液压传动型风力发电机组概述丁松Word文档格式.docx
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0引言
现代风力发电机组普遍采用以增速齿轮箱为主传动的交流励磁双馈发电机（doubly—fedinductiongenerator，DFIG）和无齿轮箱直接驱动的多级永磁同步发电机（permanentmagneticsynchronousgenerator，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EnerconE66型2MW、意大利Gamma60型1．5MW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，1.6MW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，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2011~2012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，2006~2007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225kW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1.1.1ChapDrive公司液压型风力发电机组原理图
图1.1.2ChapDrive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2013年完成[2]。
2008年，德国诺德文德公司研发出850kW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ArtemisIntelligentPower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1.1.4ArtemisIntelligentPower公司风力发电机组原理图
图1.1.5ArtemisIntelligentPower公司液压型风机结构图
图1.1.6ArtemisIntelligentPower公司实验数字排量泵
这种新一代全液压风力发电机（见图1.1.7）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2t，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，在中低速风速范围（4~10m/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。
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。
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1.1.13IFAS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，液压系统动静态分析，并且在实验室搭建实验平台，通过负载模拟给定叶轮输入，实际测试液压型风力发电机组效率以及液压系统作为柔性系统具有良好的阻尼性，最后给出MW级液压型风力发电机组的设计方案。
最终IFAS实验室得出结论：
液压主传动系统效率随着风速增加快速提升到85%，并且在比较宽泛的风速范围内具有较高的效率，液压型风力发电机组与传统风力发电机组相比有一定的优势。
IFAS实验室在完成实验室研究基础上将在风电场完成液压型风力发电机组样机的测试研究[2]。
图1.1.14IFAS实验室液压型风力发电机组实验台
2010年，美国伊顿公司提出一种液压型风力发电机组方案，将90％的设备安装在地面，该方式更适用于中小型风力发电机组，降低安装成本、减少机舱重量、大大减少了维修次数。
系统采用水平轴液压柱塞泵一液压柱塞马达闭式系统，柱塞泵输出高压油液经过输油管道驱动柱塞马达，拖动异步发电机工作于同步转速实现并网发电[1]。
最后，图1.1.15给出了丹麦某大学投入8个博士生正在研发的下一代全液压海上风力机原理图，塔顶只有液压泵，液压马达布置在塔下，每台风力机不再单独配置发电机，各台风力机由液压马达驱动海水泵，通过管道集流后驱动一台水轮发电机。
该配置方案大大减少了昂贵的海底电缆。
该研发项目将于2012年底完成样机设计并开始组织制造，计划在2014年初试运行[4]。
图1.1.15全液压海上风力发电机
1.2国内
国内主要以齿轮箱式风力发电机组为主流机型，对液压型风力发电机组研究很少，但是有些企业已经开始引进国外技术，进行样机制造[2]。
2007年江苏诺德文德能源设备有限公司成套引进德国NORD—WIND公司液压型风力发电机组技术，未见实验成功相关报道。
