基于液压复合传动的变速恒频风力发电系统研究

２００８年第３期　液压与气动　５３　基于液压复合传动的变速恒频风力发电系统研究　赵克刚　。柳文斌　Ａ　Ｖａｒｉａｂｌｅ　Ｓｐｅｅｄ　Ｐｉｔｃｈ　Ｒｅｇｕｌａｔｅｄ　Ｗｉｎｄ　Ｐｏ　ｗｅｌ＂Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　Ｂａｓｅｄ　ＯＩ１　Ｈｖｄｒａｕｌｉｃ　Ｃｏｎ１３ｏｓｉｔｅ　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓ　ＺＨＡＯ　Ｋｅ—ｇａｎｇ　，ＬＩ　Ｕ　Ｗｅｎ—ｂｉｎ２　（１．华南理工大学广东省电动汽车研究重点实验室广东广州２．广州丰田汽车有限公司广东广州５１１４５５）　５１０６４０；　摘　要：该文在综合分析目前风力变速恒频发电技术方案的基础上，借鉴复合液压传动技术的发展经　验，提出一种新型的变速恒频风力发电的技术方案。该方案有助于提高了系统的整体工作效率，改进电功率　质量，进一步降低风力发电成本。该文并对新系统的各种工作模式进行了研究。　关键词：风力发电；液压传动；复合传动　中图分类号：ＴＨ１３７文献标识码：Ｂ　文章编号：１０００—４８５８（２００８）０３—００５３—０３　１前言　诸多技术的高度集成与统一。由于风力是一种不稳定　的动力源，风速经常变化；而风力发电机与电网并网　随着资源的短缺和温室效应的日趋严重，世界各　国逐步加大了开发和利用可再生、无污染的能源的力　度。风力发电是其中最接近实用的一种，到２００２年　底，世界风力发电装机容量已达３２０４万千瓦，并以每　年３０％以上增长率增加。　．　风力发电系统是空气动力学、机械、电机和控制等　薄钢带圆盘纵剪机组从１９９８年使用至今，制动机构的　使用效果一直很好，不仅满足生产要求，而且达到国外　同类设备的水平。　３气液制动机构的特点　收稿日期：２００７．１２．１４　基金项目：教育部博士点基金新教师项目　作者简介：赵克刚（１９７７一），男，上海人，讲师，博士，主要从　事汽车方面的科研和教学工作。　换方便；　（６）这种制动机构克服了纯气压式制动器的冲击　振动现象，也克服了纯液压式制动器结构复杂，液体渗　漏严重的问题，也克服了液压——电动式制动器维修　不便，成本高的缺点。　４气液制动机构的应用　（１）采用了固定钳式制动器，属于双块制动盘式　制动器结构，所以具有双块制动盘式制动器的优点。　如轴向尺寸小，制动时制动盘轴不受弯曲，制动盘轴正　反向转动均可；　气液联合控制的制动机构要求设备必须有气源且　有足够的工作压力，以满足气动控制的要求。在此前　提下，这种制动机构适用下列场合：　（２）对制动盘来说，直径可适当大些，则制动蹄与　制动盘摩擦点距轴心尺寸较大，用较小的制动力获得　较大的制动力矩；　（３）采用汽车制动器，则制动蹄许用比压大，导热　性好，摩擦系数大且恒定，结构紧凑、简单；　（４）采用“气顶油”原理，既具有气压传动的动作　迅速，节约能源的特点，又具有液压传动的制动平衡的　特点；并且，在这种制动机构中由于减压阀的作用，可　使制动蹄的闭合时间和制动力矩在很大范围内调节；　（５）所选用的气动元件、汽车部件均为标准件或　通用件，使机械加工制造工作量大大减少，且维修、更　（１）设备工作轴转动精度要求高，工作时制动盘　轴不应因制动而产生弯曲和振动，且要求制动时间短，　动作平稳、可靠的场合；　（２）工作轴正反向转动的场合；　（３）要求控制元件质量高，使用寿命长、维修、更　换、检查方便的场合；　（４）由多台机器组成的成套设备中，各单机的制　动型式均采用这种机构尤为适用。