液压型风力发电机组主传动控制系统综述

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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-fed induction genera。

tor，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 I9 J，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1.5 MW等。

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 。-19]。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-种摒弃收稿 日期 ：2012.11-30基金项 目：高等学校博士学科点专项科研基金(201013331 10001)；十二五”国家科技支撑计划关键基逮和通用部件”重点项 目(2011BAF09B04)。

2 液压与气动 2013年第 l期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。

与传统双劳直驱机型相比，液压传动系统功重比高 ”]，替代了双历型的齿轮箱，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，省掉整流逆变装置，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 概述2007年，挪威 ChapDrive公司研发出900 kW液压型风力发电机组 ，原理如图 1所示。

液压马达 电网图1 风力发电机组原理图该机组采用定量泵 -变量马达闭式系统，定量泵与风力机主轴相连，风力机旋转推动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，定量泵输出高压油液经过输油管道驱动变量马达，变量马达输出稳定转速，拖动励磁同步发电机工作于同步转速，满足电网频率要求，励磁同步发电机直接并网发电。目前 ChapDrive正在研制具有更高效率的 5MW 机型[22]。

2009年，苏格兰 Artemis Inteligent Power公司在英国碳基金会的支持下，成功完成了 1.5 MW 液压型风力发电机组模型，获得了碳基金会创新奖 。该公司采用数字定量泵 -数字变量马达传动形式，定量泵采用阀配流柱塞缸形式，其原理如图2所示。风力机转动时，68个柱塞缸配合工作吸入低压油排出高压油，高压油驱动两个变量马达，拖动励磁同步发电机转动实现并网发电。该系统在大部分风速条件下效率可以达到90%，与传统齿轮箱传动的效率相当。该风力发电机组液压系统如图3所示 。

2010年，德国亚琛大学在实验室搭建液压型风力发电机组实验平台，完成理论仿真分析以及实验台数据对 比分析 。 。采用径向柱塞泵和轴 向柱塞马达 ，原理图如图1所示。实验系统如图4所示 。

图 2 Artemis Inteligent Power公 司风 力发 电机组原理 图图3 Artemis Inteligent Power公司风力发电机组液压系统图 4 亚琛大学风力发电机组实验系统实验台采用定量泵和并联变量马达组成闭式系统，两台液压马达分别拖动两台同步发电机直接并网发电、实验研究表明采用液压传动方式，可抑制风速波动对电能质量的影响。实验数据显示，定量泵 -变鼍屿达闭式系统的效率在大部分 T作 域可 达到 85%以上 。

2010年，美国伊顿公司提出-种液压型风力发电机组方案，将 90%的设备安装在地面，该方式更适川于中小型风力发电机组，降低安装成本、减少机舱 匝量、大大减少了维修次数。系统采用水平轴液压柱塞泵 -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T作丁同步转速实现并网发电 。其原理如图 1所示。

1979年，美国专利 提 液压型风力发电机组2013年第1期 液压与气动 3压力反镭制运行方法，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。

2003年，加拿大专利 提出-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。

2006年，挪威专利 提出-种基于定量泵 -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。

2009年，兰州电源车辆研究所有限公司的陈建业、周强等人开展在齿轮箱与发电机之间引入变量泵控制定量马达液压系统的研究并申请专利 。风力机通过变速箱与变量泵联接，定量马达直接与发电机联接，实现发 电机转 速控制。这 种传动 方式 保 留 了齿轮箱。

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-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。

2010年，大连星火新能源发展有限公司引进挪威ChapDrive公司液压型风力发电机组成套技术，项目目前处于停滞状态，未见实验成功相关报道。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。

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劳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5所示。模拟试验台液压传动系统组成元件及型号见表 1。

图5 燕山大学液压型风力发电机组实验台结构表 1 液压传动系统组成元件及型号序号 名称 型号1 定量泵 A2FO63/61 R-PAB2 变量马达 A4VSO40DS1/IOW-PPB13TO13Z3 高压溢流阀 DB10A.1.B30/3 154 压力传感器 ZQ·-BZ-1/HK/M205 补油泵 PFE-410856 补油溢流阀 AGMZO.A-20/100Y7 控制泵 63PCY14-1 B8 控制溢流阀 AGMZ0-A-20/315Y9 背压阀 DBDS10G10B/25/21O 冷却器 0K-EL5S/3.1/M/A/12 液压型风力发电机组主传动控制系统2.1 主传动控制 系统组成、功能与运行液压型风力发电机组主传动系统如图 1所示，主要包括风力机、定量泵 -变量马达液压传动控制系统、电励磁同步发电机和发电控制系统等。

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。

液压型风力发电机组的运行根据不同风况分为四个阶段，其输出功率曲线如图6所示。

2013年第 1期 液压与气动 5现最佳功率追踪控制。目前新装大型风力发电机组必须具备的基本功能之-为局部负荷区最佳功率追踪控制，并且全年大部分时间运行于局部负荷区，风力发电机组需旧能的吸收风能发电，主传动液压系统功率控制是最优功率追踪的基矗风力发电机组的最优功率追踪控制，本质上是控制风力机转速，通过改变风力机动能，实现风力机转速控制。定量泵 -变量马达系统只有-个被控量--变量马达变量机构的摆角，因此并网后需要通过转速控制环实现发电机功率调整，要求调速系统具有功率主动控制功能以实现风力机转速的主动控制。

