MW級風電機組機械液壓混合傳動系統研究

王振宇 許增金 王梓涵

沈陽工業大學 遼寧沈陽 110000

不可再生能源大量開采，使資源總量大幅度下降，可再生資源的開發具有重要的意義，全球氣候協議簽約以后，可再生能源進入了快速發展階段，可再生能源是通過可再生資源的能量回收所獲得，我們能夠從陽光中獲得能量，也可以從風、潮汐等自然資源獲得更多能量，其中從風中獲得的風能是當前最有價值的，具備最成熟的利用技術，發展前景也很可觀，能夠有效解決全國能源需求。文章詳細介紹了MW型風電機組原理，同時提出相關控制策略，系統研究風力機中機械液壓混合傳動關鍵技術等。從電機組機械液壓混合傳動系統進行研究，探索更適合風能的控制系統以及策略，最大限度地發揮風能的優勢和價值。

1 MW型風電機組控制原理概述

當風速和切入風速大小存在差異時，只有前者大于后者，才能讓風力發電機正常啟動，進而對變槳和泵進行有效操控，確保能夠為并網提供更便捷的條件。當實現并網后，必須采取措施控制風力機的速度，同時根據其實際情況的變化而調整轉速。在實際工作中，額定風速與實際風速應保持一致，這樣才能保證風力機的功率輸出穩定。

詳細分析機械液壓MW型風電機組的具體特點，在現有的控制策略基礎上，提出更新的控制策略。通過對風速與切入風速進行有效控制，當前者小于后者時，能夠保持一種順槳狀態；當前者大于后者，一定程度上會加速風力機的轉動，借助變槳與泵的情況進行相對控制，有效確保發電機的轉速在一個合理的范圍之內。在此基礎上能夠實現并網，在相關操作之后，對控制泵的變量進行合理控制，滿足風力機的相關要求，進而最大限度地捕獲風力機的實際功率。隨后在分析葉輪轉速的實際情況，考察其是否到達指定的額定轉速，當到達一定標準后，再看風速與額定風速的關系，當前者大于后者，必須借助控制泵的作用，通過調節其中的排量來確保相關功率的穩定；當前者小于后者，風力機可以借助控制泵來控制葉輪的轉速進而保證其能夠在一定相對穩定的狀態下。不僅如此，考慮采用變槳實現功率穩定，當風速大于切出風速時，槳葉順槳，風力機停機。

2 MW型風電機組機械液壓混合傳動原理及機組的變速恒頻控制

風電機組機械液壓混合傳動關鍵在于混合，其中涉及混合傳動系統是較為重要的環節之一，借助液壓能和機械能的作用進行能量傳送。首先，借助葉輪控制系統獲得充足的風能和機械能；其次，將其中的能量進行分流，其中一部分變成機械能，最后通過發電機的作用達到能量傳遞。

3 MW級風電機組機械液壓混合傳動系統模型分類

可再生能源能夠對能源結構調整產生很大影響，同時有利于全球環境保護，為氣候變化產生了一定的影響，推動我國社會可持續發展，為我國建設資源節約型社會奠定了堅實的基礎。當前，風能是再生能源技術中最成熟的技術，也是應用最廣泛的，下文針對風為機傳動鏈展開一定的研究，詳細分析混合傳動風電機不同階段適配的控制策略，針對此問題提出專業的理論分析，同時設計了相關模型和試驗提高可行性。

為了保證研究的真實性和可操作性，本文選擇專業的MW級風電機組建模來進行研究和分析，其中涉及以下幾方面。

3.1 風速模型

對于風能而言，風速快慢很大程度上影響能源的分布，所以在研究風能的過程中必須對風速進行研究。而平均風速、斜坡值風速的穩定性、陣風分量和湍流分量是其中最重要的影響因素。平均風速主要借助風機額定功率和潮流計算的輸出率進行計算。

3.2 葉輪模型

葉輪是獲得風能的重要設備，葉輪是否正常運轉決定風能是否能夠達到一定的標準。而這需要由風輪進行控制和操作，當風輪轉速正常，風力機一切指標均保持正常。在實際操作中可以通過調節風輪的轉速來進行，進而確保能夠滿足一定的需求。

