垂直轴风力发电机液压传动与控制关键技术研究

年月第卷第期机床与液压收稿日期基金项目青岛开发区科技计划项目（；）；中央高校基本科研业务费专项资金项目（；）作者简介张立军（），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。垂直轴风力发电机液压传动与控制关键技术研究张立军，张明明，胡义娥（中国石油大学（华东）机电工程学院，山东青岛；青岛东华士智能装备有限公司，山东青岛）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（）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文献标志码文章编号（），（，；，），（），；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。但目前的垂直轴风力发电机存在如下不足（）自动启动能力差，且过速时的速度控制困难。（）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。（）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；当采用不同高度的风轮时仍存在安装不方便等问题。（）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。（）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。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，上处风轮的发电功率是下处风轮发电功率的倍，即上处的平均风速为下处平均风速的倍。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，其原理示意图如图所示。将在不同高度上的风力机风轮组（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。图两级垂直轴风机液压恒频发电技术原理图液压系统的组成及工作原理两级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，额定转速为。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。关键技术的分析与研究特种马达自吸能力的分析通常液压泵的最低转速均大于，而垂直轴风轮的转速一般在，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）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。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（）使两个风轮的转速始终保持一致，产生相同的驱动效应；（）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。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（）或频率维持在（），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（）范围内，而且响应时间也很快。图交流负载箱上显示的发电机频率结论（）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。（）搭建了两级风机发电液压传动与控制（下转第页）第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。表液压系统仿真的主要参数表活塞缸直径油缸活塞杆直径油缸活塞质量油缸活塞运动行程齿轮泵输齿轮泵输出流量（）溢流阀调整压力减压阀调整压力最大允许负载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和速度曲线图。仿真过程中的工作平台以最小运行速度来进行仿真，见图。图液压缸有杆腔压力曲线图活塞的运动速度图对改造后的系统用做仿真分析，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。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。参考文献屈武斌，佟庆雨某新型液压系统的故障分析液压与气动，（）丁少文，卫林叶型滚刀磨床液压操纵系统的改进液压与气动，（）杨晓红型平面磨床液压系统的改造设备管理与维修，（）吴桃磨床液压系统的改造考试周刊，（）许贤良，王传礼液压传动北京国防工业出版社，张利平，液压控制系统设计与使用北京化学工业出版社，丁右青，周小鹏，液压传动与控制重庆重庆大学出版社，李远慧，陈新元，朱学彪矿料小车的液压系统改进机床与液压，（）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机床与液压，（）张盺，杨志东铣床节能液压系统设计机床与液压，（）（上接第页）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。（）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。（