艾　超　陳立娟　孔祥東　李　昊　葉壯壯

1.河北省重型機(jī)械流體動力傳輸與控制實(shí)驗(yàn)室，秦皇島，0660042.燕山大學(xué)，秦皇島,066004

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30 kV·A液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模擬實(shí)驗(yàn)臺液壓主傳動系統(tǒng)效率分析

艾超1,2陳立娟1,2孔祥東1,2李昊2葉壯壯1,2

1.河北省重型機(jī)械流體動力傳輸與控制實(shí)驗(yàn)室，秦皇島，0660042.燕山大學(xué)，秦皇島,066004

摘要：以30 kV·A液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模擬實(shí)驗(yàn)臺為研究對象，簡要介紹了該實(shí)驗(yàn)臺的基本結(jié)構(gòu)、組成和工作原理。為深入了解該模擬實(shí)驗(yàn)臺的效率，推導(dǎo)了適用于此種機(jī)型的閉式液壓傳動系統(tǒng)效率公式，并基于風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵控制技術(shù)——最大功率追蹤控制技術(shù)，對實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了效率實(shí)驗(yàn)研究。最終驗(yàn)證了理論計(jì)算公式的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；液壓傳動；模擬實(shí)驗(yàn)臺；效率測試

0引言

液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是一種新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)型，與傳統(tǒng)機(jī)型相比，有眾多優(yōu)勢，如減小發(fā)電機(jī)體積、減輕機(jī)艙重量、省去龐大的整流逆變電力電子裝置[1]。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的整機(jī)效率體現(xiàn)了風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的效率，傳統(tǒng)機(jī)型傳動鏈采用齒輪箱，其傳動效率是很高的，對于此種新型液壓機(jī)型來說傳動效率有待進(jìn)一步研究。

針對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組效率以及泵控馬達(dá)傳動系統(tǒng)效率問題，國內(nèi)外學(xué)者展開了一系列研究。文獻(xiàn)[2]介紹了影響風(fēng)電機(jī)組效率的最重要參數(shù)。文獻(xiàn)[3]針對陸上風(fēng)電場所處的環(huán)境，研究了陸上風(fēng)力發(fā)電場驅(qū)動效率的問題。文獻(xiàn)[4]針對閉式泵控馬達(dá)液壓系統(tǒng)效率問題，分析了變排量和變轉(zhuǎn)速兩種情況下系統(tǒng)的效率。

本文對燕山大學(xué)孔祥東教授團(tuán)隊(duì)在研究過程中搭建的30 kV·A液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模擬實(shí)驗(yàn)臺進(jìn)行簡單介紹，并以該實(shí)驗(yàn)臺為平臺對液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組液壓主傳動系統(tǒng)的效率進(jìn)行理論與實(shí)驗(yàn)研究。

130 kV·A液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模擬實(shí)驗(yàn)臺工作原理

30 kV·A液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模擬實(shí)驗(yàn)臺主要由風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)、液壓傳動系統(tǒng)、并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)四部分構(gòu)成，如圖1所示，原理如圖2所示。其工作原理為：變頻器控制變頻電機(jī)轉(zhuǎn)動來模擬風(fēng)力機(jī)；變頻電機(jī)驅(qū)動定量泵轉(zhuǎn)動，輸出高壓油驅(qū)動變量馬達(dá)旋轉(zhuǎn)；與馬達(dá)輸出軸剛性連接的發(fā)電機(jī)在馬達(dá)的驅(qū)動下以同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。在整個系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，通過主控制器控制變量馬達(dá)斜盤擺角位置，實(shí)現(xiàn)馬達(dá)轉(zhuǎn)速控制和發(fā)電機(jī)發(fā)電功率控制[5-6]。

圖1　30 kV·A液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模擬實(shí)驗(yàn)臺實(shí)物圖

圖2　30 kV·A液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模擬實(shí)驗(yàn)臺液壓原理圖

2液壓主傳動系統(tǒng)(定量泵-變量馬達(dá)閉式系統(tǒng))的效率建模

該風(fēng)電機(jī)組中定量泵-變量馬達(dá)閉式系統(tǒng)為恒流源工作狀態(tài)，即正常工作狀態(tài)下沒有溢流[7-8]。由于液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組液壓主傳動系統(tǒng)工作時必須滿足同步發(fā)電機(jī)準(zhǔn)同期并網(wǎng)要求，故變量馬達(dá)轉(zhuǎn)速理論上要保持1500 r/min的同步轉(zhuǎn)速不變。因此該閉式系統(tǒng)與傳統(tǒng)定量泵-變量馬達(dá)系統(tǒng)作為恒功率調(diào)速的應(yīng)用不同，需要對此系統(tǒng)傳統(tǒng)意義上的效率公式進(jìn)行深入探索，以得到準(zhǔn)確實(shí)用的液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組液壓主傳動系統(tǒng)的效率公式。