变量马达输出功率为：P Qpk (y 。P) (2)式中，P-- 系统压力发电机组并网后∞ 为恒值，但变量马达变量机构摆角 y 和系统压力P均为变量，其乘积存在非线性。所以当变量马达变量机构初始摆角 神和初始压力P 不同时，功率对相同的斜盘摆角变化值具有不同的响应规律。采用相同的控制参数不能满足功率响应- 致性的要求。

控制风力机转速，需要考虑控制策略中所包含的摆角位置控制环、马达速度控制环、功率控制环是否会发生互调失稳现象，避免系统失稳。

3.3 定量泵 -变量马达闭式系统高效率传动控制- 般阀控液压系统存在溢流和节流损失，导致液压传动的效率不够高，对于定量泵-变量马达传动系统，系统本身无节流损失，因此需要设计合理的液压系统原理和控制方法避免溢流损失，提高系统传动效率。

风力发电机组要求定量泵 -变量马达系统实现变转速输入 -恒转速输出，该系统工作时存在两种工作状态：恒压状态和恒流状态 。

系统工作在恒压状态时，系统压力稳定在溢流阀调定压力，变量马达排量由负载和系统压力决定，定量泵的输出流量-部分满足马达恒转速需求，-部分从溢流阀排回油箱，定量泵和溢流阀组成恒压源，系统溢流损失严重。系统工作在恒流状态时，马达排量由定量泵流量和设定输出转速决定，系统压力随外负载变化，系统无溢流损失，系统效率大大提高 。由于定量泵输入转速实时变化，所以系统的流量也在随之变化 ，采用恒流源的控制方法，目的是实时平衡定量泵和变量马达的流量，使系统无溢流。

定量泵-变量马达系统工作于恒流状态是实现该系统稳速控制的关键，定量泵 -变量马达主传动系统可以采用间接流量反馈直接转速闭环的控制方式实现稳速控制，使系统工作于恒流状态，并在此基础上基于转速差调整输出转速，进而控制发电功率 。

挪威专利 副提出，可以采用检测系统压力作为压力反镭制环的输入，使系统工作于恒流状态，并实现稳速控制。

3.4 主传动液压系统低电压穿越控制低电压穿越(Low voltage fide through，LVRT)，指当电网故障或扰动引起风电场并网点的电压跌落时，在-定电压跌落的范围内，风电机组能够不问断并网运行。并向电网提供-定无功功率，支持电网恢复，直至电网恢复正常，从而穿越”这个低 电压时间(区域)。LVRT是对并网风力发电机组在电网出现电压跌落时仍保持并网的-种特定的运行功能要求。

当电网出现故障导致电网电压短暂跌落时，同步发电机端电压瞬时跌落，电磁转矩相应减少，而变量马达输出转矩不变，即发电机输入转矩不变，这样在转子上便产生了剩余转矩导致转子转速增加。若此时不加以控制，各参数都会达到安全设定值而导致风力发电机组脱网运行。

因为液压型风力发电机组采用电励磁同步发电机，其 自动励磁调节系统具有强行励磁装置，当发电机端电压由于电网电压跌落低于设定值时，低电压继电器动作 ，增大励磁机的励磁电流，提高发电机的电动势。增加了同步发电机输出的电磁功率，减少了转子的不平衡功率。但是强励装置输出的强励电流是有限的，当电网电压跌落较严重时，如果仅仅依靠强励装置而不减小输入功率，发电机组依然有可能失稳脱网。

所以在电网出现电压跌落时，液压型风力发电机组在励磁系统强励的基础上，还可以根据电网电压跌落的程度，快速减少主传动液压系统向同步发电机传输的有功功率，以减少转子上的剩余转矩，抑制转速剧烈波动，同时避免发电机定子侧电流过载损坏发电机。

4 液压型风力发电机组优势液压型风力发电机组作为新-代风力发电装备已得到广泛的关注，与传统机型相比，主传动系统优点在于：(1)可选用双叶片机型，风力机旋转速度高，与传统机型相比，在输出功率相等时，液压型风力发电机组负载转矩更低；6 液压与气动 2013年第 1期(2)采用液压系统传动形式，实现传动比实时可调，系统灵活性较高，且实现柔性控制，可抑制风速波动对电能质量的影响；(3)实现电励磁同步发电机在风力发电机组领域的使用，以准同期方式接人电网。省去变频逆变设备，降低对电网的冲击，无谐波，可根据电网的需求调整功率因数，相应发出有功功率和无功功率，电励磁同步发电机具有较强的低电压穿越能力，不需增加硬件设备；(4)省去齿轮箱，减少功率损耗，大大减小风力发电机组的重量，降低装机成本，能很好地适应陆地和海上风力发电机组的需求。

5 结论对液压型风力发电机组主传动液压控制系统，国外已开始对其进行理论研究和样机实验，我国在这种机型研究上处于刚起步阶段。全套引进国外液压型风力发电机组技术耗资巨大，难于掌握核心技术，所以有必要展开该机型的国产化研究。

液压型风力发电机组主传动液压控制系统传动效率较高，系统灵活性较高，应用电励磁同步发电机可准同期并网。机组可实现发电功率控制、最优功率追踪控制及低电压穿越控制。省去齿轮箱、整流逆变器，减小风力发电机组重量，降低装机成本。液压型风力发电机组将成为风力发电机组的-个发展方向。