垂直轴风力发电机液压传动与控制关键技术研究.pdf

２０１６ 年 １ 月 第 ４４ 卷 第 ２ 期 机床与液压 ＭＡＣＨＩＮＥ ＴＯＯＬ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ Ｊａｎ􀆱 ２０１６ Ｖｏｌ􀆱 ４４ Ｎｏ􀆱 ２ ＤＯＩ１０．３９６９／ ｊ􀆱 ｉｓｓｎ􀆱 １００１－３８８１􀆱 ２０１６􀆱 ０２􀆱 ０２５ 收稿日期 ２０１４－１１－０７ 基金项目 青岛开发区科技计划项目 （２０１４⁃１⁃４７； ２０１４⁃１⁃２０）； 中央高校基本科研业务费专项资金项目 （１４ＣＸ０２０６９Ａ； １２ＣＸ０２００９Ａ） 作者简介 张立军 （１９７７）， 男， 博士， 副教授， 主要从事风力发电液压系统设计和仿真方面的教学和科研工作。 Ｅ－ ｍａｉｌ ｚｌｊ⁃２＠ １６３􀆱 ｃｏｍ。 垂直轴风力发电机液压传动与控制关键技术研究 张立军１， 张明明２， 胡义娥２ （１􀆱 中国石油大学 （华东） 机电工程学院， 山东青岛 ２６６５８０； ２􀆱 青岛东华士智能装备有限公司， 山东青岛 ２６６５８０） 摘要 提出多级垂直轴风力发电机液压恒频发电技术。 以电动机模拟风轮， 建立了液压系统原理图， 并解决了内曲线 马达自吸能力差、 两路高效合流困难等问题。 实验结果表明 系统能够输出 （５００􀆱 ２） Ｈｚ 的、 满足并网要求的近似恒频的 交流电。 关键词 垂直轴风力发电机； 液压传动与控制； 恒频； 高效合流 中图分类号 ＴＫ８３ 文献标志码 Ｂ 文章编号 １００１－３８８１ （２０１６） ２－０８２－２ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｋｅｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｏｆ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｄｒｉｖｅ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ Ｖｅｒｔｉｃａｌ⁃ａｘｉｓ Ｗｉｎｄ⁃ｄｒｉｖｅｎ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ＺＨＡＮＧ Ｌｉｊｕｎ１， ＺＨＡＮＧ Ｍｉｎｇｍｉｎｇ２， ＨＵ Ｙｉ’ｅ２ （１􀆱 Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ， Ｑｉｎｇｄａｏ Ｓｈａｎｄｏｎｇ ２６６５８０， Ｃｈｉｎａ； ２􀆱 Ｑｉｎｇｄａｏ Ｄｏｎｇｈｕａｓｈｉ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｃｏ．， Ｌｔｄ．， Ｑｉｎｇｄａｏ Ｓｈａｎｄｏｎｇ ２６６５８０， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｔｏｗｅｒ⁃ｔｙｐｅ ｍｕｔｉ⁃ｓｔａｇｅ ｖｅｒｔｉｃａｌ⁃ａｘｉｓ ｗｉｎｄ⁃ｄｒｉｖｅｎ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ． Ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｙｓｔｅｍ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｄｉａｇｒａｍ ｗａｓ ｂｕｉｌｔ ｂｙ ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｉｎｇ ｍｏｔｏｒ ｆｏｒ ｗｉｎｄ ｗｈｅｅｌ， ａｎｄ ｓｏｍｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ， ｓｕｃｈ ａｓ ｐｏｏｒ ｓｅｌｆ⁃ｓｕｃｔｉｏｎ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ ｈｉｇｈ⁃ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｃｏｎｆｌｕｅｎｃｅ ｗｅｒｅ ｓｏｌｖｅｄ． Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｏｕｔｐｕｔ （５０ ０􀆱 ２） Ｈｚ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ＡＣ， ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｕｔｉｌｉｔｙ ｇｒｉｄ ｃｏｎｎｅｃｔ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｖｅｒｔｉｃａｌ⁃ａｘｉｓ ｗｉｎｄ⁃ｄｒｉｖｅｎ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ； Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｄｒｉｖｅ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ； Ｃｏｎｓｔａｎｔ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ； Ｈｉｇｈ⁃ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｃｏｎｆｌｕｅｎｃｅ 目前的垂直轴风力发电机由于存在能接收来自任 何方向的风、 无须对风， 以及增速齿轮箱和发电机能 安装在地面上、 维修方便等优点而逐步被重视［１－２］。 但目前的垂直轴风力发电机存在如下不足（１） 自 动启动能力差， 且过速时的速度控制困难。（２） 独 立运行的风力发电系统所发出的电， 其电压和频率是 一直在变化的非标准交流电， 而且风能是随机波动 的， 不可能与负载的需求相匹配， 需要用储能装置来 储存这些风电， 储存装置所储存的电能为直流电， 但 目前绝大多数用电器和动力机械均需标准交流电， 因 此， 风电系统中均设计有能实现直流转换成交流、 且 复杂昂贵的逆变器。（３） 风机转速相对较低， 而对 应发电机转速要求较高， 在风轮与发电机之间需要齿 轮增速箱。 一级垂直轴风机的齿轮增速箱虽然可以放 在地面上， 但其体积笨重、 价格昂贵［３］； 当采用不同 高度的风轮时仍存在安装不方便等问题。（４） 比较 大型的垂直轴风机中的发电机都是永磁式的， 价格比 普通发电机贵很多。（５） 多组大型风力发电机的占 地面积比较大。 以上这些不足限制了垂直轴风力发电 机的规模化发展。 为此， 文中提出了多级垂直轴风力 发电机液压恒频发电技术。 研究了两级风轮 （用电 动机模拟） 与配套普通交流发电机之间的液压传动 与控制系统， 提出了解决升力型风机自启动能力差和 对应发电机输出恒频电难的方法， 提高了风能利用率 和入网发电的稳定性与便捷性。 １ 多级垂直轴风力发电机液压恒频发电技术 实践证实， 风轮每抬高 ５０ ｍ， 上 ５０ ｍ 处风轮的 发电功率是下 ５０ ｍ 处风轮发电功率的 ２ 倍， 即上 ５０ ｍ 处的平均风速为下 ５０ ｍ 处平均风速的 １􀆱 ２６ 倍。 基 于这个实践， 提出了多级垂直轴风力发电机液压恒频 发电技术， 其原理示意图如图 １ 所示。 