因此成套引进国外液压型风力发电机组技术耗资巨大，且难于掌握核心技术[1]。
兰州电源车辆研究所有限公司的陈建业，周强等人2009年开展了在齿轮箱与发电机之间引入泵控马达液压系统的研究，并申请了专利ZL200920168439.X，齿轮箱和变量液压泵安装于塔架上的机舱外壳中，风机叶片通过变速箱与变量液压泵联接，变量液压泵-定量液压马达传动系统直接与发电机联接[2]。
2010年，大连星火新能源发展有限公司引进挪威ChapDrive公司成套液压型风力发电机组技术，已经启动了1.5MW新型智能液压型风力发电机组的设计，目前进入到1.5MW风力发电机组的样机组装阶段，计划在2011年6月份完成风力发电机组的并网发电实验，但至今未见其实验成功报道，并且大连星火已经开始3MW样机设计工作，根据大连星火新能源发展有限公司的规划，未来3~5年，将把液压传动技术应用于5MW及更大功率海上风力发电机组的开发，但截止目前，该公司没有进一步相关的报道[2]。
2010年，上海僖舜莱机电设备制造有限公司的陈忠卫、温熙森等在发明专利中提出一种液控稳频发电方法：
风力机采集风能并转化为机械能，功率调配箱将机械能传输至并联泵组，集流器将液压能传输至变量液压马达，控制器控制液压马达恒转速输出。
这个系统采用功率调配箱、集流器等装置，增大了机舱重量、控制方式相对复杂[1]。
2012年，燕山大学孔祥东教授为验证液压型风力发电系统原理的可行性，对液压型风力发电机组主传动系统恒转速输出和功率控制做了理论与实验研究，并提出基于间接流量反馈和直接转速闭环控制的方式，使系统工作于恒流源的控制方法和系统功率控制方法。
并搭建了模拟试验平台，模拟实验台由风力机模拟系统、液压传动系统、并网发电系统和控制系统四部分构成。
其实验台结构如图1.2.1所示。
模拟试验台液压传动系统组成元件及型号见表1.2.1[1]。
图1.2.1燕山大学液压型风力发电机组实验台结构
表1.2.1液压传动系统组成元件及型号
截至目前，我国燕山大学的孔祥东教授及其团队对该项技术做了大量的研究，取得了一些成果。
2典型结构与工作原理
2.1液压传动控制系统构成、功能
2.1.1主架构
液压型风力发电机组主传动系统如图2.1.1.1所示，主要包括风力机、定量泵一变量马达液压传动控制系统、电励磁同步发电机、发电控制系统、调桨系统、偏航系统、刹车安全系统等[2][1]。
风力机先将风能转换成机械能。
机械能推动液压泵，由液压泵转换成液压能。
流体能量被传递后，液压能传输到变量马达处推动变量马达转换成机械能，变量马达驱动电励磁同步发电机将液压能转换成电能[1]。
图2.1.1.1液压型风力发电机组的工作原理图[5]
图2.1.1.2液压传动式风力发电机基本原理
液压型风力发电机组用定量泵-变量马达闭式液压系统代替齿轮箱，将叶轮与发电机的刚性连接代替为柔性连接，风速较大及风速波动剧烈情况下，有良好的阻尼缓冲作用，有效延长机组寿命；
综合检测分析叶轮转速、风速及定量泵出口流量，控制变量液压马达的斜盘摆角可使马达始终运转在1500r/min，4极同步发电机输送到电网的电能频率为50Hz，满足电网频率要求，发电机通过变压器可直接并网，省掉了整流器、逆变器等电子元件，降低了成本，减轻了机组质量，并且电能质量高；
机组运行时，液压系统的压力变化会引起对叶轮力矩的变化，从而可控制叶轮转速，使叶轮在某一风速下运行于对应转速，实现叶轮最大限度的吸收风能[2]。
目前，液压型风力发电机组在国外已经制造出样机，国外样机结构主要是以落地式为主，与叶轮连接的定量泵安装在机舱里，变量液压马达及发电机安装在地面上，定量泵与变量马达之间通过长距离液压管道输送油液，有效减轻机舱重量，机组安全性更高，并且变量马达及发电机安装与地面便于维护及零部件更换[2]。
图2.1.1.3为液压传动风力发电机组的构成框图。
它包括叶片、轮毂、变量泵、液压定量马达、冷却器、油箱、输油管路、同步交流发电机、机舱等。
其中传动轴和变量泵装在机舱中。
轮毂圆周内装一个大的内啮合齿轮，其随轮毂的旋转而转动。
传动轴的一端装小齿轮与轮毂上的大齿轮啮合，另一端直接驱动变量泵。
这样的传动装置还可以通过内啮合齿轮传动比将风轮转速放大到变量泵的工作转速。
可以在机舱中同时装入多个变量泵，使它们同步工作，最终达到交流发电机所需的转速。
在具有旋转动作的液压管路上使用液压旋转接头，防止偏航时扭曲液压管道。
如图1所示，虚线I内的设备在塔架上，虚线II内的设备在地面[6]。
图2.1.1.3液压传动风力发电机组的构成框图
实际结构示意如图2.1.1.4所示。
图2.1.1.4一种风力发电机组的液压传动系统布置图[7]
但也有人将液压型风力发电机组所有元件均安装于机舱内部，相对于落地式虽然重量有所增加，但是相对于传统风力发电机组重量大大降低，所有元件安装于机舱内部避免了长距离的输油管道，减少管道沿程损失，使液压系统能够在较高工作效率下工作[2]。
如图2.1.1.5所示。
图2.1.1.5液压传动链的图解[8]。
2.1.2详细结构与工作原理