2.1傳統(tǒng)閉式系統(tǒng)的效率建模

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中定量泵采用軸向柱塞泵，效率主要受摩擦和泄漏的影響，隨著系統(tǒng)工作壓力的升高，摩擦泄漏量會有所增加。

2.1.1定量泵效率理論表達(dá)式

(1)定量泵容積效率[9-10]。液壓泵的容積效率是指液壓泵的實(shí)際輸出流量Q1a與其理論輸出流量Q1t之比。定量泵理論流量的計(jì)算公式為

Q1t=n1q1

(1)

式中，n1為定量泵轉(zhuǎn)速；q1為定量泵理論排量，取63mL/r。

定量泵實(shí)際流量的計(jì)算公式為

Q1a=Q1t-ΔQ1

(2)

(3)

式中，Cs為無因次層流泄漏系數(shù)，取2×10-9。

于是，定量泵容積效率的計(jì)算公式為

(4)

(2)定量泵機(jī)械效率。液壓泵的機(jī)械效率是指液壓泵的理論輸出功率與其實(shí)際輸入功率之比，一般用液壓泵的理論輸出轉(zhuǎn)矩T1t與其實(shí)際輸入轉(zhuǎn)矩T1a之比來表示。定量泵理論輸出轉(zhuǎn)矩為

(5)

定量泵實(shí)際輸入轉(zhuǎn)矩為

T1a=T1t+ΔT1

(6)

式中，ΔT1為定量泵內(nèi)部存在的摩擦損失轉(zhuǎn)矩；Cf為無因次機(jī)械摩擦因數(shù)，取0.01；CV為無因次層流摩擦因數(shù)，取3×105。

于是，定量泵機(jī)械效率為

(7)

(3)定量泵的總效率。液壓泵的總效率是指液壓泵的實(shí)際輸出功率與輸入功率之比，其表達(dá)式為

(8)

2.1.2變量馬達(dá)效率的理論表達(dá)式

變量馬達(dá)效率主要受摩擦、泄漏和馬達(dá)斜盤擺角等因素的影響。

(1)變量馬達(dá)容積效率。馬達(dá)的容積效率是指液壓馬達(dá)的理論輸入流量Q2t與實(shí)際輸入流量Q2a之比。變量馬達(dá)理論輸入流量的計(jì)算公式為

Q2t=n2q2mγ

(9)

式中，n2為變量馬達(dá)轉(zhuǎn)速；q2m為變量馬達(dá)最大理論排量，取40mL/r；γ為變量馬達(dá)斜盤位置，區(qū)間為[0,1]。

變量馬達(dá)理論實(shí)際流量的計(jì)算公式為

Q2a=Q2t+ΔQ2

(10)

式中，ΔQ2為變量馬達(dá)的泄漏流量。

和定量泵的泄漏流量推導(dǎo)方式一樣，變量馬達(dá)泄漏流量為

(11)

于是，變量馬達(dá)容積效率為

(12)

(2)變量機(jī)械效率。液壓馬達(dá)的機(jī)械效率是指液壓馬達(dá)的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩T2a與理論輸出轉(zhuǎn)矩T2t之比。變量馬達(dá)理論轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式為

(13)

變量馬達(dá)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式為

T2a=T2t-ΔT2

(14)

式中，ΔT2為變量馬達(dá)摩擦損失轉(zhuǎn)矩。

變量馬達(dá)機(jī)械效率為

(15)

(3)變量馬達(dá)的總效率。液壓馬達(dá)的總效率是指液壓馬達(dá)的實(shí)際輸出功率與輸入功率之比，其表達(dá)式為

(16)

2.1.3定量泵-變量馬達(dá)傳動系統(tǒng)的總效率

為了計(jì)算簡便，方便分析，忽略傳輸介質(zhì)在管道中的沿程損失、局部損失等,那么定量泵-變量馬達(dá)傳動系統(tǒng)的總效率為

(17)

2.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)組液壓主傳動閉式系統(tǒng)效率建模

公式推導(dǎo)前提條件為系統(tǒng)壓力相對穩(wěn)定，則流量連續(xù)性方程為

Q2a=Q1t-ΔQ1-ΔQ2

(18)

將式(1)、式(3)、式(9)以及式(11)代入式(18)可得

(19)

將式(19)代入式(4)、式(7)、式(12)和式(15)得：

定量泵容積效率為

(20)

定量泵機(jī)械效率為

(21)

變量馬達(dá)容積效率為

(22)

變量馬達(dá)機(jī)械效率為

(23)

