组关键零部件，使液压系统具有高功率密度，使机舱内部的重量更轻，传输功率更大，该项目起始于2011年8月，预计在20
11、13年完成2。2008 年，德国诺德文德公司研发出 850k W 全液压型风力发电机组，该风力发电机组为机舱一体式，采用双叶片驱动方式，定量泵-变量马达闭式液压系统均安装在机舱内，与变量马达直接连接的励磁同步发电机直接并网，电网与同步发电机设置有大型变压器等设备，省去变流器、逆变器等整流设备，该风力发电机组为变速恒频型风力发电机组，配有以液压系统传动的调桨、偏航系统，在风速或风向改变时，通过调桨、偏航两个动作与主传动配合使风力发电机组始终运行于安全状态，在可靠性、安全性及设备寿命等方面与传统齿轮箱式及直驱式风力发电机组相比有较大优势，图 1.1.3 为德国诺德文德公司液压型风力发电机组机舱内部
12、结构图2。图 1.1.3 德国诺德文德液压型风力发电机组机舱内部结构图2009年，位于苏格兰爱丁堡的ArtemisIntelligentPower公司在英国碳基金会的支持下，利用数字排量技术，成功完成了1.5MW液压型风力发电机组的模型，获得了碳基金会创新奖。图1.1.5为ArtemisIntelligentPower公司液压型风力发电机组结构图，该公司正在进行样机和产品化研究，该模型液压传动原理是在风力发电机组轴上安装了68个柱塞缸，其原理如图1.1.4所示，风力发电机组叶轮转动时，柱塞缸吸入低压油排出高压油，高压油驱动两个变量马达，带动励磁同步发电机，图1.1.6为ArtemisIntel
13、ligentPower公司实验主泵。经实验研究，发现该系统在大部分风速下的效率可以达到90%，和传统齿轮箱的效率相当。实验研究过程中实现了最佳功率控制，通过设置蓄能器避免了系统冲击。由于使用励磁同步发电机，去掉了传统风机的逆变器等设备，系统重量仅有6吨，而齿轮箱式风力发电机组对应部分重量达15吨2。图1.1.4 Artemis Intelligent Power公司风力发电机组原理图图 1.1.5 Artemis Intelligent Power 公司液压型风机结构图图 1.1.6 Artemis Intelligent Power 公司实验数字排量泵这种新一代全液压风力发电机(见图1.1.
14、7)的核心是全工况高效的液压泵、液压马达。图1.1.8为全液压风力机用数字液压马达结构，这是一种阀配流的径向柱塞马达。目前的径向柱塞马达的寿命要比轴向柱塞马达高一个数量级，例如扑克兰的产品可达5万h。数字液压马达（泵）与现有径向马达（泵）的不同之处是每个缸采用独立的数字阀配流，图1.1.7右上方所示的1.5MW数字液压泵有多达68个缸，因而其变量精度已足够高。而且由于各个缸是独立控制的，即使其中8个缸或阀故障，尚有60个缸能继续工作，这种并联结构保证了其极高的可靠性。该1.5MW数字泵的外径不到2m，数字泵与数字马达总重量不到双馈风力机齿轮箱重量的一半。一般塔顶减轻1吨则塔筒及基础重量可减轻2
15、t，这对降低整机造价十分有利。从图1.1.8不难发现其关键是高速、高效的数字阀，一般商用插装阀难以满足要求。数字泵（马达）的效率主要取决于数字阀的阀口压降损失、泵压缩融腔能量损失和数字阀过渡过程能量损失，一般阀口压降损失占30%、泵压缩容腔能量损失占13%、数字阀过渡过程能量损失是关键，国外样机数字阀的设计效率高达98.8%。图1.1.9为数字阀（马达）在不同工况下的效率曲线（横坐标为每分钟转速）。4图1.1.7 新一代全液压风力发电机图1.1.8 数字液压马达结构图1.1.9 数字（马达）在不同工况下的效率曲线图1.1.10为液压系统回路，图9为全液压风力机与双馈变频风力机效率比较，在中低速
16、风速范围（410m/s），全液压风力机的效率高于双馈变频风力机，而该风速范围却是风力机最多的运行工况。4图1.1.10 液压系统回路图图1.1.11 全液压风力机与双馈变频风力效率比较图1.1.12给出了全液压风力机与双馈变频风力机系统配置的比较，不难发现全液压风力机价格优势十分显著。4图1.1.12 全液压风力机与双馈变频风力机系统配置的比较2010年，德国亚琛工业大学IFAS实验室搭建了实验台研究液压型风力发电机组，完成了理论仿真分析及实验台数据分析对比。图1.1.13、1.1.14分别为IFAS实验室液压型风力发电机组的仿真原理图及实验台2。图 1.1.13 IFAS 实验室实验及实时仿真原理图IFAS实验室主要研究内容包括定量泵-变量马达液压组合方式分析，液压系统动静态