变量马达系统的工作原理：
详细液压结构如图2.1.2.1所示：
图2.1.2.1基于液压传动的风力机的工作原理图[9]；
该风力机含有冲洗阀和补油装置，所述冲洗阀的A口连接定量液压泵的出口，所述冲洗阀的B口与定量液压泵的进口相连接。
补油装置包括电机、补油液压泵、第一单向阀、第二单向阀、第二溢流阀、滤油器和油箱[9]。
所述电机连接补油液压泵，所述补油液压泵的出口通过管路连接第一单向阀的进口，所述补油液压泵的进口连接油箱。
所述第一单向阀的出口连接冲洗阀的C口，所述第二溢流阀的进口连接第一单向阀的出口，所述第二溢流阀的出口连接油箱。
所述第二单向阀的进口连接滤油器的进口，所述第二单向阀的出口与油箱相连接。
所述滤油器的进口与冲洗阀的D口相连接，所述滤油器的出口与油箱相连接[9]。
所述冲洗阀包括第三节流阀、三位三通阀和第一溢流阀。
所述三位三通阀的E口与冲洗阀的A口连通，所述三位三通阀的F口与冲洗阀的B口连通，所述三位三通阀的G口与冲洗阀的C口连通，所述第一溢流阀的出口与冲洗阀的D口连通，所述三位三通阀的G口通过第三节流阀与第一溢流阀的进口相连通。
所述三位三通阀的上位控制油路设有第一节流阀，所述三位三通阀的下位控制油路设有第二节流阀[9]。
进一步的，所述定量液压泵的出口处设有背压阀，所述定量液压泵的出口与背压阀的进口相连接，所述定量液压泵的进口与背压阀的出口相连接[9]。
进一步的，所述蓄能器通过截止阀连接所述定量液压泵的出口与变量液压马达的进口相连接的管路[9]。
一种落地式液压系统液压详图如图2.1.2.2所示：
图2.1.2.2一种风力发电机组的液压系统[7]
变量泵-定量马达系统详细工作原理：
图2.1.2.3为液压传动风力发电机组的工作原理图，采用液压柔性传动。
在切入风速的工况下，风力机叶片获取风能，和轮毂一起开始旋转。
变量泵传动轴在内圈齿轮的驱动下转动。
泵输出的液压油通过塔架内的管道送给地面的定量液压马达，以驱动马达旋转，从而带动同步交流发电机发电液压马达输出的油液经过冷却器、过滤器之后流回油箱。
整个传动装置是一个闭式系统。
补油泵的作用是始终保持低压管路有一定的压力，改善主泵的吸油条件，防止空气渗入和出现空穴现象；
除此之外，它不断地将油箱中冷却的油液输入到回路中，迫使液压马达排出的热油一部分从溢流阀流回油箱，把回路中的部分热量带走。
另外，补油泵还为变量机构提供恒定的控制压。
补油泵的流量一般为主泵最大流量的10％～15％左右。
旁路蓄能器可以维持一段时间内的输出功率稳定。
系统中所使用的同步交流发电机转子旋转的速度和发电频率有绝对的正比关系。
与异步发电机相比，永磁同步交流发电机转子为铁氧体材料制造的永磁体磁极，通常为低速多极式，能在较低的风速下发电。
它无需励磁绕组，并且不需要从所接的电网中汲取滞后的磁化电流，因此，在同功率等级下，功率因数较高，整个系统能保证入网的风电与电网的频率相同[6]。
图2.1.2.3液压传动风力发电机组的工作原理图[6]
在一定的启动风速作用下，风力机叶片获取风能而旋转，经变速箱增速后带动变量液压泵旋转，当达到其工作转速时，变量液压泵开始工作，输出一定压力的液压油驱动定量液压马达旋转，继而带动与其联接的工频交流发电机发电，液压油做功后通过置换冲洗阀置换，流经散热器，经冷却后返回液压油箱。
在变量液压泵的排量控制中，电液伺服控制阀将电气输入信号转换为压力信号并作为先导级控制信号来推动三位四通主阀芯运动，从而实现主控制油路对双作用伺服活塞的控制，伺服活塞控制液压泵配油斜盘角度的位置以实现液压泵排量的控制。
同时，电液伺服控制阀主阀芯通过一根机械式反馈连杆与液压泵配油斜盘相连。
因此，电液伺服控制阀主阀芯的位置同时受电气输入信号及液压泵配油斜盘位置反馈信号的控制。
也就是说，通过电液伺服控制阀输入信号的变化可实现液压泵排量的比例控制。
液压传动系统原理图，见图2.1.2.4[10]。
图2.1.2.4液压传动系统原理图
2.2并网转速控制系统
对于定量泵-变量马达系统的转速控制：
一般利用电液伺服阀精确控制变量马达变量机构液压缸的位移来实现变量马达排量的控制，从而控制变量马达的转速，系统控制原理图如图2.3.1所示[3]。
图2.3.1系统控制原理图
定量泵一变量马达调速系统原理如图2.3.2所示。
通过改变变量马达的排量实现液压传动比调整，控制发电机工作于同步转速，实现了将电励磁同步发电机应用于风电领域[1]。
图2.3.2定量泵——变量马达容积调速回路
定量泵一变量马达容积调速回路工作特性曲线如图2.3.4所示，当定量泵输出流量和压力为定值时，变量马达的转速与排量成反比;
液压马达的转矩与排量成正比，输出功率为恒值[1]。
图2.3.4定量泵——变量马达容积调速回路工作特性曲线
风机启动并网阶段，在一定的启动风速作用下，风轮获取风能而旋转，液压泵开始工作，通过变桨距系统对风轮转速进行初步控制[3]，通过配置蓄能器平稳输出液压能，使高
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