将在不同高度 上的风力机风轮组 （２ 个以上） 产生的能量收集到一 起， 共同转换成液压能来驱动一台或多台功率不等的 交流发电机， 这能吸收较多的风能， 提高风能利用 率， 并使整体结构在空间上布局灵活， 安装维修更加 方便， 塔架结构更加简化。 图 １ 两级垂直轴风机液压恒频发电技术原理图 ２ 液压系统的组成及工作原理 两级 ３ ｋＷ 风机发电液压传动系统主要由液压 泵、 阀控组件、 高速变量马达及管路等组成。 液压泵 与电动机通过减速器连接， 用于将风能转化为静压 能。 为了模拟额定风速 １２ ｍ／ ｓ 下风轮的运行特性， 通过调整负载， 使液压泵输入轴的扭矩为 ３４０ Ｎｍ， 额定转速为 １１０ ｒ／ ｍｉｎ。 当电机驱动液压泵能够提供 足够的压力油时， 高速变量马达调整为最大排量， 通 过高性能流量阀来维持高速变量马达的转速不变， 确 保发电机能发出最多的电。 当液压泵不能提供足够的 压力油时， 高性能流量阀全部打开， 通过减小高速变 量马达的排量来维持其转速不变， 确保发电机尽可能 发出较多的电。 当高速变量马达的排量调节到最小也 不能维持其转速或者无法驱动发动机时， 说明此时流 量太小， 系统停止工作。 高速变量马达的转速通过安 装在交流发电机上的转速传感器进行监控和反馈， 由 高性能流量阀和高速变量马达实施调节。 ３ 关键技术的分析与研究 ３􀆱 １ 特种马达自吸能力的分析 通常液压泵的最低转速均大于 ５００ ｒ／ ｍｉｎ， 而 ３ ｋＷ 垂直轴风轮的转速一般在 ３０～１２０ ｒ／ ｍｉｎ［４］， 因此 选用特种马达来代替液压泵。 但这种马达本身的自吸 能力较差， 而与其配套的第二级风轮又被安装在一定 的高度 （通常大于 ８ ｍ） 上， 若不采取措施， 将使马 达的工作效率很低。 为此， 提出在高于马达的位置处 安装一个辅助设备， 让其提供马达启动时的初始压 力， 较好地解决了马达自启动能力差的问题。 后续实 际风轮实验也已证明， 这种方法在一定程度上对改善 风轮自启动有帮助。 ３􀆱 ２ 高效合流问题的分析 风轮在野外实际工作中， 上风轮处的风速较下风 轮处的风速大， 因此上风轮的转速通常比下风轮的转 速大， 所产生的驱动扭矩也不同。 当带动同一负载工 作时， 经常出现某一风轮逐渐停转的现象， 导致两路 液体不能合流。 在确保两风轮自身转动特性相同的前 提下， 最好的解决方法（１） 使两个风轮的转速始 终保持一致， 产生相同的驱动效应；（２） 维持两个 风轮的各自转速， 另加一装置， 使不同压力的两股液 体汇流在一起， 实现合流。 为了模拟风轮的特性， 实 验研究表明， 采用集流阀能够很好地解决这一问题。 ４ 实验研究 实验时， 为了模拟不同的风速， 通过控制变频电 机的转速来模拟风轮的转速， 用磁粉制动器模拟风轮 的对应扭矩， 达到让电动机 （含减速器） 的运行特 性完全与风轮的特性相同。 根据电动机转速的大小， 通过调节流量阀和高速变量马达排量实现交流发电机 的转速维持在 （１ ５００３） ｒ／ ｍｉｎ 或频率维持在 （５０ ０􀆱 ２） Ｈｚ， 以满足一级电的并网要求。 经过单极测试、 合流测试和闭环测试， 测试结果如图 ２ 所示。 测试结 果表明 在模拟不同的电动机转速下， 经过闭环控 制， 交流发电机的频率始终维持在 （５００􀆱 ２） Ｈｚ 范 围内， 而且响应时间也很快。 图 ２ 交流负载箱上显示的发电机频率 ５ 结论 （１） 提出了多级垂直轴风力发电机液压恒频发 电技术， 避免了采用目前笨拙的传动机构 机械式 齿轮增速箱， 同时省去了整流器和逆变器， 研发成本 明显减少。 （２） 搭建了两级 ３ ｋＷ 风机发电液压传动与控制 （下转第 １２０ 页） ３８第 ２ 期张立军 等 垂直轴风力发电机液压传动与控制关键技术研究 图 ３ 液压仿真系统简图 针对新的液压系统的动态仿真， 本着简化原模 型、 最大限度地获取系统的仿真动态特性的目的， 在 仿真模型的基础下， 省去了开停阀， 同时将液压系统 的传动型号改变为电信号， 如先导阀和制动阀的位置 转换信号改为模拟电信号； 同时忽略了管路刚性和柔 性的影响等。 液压系统的主要仿真参数见表 １。 表 １ 液压系统仿真的主要参数表 活塞缸直径／ ｍｍ６０ 油缸活塞杆直径／ ｍｍ２５ 油缸活塞质量／ ｋｇ５ 油缸活塞运动行程／ ｍ１􀆱 １ 齿轮泵输齿轮泵输出流量／ （Ｌｍｉｎ －１ ）７５ 溢流阀调整压力／ ＭＰａ２ 减压阀调整压力／ ＭＰａ０􀆱 ３～０􀆱 ５ 最大允许负载／ Ｎ１ ０００ 通过对仿真系统的参数进行如上设置， 得到油缸 活塞从启动到平稳运行过程中的压力特性曲线图 ４ 和 速度曲线图 ５。 仿真过程中的工作平台以最小运行速 度来进行仿真， 见图 ５。 图 ４ 液压缸有杆腔压力曲线 图 ５ 活塞的运动速度图 对改造后的系统用 ＡＭＥＳｉｍ 做仿真分析， 液压系 统动态仿真的效果显示 液压系统的运行过程中， 受 力基本平稳。 ６ 结束语 该系统采用节流调速， 缺点是速度越低， 能耗越 大， 但考虑到液压系统的实际工作情况 磨床一般处 于中、 高速运行， 功率小， 因此能耗不是很大； 同时 新改造的系统中使用的元件都较为简单， 或者间接改 造， 较为容易； 新改造的液压系统使用液动换向阀换 向， 能够减少冲击。 综上所述 采用调速阀、 液动换 向阀工作能够满足系统实际情况的需求。 参考文献 ［１］ 屈武斌，佟庆雨．某新型液压系统的故障分析［Ｊ］．液压 与气动，２０１３（１１）１１０－１１２． ［２］ 丁少文，卫林叶．Ｍ６４２ 型滚刀磨床液压操纵系统的改进 ［Ｊ］．液压与气动，２０１３（９）１１５－１１６． ［３］ 杨晓红．ＭＭ７１３２ 型平面磨床液压系统的改造［Ｊ］．设备 管理与维修，１９９６（６）２０－２１． ［４］ 吴桃．磨床液压系统的改造［Ｊ］．考试周刊，２０１２（８２） １２５． ［５］ 许贤良，王传礼．液压传动［Ｍ］．北京国防工业出版社， ２００６． ［６］ 张利平，液压控制系统设计与使用［Ｍ］．北京化学工业 出版社，２０１３． ［７］ 丁右青，周小鹏，液压传动与控制［Ｍ］．重庆重庆大学 出版社，２０１０． ［８］ 李远慧，陈新元，朱学彪．矿料小车的液压系统改进［Ｊ］． 机床与液压，２０１３，４１（７）１３２－１３３． ［９］ 冯宪琴，崔培学．机床液压系统的优化设计与现代化改 装解决方案探索［Ｊ］．机床与液压，２０１３，４１（７）１５０－ １５１． ［１０］ 张盺，杨志东．铣床节能液压系统设计［Ｊ］．机床与液 压，２０１３，４１（７）５１－５３． （上接第 ８３ 页） 系统， 主要由液压泵、 阀控组件、 高速变量马达及管 路等组成。 利用特种马达做泵用， 解决了大功率风轮 转速低的问题。 （３） 通过安装辅助设备和集流阀等， 解决了液 压回路的高效合流和特种马达本身自吸能力差等问 题， 发电效率明显提高。 （４） 实验结果显示 通过闭环控制， 该套模拟 发电系统能使交流发电机的频率始终维持在 （５０ ０􀆱 ２） Ｈｚ 范围内， 满足并网发电要求。 参考文献 ［１］ 杜志杰，马丽娜．风力发电［Ｍ］．北京化学工业出版社， ２００９． ［２］ 张立军，孙明刚．新型垂直轴风力发电机的关键技术探 讨［Ｊ］．机床与液压，２０１４，４２（８）１－２． ［３］ 王存堂，杨明泽，卢岳宏．基于内曲线液压马达的分离式 柔性增速装置２０１２１０１４１０６２􀆱 ５［Ｐ］．２０１３－０３－１３． ［４］ 上海麟风风能科技有限公司．３ ｋＷ 风力发电机技术参 数［ＯＬ］．ｈｔｔｐ／ ／ ｗｗｗ􀆱 ｓａｗｔ􀆱 ｃｏｍ􀆱 ｃｎ／ ｉｎｄｅｘ＿ｃｈ􀆱 ｈｔｍｌ． ０２１机床与液压第 ４４ 卷