3.3 并網發電機模型

為了不斷豐富能源結構，替代更多不可再生能源，電力發電也成為當前較為重要的技術之一，發電機的使用范圍以及使用面不斷擴大，使用次數也不斷增加，如火力發電、水力發電、核能發電等。基于其重要性的日益凸顯，同步電機并網發電也是當前重要發展方向，能夠有效轉化功率，電流及電機在正常調節過程中實現了功率的轉化。

合并風力發電機具有很多優勢，最突出的是不需要使用容量較大的變流器即可以完成相對應的工作任務。一方面，能夠降低成本，避免浪費過多的人力物力財力；另一方面，變流器具有很復雜且不方便的操作流程，如果控制不到位，很可能產生嚴重的后果，不僅電能質量存在很大差異，而且電流總量瑣事很嚴重。

4 MW型風電機組仿真策略分析

4.1 變速恒頻控制結構分析

如果想實現風速并網必須符合一定的條件，當風速等其他因素得不到相關要求時則很難進行后續操作。變速恒頻系統的存在主要用來控制發電機轉速和同步轉速，只有確保兩者在比較接近的范圍內，才可以達到合閘并網的要求。當達到這一要求后，電網系統內部的結果會出現不同，而葉輪能夠進行跟蹤分析，確保風速能夠時刻保持合理。

4.2 機械液壓混合傳動功率分配及效率分析

機械液壓混合傳動通過發電機來進行工作，根據不同的傳輸渠道分為液壓路傳遞和機械路傳遞，但二者占據的比重不同，前者比重較小，后者比重較大，這樣能夠提升混合系統的傳遞效率和速度，從整體上提升風力發電的水平。除此之外，在能量轉化的過程中還有一部分能量主要借助液壓形成，但是其所占據的比重較小。

5 MW級風電機組機械液壓混合傳動系統控制策略

5.1 并網控制策略

當實現并網時，發電機電壓與電網電壓必須保持相對穩定且峰值相同的狀態，這樣才能保證并網達到相對合理的要求。如果二者數值出現差距，發電機和電網產生的回路會帶來一定的沖擊電流，這種電流危害較大，會導致發電機故障或者電網損害等問題。通過對其中內容的分析，我們不難發現實現并網應該滿足以下要求：

(1)電網與發電機的電壓和相位應該保持一致；

(2)電壓和發電機的有效值保持一致；

(3)電網與發電機的相序保持一致。

這三個要求必須同時滿足，這樣才能確保并網的順利實現和完成。如果其中的任意一條未滿足，很大程度上將會造成一定的風險。三個要求相比，第三條比較重要，二者的相序必須保持高度一致。而電壓和有效值允許有一定的偏差，但是也必須保持在一定的范圍內，這樣才不會損害發電機和電網。當前比較流行的幾種發電機中均含有變流器，首先通過調節其中的風力機變槳來實現轉速的調節和控制，然后通過變流器使發電機和電網的指數達到規定要求，并網開關通過閉合裝置來控制開關，實現并網的目的。

風電機組機械液壓混合傳動系統具有一定的特殊性。首先，借助變槳執行機構進行控制。其次，利用葉輪控制其中的轉速。最后，控制器會對三個要求進行一一核查，確保條件符合完成并網操作。

傳動系統的傳動很大程度上取決于液壓傳動的傳動比，其中的數值變化會造成整體情況的改變。基于此，在進行機械液壓傳動型風電機組并網的過程中，應進行如下操作：一方面，通過調整風速與切入風速的關系來進行，當前者大于后者，變槳執行機構進入正常狀態時，能夠讓驅動葉片處于最佳角度。其次，在前期準備的基礎上葉輪能夠進行轉動，根據槳葉節距角的實際來進行一定的改變，讓葉輪盡可能地保持穩定。最后，對液壓泵的排量進行移動的控制，進而確保發電機轉速保持穩定。