因为，可采用同一　气源作为动力，其他元件可选用同一型号，所以给设　计、制造、使用、维修等带来极大方便。　口　维普资讯 http://www.cqvip.com 液压与气动　２００８年第３期　时，要求风电的频率保持恒定。为了解决风速与风电　频率之间的矛盾，人们提出了多种解决方案，其中效果　最好的是变速恒频发电方法。　２变速恒频发电方法　目前通用思维变速恒频发电方法主要有以下两　种：基于同步发电机的全馈发电系统和基于绕线异步　机（双馈电机）的双馈发电系统。　全馈发电系统如图１ａ所示。同步电动机输出频　率和电压随转速变化的交流电，经交一直一交变频器，　转换成恒压、恒频（５０　Ｈｚ）接人电网。　该系统中，发电机发出的全部电功率都通过变频　器，变频器容量需按１００％功率选取，比双馈系统容量　大，投资和损耗大，谐波吸收困难。但利于采用低速永　磁同步发电机，因此在风力机与交流发电机之间不需　要安装升速齿轮箱，电机轻，效率高，变频器增加的投　资可以从机械结构的节约中得到补偿。　电网　ａ）全馈发电系统　电网　ｂ）双馈发电系统　图１发电系统原理图　双馈发电系统如图１ｂ所示。双馈发电机是在转　子中施加低频交流电流实现励磁的一种特种异步发电　机，通过调节励磁电流的幅值、频率、相序，确保发电机　输出电功率恒频恒压。　双馈发电系统的最大特点是变频器的容量取决于　发电机变速运行时的最大滑差功率，一般电机的最大　滑差率为±２５～３５％，因此变频器的最大容量仅为发　电机额定容量的１／４～１／３。　除此之外，有学者提出了采用无级传动技术来实　现变速风力发电系统。文献［１］提出采用Ｖ型无级变　速器实现小型风力发电机的无级传动。文献［２］提供　了一种具有行星齿轮功率分汇流机构与液力变矩器的　传动系统。　本文提出一种基于液压复合传动的新型变速风力　发电系统。该方案的基本构成及能量流动关系如图２　所示。该方案由风力机、液压泵、液压马达和功率分汇　流机构、储能器以及相关的液压元件组成，功率输出至　发电机。仍然采用行星齿轮机构作为功率分汇流装　置，风力机输人功率的大部分通过机械传动直接输出　给发电机，一部分通过液压传动传递给发电机。发电　机直接与电网相连，在风速改变的时候，通过液压传动　系统的调节，使得发电机的转速保持稳定。　出　功率分汇流机构　图２基于液压复合传动的变速风　力发电系统能量流关系　３具体实施例　结合国内外变速风力发电系统的研发经验，本文　探讨基于液压复合传动的新型变速风力发电系统。作　为实例，图３给出了与之对应的一个具体拓扑结构。　功率分汇流机构（二自由度的行星机构）在调节风力　机、液压传动回路及发电机三者之间的功率流时起到　了主要作用，成为整体结构的核心。液压泵／马达Ｄ１　的输出轴与行星机构的齿圈相联，液压泵Ｄ２与太阳　轮相联，风力机则与行星架联接。液压回路分流功率　来自于风力机，既能给储能器提供能量，又能够直接提　供动力驱动发电机。采用两自由度行星机构，便于实　现连续可变传动，可以通过控制液压泵Ｄ２的转速来　使发电机工作在同步转速上。　对于两自由度单行星排，各元件之间转速特性方　程式如下：　ｎｔ＋Ｋｎｑ一（１＋　）ｎｊ＝０　（１）　ｎ　为太阳轮转速，ｎ。为齿圈转速，ｎｊ为行星架转　速，　为单行星排齿圈齿数和太阳轮齿数之比，称为　行星排特性参数。　单行星排转速关系式是三元一次齐次方程式，一　个方程式，三个未知数，这反映了单行星排是双自由度　机构。这与普通的定轴齿轮传动不同，定轴齿轮传动　旋转构件之间有固定的转速关系，而行星排三元件中　任意二元件之间无固定的转速联系，要保持系统的稳　定运行，必须再附加一个耦合关系。　