式(20)～式(23)即為液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組定量泵-變量馬達(dá)閉式系統(tǒng)的效率公式。從中可以看出，定量泵和變量馬達(dá)的容積效率和定量泵的轉(zhuǎn)速和變量馬達(dá)擺角有關(guān)，定量泵和變量馬達(dá)的機(jī)械效率除了和定量泵轉(zhuǎn)速、變量馬達(dá)擺角有關(guān)之外，還與定量泵與變量馬達(dá)的固有參數(shù)Cs、CV、Cf有關(guān)?？梢钥闯觯喕蟮墓脚c式(17)相比，減少了可變參數(shù)Δp、μ。

3主傳動系統(tǒng)的效率實(shí)驗(yàn)

本文效率測試是在研究液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵控制技術(shù)(最佳功率追蹤)的過程中進(jìn)行的。最佳功率追蹤是在給定的風(fēng)速下，控制系統(tǒng)控制風(fēng)力機(jī)獲取此風(fēng)速下最大風(fēng)能。由于系統(tǒng)只有在實(shí)際最大發(fā)電功率點(diǎn)效率才達(dá)到最高，因此只有在進(jìn)行最佳功率追蹤研究的過程中測試機(jī)組的效率才具有現(xiàn)實(shí)意義。給定風(fēng)速階躍7-8-9m/s和9-8- 7m/s，得到定量泵轉(zhuǎn)速、變量馬達(dá)斜盤位置以及發(fā)電功率曲線，如圖3所示。

取功率平穩(wěn)階段實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究?？倢?shí)驗(yàn)時間是120s，從圖中可以看出0～10s、60～70s、110～120s三段時間里發(fā)電功率已經(jīng)相對平穩(wěn)。其數(shù)據(jù)處理結(jié)果如表1所示。

通過以上三組數(shù)據(jù)的對比可知，由實(shí)驗(yàn)直接測得的效率與理論計(jì)算得到的效率比較接近。從而說明，在前提條件的約束范圍內(nèi)，理論推導(dǎo)的公式可以近似作為由定量泵-變量馬達(dá)閉式傳動系統(tǒng)組成的液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的效率計(jì)算公式。

(a)定量泵轉(zhuǎn)速(7-8-9 m/s)

(b)斜盤位置(7-8-9 m/s)

(c)發(fā)電功率(7-8-9 m/s)

(d)定量泵轉(zhuǎn)速(9-8-7 m/s)

(e)斜盤位置(9-8-7 m/s)

(f)發(fā)電功率(9-8-7 m/s)圖3　階躍風(fēng)速作用下最佳功率追蹤實(shí)驗(yàn)曲線

表1　液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組效率測試結(jié)果

注：表中實(shí)際效率根據(jù)圖3c和圖3f實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所得；計(jì)算效率通過結(jié)合模擬得到的不同風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)輸出轉(zhuǎn)速[11]和式(20)～式(23)計(jì)算所得。

4結(jié)束語

本文介紹了30 kV·A液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模擬實(shí)驗(yàn)臺的結(jié)構(gòu)、組成和工作原理，詳細(xì)推導(dǎo)了液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組閉式主傳動系統(tǒng)效率計(jì)算公式，并以30 kV·A液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模擬實(shí)驗(yàn)臺為實(shí)驗(yàn)平臺，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論計(jì)算數(shù)據(jù)對比驗(yàn)證了效率公式的正確性。

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(編輯袁興玲)

收稿日期：2015-11-10

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51405423)；燕山大學(xué)青年教師自主研究計(jì)劃課題資助項(xiàng)目(13LGB005)；國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心開放課題資助項(xiàng)目(NECSR-201305)

中圖分類號：TH137

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.12.002

作者簡介：艾超，男，1982年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院講師、博士。主要研究方向?yàn)榱黧w傳動與控制。發(fā)表論文30余篇。陳立娟，女，1989年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。孔祥東，男，1959年生。燕山大學(xué)副校長、教授、博士研究生導(dǎo)師。李昊，男，1977年生。燕山大學(xué)車輛與能源學(xué)院副教授、博士。葉壯壯，男，1990年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。

Efficiency Analysis of Main Hydraulic Transmission System in a 30 kV·A Hydraulic Wind Turbine Simulation Experimental Platform

Ai Chao1,2Chen Lijuan1,2Kong Xiangdong1,2Li Hao2Ye Zhuangzhuang1,2

1.Hebei Heavy Machinery Fluid Power Transmission and Control Laboratory, Qinhuangdao， Hebei, 066004 2.Yanshan University, Qinhuangdao, Hebei, 066004

Abstract:Taking 30 kV·A hydraulic wind turbine simulation experimental platform as the research object, the basic structure, composition and working principles of the experimental platform were briefly introduced herein. To further understand the efficiency of this simulation experimental platform, the efficiency formula for the closed hydraulic transmission system was derived, and based on the key control technology of wind turbine—maximum power point tracking control technology, the experimental study on the efficiency of the experimental system was conducted. Finally, the accuracy of theoretical calculation formula was verified.

Key words:wind power; hydraulic transmission; simulation experimental platform; efficiency test