5.2 最佳轉速跟蹤區控制策略

機械液壓MW型風電機組與當前使用的發電機存在很大不同，針對最佳轉速跟蹤區控制策略的具體分析，主要從這三個方面展開詳細研究，包括恒功率區控制策略、恒轉速區控制策略及過渡階段。根據該機械液壓MW型風電機組的特點，本論文采用最佳轉矩、轉速曲線追蹤法實現風力機最佳轉速跟蹤控制。依據葉輪的轉速進而計算出目標轉矩，在此基礎上將目標轉矩和實際轉矩做差來比較，控制器進而調節液壓泵量，閉環控制其轉矩以及轉速，通過一定的閉環控制追蹤目標轉矩。

5.3 恒轉速區控制策略

對于恒轉速區的控制，主要目標是為了確保葉輪轉速能夠穩定在額定轉速，風速在持續升高的同時，葉輪轉速也在隨之升高，當葉輪轉速到達額定轉速的時候，將風速持續增大，確保葉輪轉速能夠保持在額定轉速。此外，加上具有一定柔性的液壓傳動，很大程度上吸收了風速波動導致的轉矩波動，為恒轉速的控制提供了一定的保障。風速改變的時候驅動力矩也隨之發生變化，液壓轉矩參與調節，進而維持一定的平衡。所以，通過液壓泵一定的調節以后，能夠維持風力機的轉速恒定運行。

5.4 最佳轉速跟蹤區與恒轉速區過渡階段的控制策略

這兩個階段需要一個過渡，在過渡期間需要一定的控制，避免因為風力機出現轉矩突變影響傳動系統的性能和使用，在最佳轉速跟蹤區，風力越大，風力機的轉速就隨之越來越大，葉輪有了加速度，在恒轉速區，風力機在隨著風速加大而加速的同時，葉輪轉速始終保持在額定轉速上，葉輪不具有加速度。

本文在研究的過程中借助正余弦曲線來反映相關數據。在實際使用的過程中，當葉輪轉速到達指定的額定轉速后，能夠對葉輪的加速度進行科學測量。在這種情形下，如果其中的風速繼續保持上升狀態，可以借助葉輪的加速度，選擇相對合理的運行周期，將葉輪的轉速設定為1/4周期。而當葉輪其中的轉速達到一定的極點(正弦曲線最高點)時，借助此時的轉速與額定轉速，將葉輪轉速控制在1/2周期之內。

5.5 恒功率區控制策略

風速和額定風速之間的關系也是需要控制的，風速大大超過額定風速時，發電功率也是很大程度上超過了額定功率，這時候就必須采用變槳的方式減弱風速，確保風電機組的使用壽命不被損壞或者減少。此外，液壓傳動系統具備柔性，風速如果過快的話，會帶動轉矩波動，液壓傳動此時能夠吸收一定的波動，從而確保風電機的使用，也有利于加強其使用壽命。

詳細分析風力機混合傳動系統不同階段的控制策略，混合傳動系統的初步模型進行建立以后，詳細分析系統中各個參數，在此基礎上提出控制策略，包含功率分合流控制、轉矩控制、變速控制等，進一步說明具體流程，進行一定的理論論證，最后通過相關數據信息繪制風電機組各方面工作情況，包括轉速、機械液壓轉矩、系統相關排量等。

針對風電機組的具體過程中的各階段控制原理進行詳細分析，加上機械液壓混合傳動型風電機組的特點，總結出在各階段風電機組對于風力機的具體控制策略，從而為實際試驗提供理論參考。針對機械液壓混合傳動的相關內容進行了詳細分析，總結出機械液壓混合傳動能夠實現無級調速，此外也分析了其功率分流的具體情況。

本文研究內容包含諸多學科問題，從不同的學科內容出發解決風電機組機械液壓混合傳動系統中存在的問題，能夠對相對應的問題提出具有針對性的解決方案以及措施，不斷提升風力機自身的功率輸出，盡可能地節約維修費用。

本文介紹了可再生能源的發展趨勢以及發展前景，針對風能利用現狀進一步進行相關研究，同時也對國內外風力機的傳動系統進行了總結性分析，著重強調研究變速運行下風力運行相關技術，對于傳統風電機組存在的不足之處，總結出一種新型風力機混合傳動系統。本篇文章研究了風力機中電液控制齒輪箱，以供參考。