维普资讯 http://www.cqvip.com ２００８年第３期　液压与气动　５５　Ｊ　Ｕ山Ｔ　ｊ＿功率！　出　辛　Ｍ．风力机　Ｄ１．液压马达Ｄ２．液压泵　其他液压回路Ｑ．液压储能器　图３变速风力发电系统一种具体拓扑结构　当风力机转速提高时，行星架转速　ｉ随之升高　Ａｎ；如随之调整变流量泵Ｄ２转速，使太阳轮转速　升高（１＋Ｋ）△ｎ，则齿圈转速ｎ。可以仍然保持不变。　当风力机转速降低时，反之升高泵Ｄ２的转速以保持　发电机的转速。本实例中正是通过变流量泵Ｄ２的调　速特性，使得在不同风力机转速条件下，发电机都可以　稳定在同步转速点运行。因此本实例中选取多极低速　同步交流发电机，类似机型被大规模运用在水轮发电　机组中。　４运行模式分析　一般工作模式：当风速大于切人风速时，变流量泵　Ｄ２开始工作，调整发电机转速至同步转速，同步发电　机开始施加励磁并网发电。通过变流量泵Ｄ２分流的　功率被储存在储能器Ｑ中。在必要时供应能量给风　力发电机组的桨叶变桨距液压回路、制动器回路、偏航　系统回路。如图４ａ所示。　压力释放模式：当储能器Ｑ的压力达到一定值　时，起动液压马达Ｄｌ，将液压能转换为动能驱动发电　机发电，当储能器压力下降到一定值后，关闭液压马达　Ｄｌ。因此，液压马达Ｄｌ可以采用高效率的定流量马　达，以提高系统的整体效率。如图４ｂ所示。　过风速模式：当风速高于切出风速时，为保证系统　安全，发电机组需停止运行。同步发电机停止励磁，变　流量泵Ｄ２停止工作，整个系统脱网工作。当风速低　于切出风速后才可以重新并网运行。　５结论　本文针对变速变速恒频风力发电系统的运行特　点，提出了一种基于液压复合传动的新方案。该方案　具有以下特点：　（１）该方案中发电机与电网连接简单。方案中液　压回路的功率容量视调速范围而定，一般只有发电机　额定容量的几分之一。风力机输出功率的主要部分通　过高效率的机械传动回路送到发电机，如果采用永磁　功率分汇流机构Ｃ　ａ）一般工作模式　功率分汇流机构Ｃ　ｂ）压力释放模式　图４不同工作模式下的功率流分析　同步发电机，则整体效率会进一步提高；　（２）由于采用了同步发电机，容易实现平滑的电　功率输出。相对于异步电机，有利于调节功率因素，优　化系统内的电网质量；　（３）系统采用了低速发电机，可以简化升速变速　箱的传动环节；　（４）由于采用了液压复合传动技术，新方案有能　力控制同步发电机工作在稳定的同步转速点，因此可　以实现优化风力机叶片的桨距调节，也就是可以减少　风力机桨距的调节次数，这对桨距调节机构是有利的；　（５）系统由于加入了液压传动回路，可以缓冲机　组剧烈的冲击，从而减少部件的机械应力，也降低了风‘　力机组运转时的噪声水平；　（６）液压储能器比功率大，工作可靠，很适合作为　风力发电机组的储能元件；同时解除了液压泵与液压　马达之间直接的功率耦合，利于采用高效率低成本的　定流量马达；液压储能器还向变桨距回路，偏航回路提　供能量，有利于降低系统的整体运营成本；　（７）目前方案中采用单行星排作为功率分汇流元　件。但如果采用更先进的功率分汇流结构　ｊ，可以降　低液压回路的分流功率，提高系统整体效率。　综上所述，本文提出的基于液压复合传动技术的　变速恒频风力发电系统新方案具有一定的研究价值，　维普资讯 http://www.cqvip.com

５６　液压与气动　２００８年第３期　吴小明　，陈夏平　Ｔｈｅ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｈｙｄｒｏ—ｐｎｅｕｍａｔｉｃ　Ａｂｓｏｒｂｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ—ｐｒｏｐｅｌｌｅｄ　Ｖｅｈｉｃｌｅ　Ｄａｍｐｅｒ　Ｓｙｓｔｅｍ　ＷＵ　Ｘｉａｏ－ｍｉｎｇ　，ＣＨＥＮ　Ｘｉａ－ｐｉｎｇ　（１．丽水职业技术学院，浙江丽水３２３０００；２．浙江绿源电动车有限公司，浙江金华３２１０００）　摘要：介绍了电动车减振技术的现状以及所存在的不足。通过对电动车液．气压减振器的设计、前　（后）轮的结构设计、车胎的规格选择、刹车制动方式的选择等４个方面的分析，指出了液压．气压传动技术在　整车减振技术发展中的趋势。　关键词：电动车；液压；气压；减振器　中图分类号：ＴＨ　１３７文献标识码：Ｂ文章编号：１０００．４８５８（２００８）０３．００５６．０２　１引言　中，一般由３～４节蓄电池串连并用作为动力源。此外　整车还包括车架、把立、前（后）轮、塑件以及各类仪表　等。电动车处于正常工作状态下，蓄电池提供直流电　源（３６　Ｖ／４８　Ｖ）带动轮毂电机驱使整车前进，而对于　电动自动车简称电动车，因其舒适、便捷、环保，很　快风行全国。人骑、电动随意，来去自由，灵活方便，消　耗能源少，省时、省力、高效率是电动车的特点…。电　动车依靠本身独特的魅力正在拥有越来越多的使用群　体。　２电动车的工作原理　电动车主要有４大件构成：控制器、轮毂电机、充　各类仪表与电机的控制则借助控制器来实现，行驶过　程中的刹车断电则通过碟刹（抱刹）与柔性ＥＡＢＳ电子　辅助制动系统共同来完成［　。　３液压．气压减振技术的应用　电器与蓄电池。控制器主要用于电机与电路控制，可　以实现小电流启动，能有效减小大电流启动对电机的　损伤，且可以实现速度控制线性化，在频繁变速、反复　上下坡的行驶过程中，数字控制的优越性表现得更为　明显。轮毂电机属于动力元部件，有无刷与有刷之分。　充电器与蓄电池分别为充放电元器件，充电器为一小　型变压器，蓄电池单节提供１２　Ｖ直流电，由于驱动轮　毂电机的电压一般不低于３６　Ｖ，因此在实际应用过程　电动车虽存在诸多的优点，但它本身在结构设计　以及对元部件的选择使用上也存在一定的不合理性，　而这些不合理的因素最终也影响了电动车的使用性　能。下文讨论的是液压．气压传动技术在电动车减振　收稿日期：２００７—０９—１１　作者简介：吴小明（１９６４一），男，浙江丽水人，工程师，本科，　主要从事机械设计制造技术方面的科研和教学工作。　为降低风力发电的综合成本、推广新能源技术提供了　条进一步探索的新途径。　一ｖａｒｉａｂｌｅ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ［Ｊ］．Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ　Ｅｎｅｒｇｙ，１９９６，７（２）　：１８５—２０３．　［２］邵金华，等，新型变速风力发电传动系统的研究［Ｊ］．现　参考文献：　［１］Ｍａｎｇｉａｌａｒｄｉ　Ｌ，ｅｔ　ａ１．Ｄｙｎａｍｉｃ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｓｙｓ—　ｔｅｒｎｓ　ｅｑｕｉｐｐｅｄ　ｗｉｔｈ　ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ　ｒｅｇｕｌａｔｅｄ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ　代制造工程，２００７（６）：１１２—１１５．　［３］　黄向东，等．功率分流双向汇流的新型复合无级变速器［Ｊ］．　华南理工大学学报（自然科学版），２ＯＯ２，３０（１１）：１０６－１１２．